CN112067170A - 一种基于变压器原理的柔性触觉传感器及其柔性触觉检测*** - Google Patents

一种基于变压器原理的柔性触觉传感器及其柔性触觉检测*** Download PDF

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张元飞
谢世鹏
金明河
孟庆远
刘宏
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Abstract

一种基于变压器原理的柔性触觉传感器及其柔性触觉检测***，属于机器人传感器技术领域，本发明为解决现有电磁性触觉传感器受电磁干扰影响大，以及高灵敏度与大量程无法兼顾的问题。它包括从上至下依次设置的敏感层、信号转换层和电磁屏蔽层；敏感层包括弹性体和嵌入弹性体中间的敏感片；弹性体底部中间开有空腔，空腔内为倒圆锥结构，所述倒圆锥结构的锥体尖部与信号转换层接触，弹性体顶部为凸起半球结构；敏感片采用导磁敏感片或导电敏感片；信号转换层包括初级线圈、次级线圈和基底；初级线圈和次级线圈均包裹在基底内，初级线圈设置在下层，次级线圈设置在上层；电磁屏蔽层设置在信号转换层的底部。本发明用于机器人的设计与制造。

Description

一种基于变压器原理的柔性触觉传感器及其柔性触觉检测 ***
技术领域
本发明涉及一种基于变压器原理的柔性触觉传感器及其柔性触觉检测***，属于机器人传感器技术领域。
背景技术
触觉作为人类的五大感官之一，在人类的生活、学习和工作中起到了关键的作用。对于机器人而言，触觉是实现它与外部环境直接作用的重要手段，相比于其它知觉形式，触觉能够使机器人感知目标物体的更多物理性能，例如表面形状、硬度、温度、湿度以及材质等等。因此，触觉传感器对于实现机器人的智能化至关重要，它可以帮助机器人识别目标物体，完成多种复杂的任务。
人类依靠手指的触觉既可以完成轻巧精细的操作，比如绣花、***，也可以完成费力笨重的操作，比如搬运货物等，这是因为人类手指的触觉具备很高的灵敏度，而且量程还很大。最近公开的发明专利中，大部分触觉传感器有如下缺点：灵敏度高的传感器量程受到限制；量程大的传感器灵敏度却不高。在灵巧操作中，为了让机器人具备人类的操作能力，很有必要开发一种灵敏度高、量程大的新型触觉传感器。
发明内容
本发明目的是为了解决现有电磁性触觉传感器受电磁干扰影响大，以及高灵敏度与大量程无法兼顾的问题，提供了一种基于变压器原理的柔性触觉传感器及其柔性触觉检测***。
本发明所述一种基于变压器原理的柔性触觉传感器，该传感器的传感单元包括从上至下依次设置的敏感层、信号转换层和电磁屏蔽层；
敏感层包括弹性体和嵌入弹性体中间的敏感片；弹性体底部中间开有空腔，空腔内为倒圆锥结构，所述倒圆锥结构的锥体尖部与信号转换层接触，弹性体顶部为凸起半球结构；敏感片采用导磁敏感片或导电敏感片；
信号转换层包括初级线圈、次级线圈和基底；初级线圈和次级线圈均包裹在基底内，初级线圈设置在下层，次级线圈设置在上层；
电磁屏蔽层设置在信号转换层的底部；
向初级线圈中输入正弦激励电压，次级线圈输出感应电压，当传感单元受到接触外力时，嵌入弹性体中的敏感片产生位移，敏感片产生的磁场由于位置的改变使得次级线圈周围的磁场发生改变，进而导致次级线圈输出的感应电压的幅值发生改变。
优选的，所述敏感层和信号转换层之间通过粘合剂粘贴。
优选的，传感单元以3×3构成传感器阵列，传感单元之间的间隔为5.3mm。
优选的，所述电磁屏蔽层采用导磁屏蔽片和导电屏蔽片构成双层电磁屏蔽片。
优选的，所述初级线圈、次级线圈和基底采用柔性电路板工艺制成柔性PCB。
本发明所述一种基于柔性触觉传感器的柔性触觉检测***，该检测***基于柔性触觉传感器实现，该检测***包括柔性触觉传感器和数据采集***；
所述数据采集***包括激励源、信号处理模块和数据采集模块；
所述激励源包括波发生器和运算放大器，波发生器产生的激励信号经运算放大器输出至柔性触觉传感器的初级线圈；
所述信号处理模块包括运算放大器和峰值包络检波器，运算放大器将柔性触觉传感器次级线圈输出的感应电压放大后输出至峰值包络检波器，峰值包络检波器检测感应电压的幅值；
所述数据采集模块包括数据采集卡和上位机，峰值包络检波器检测获得的幅值由数据采集卡获取后输出至上位机，上位机对数据进行存储和显示。
优选的，所述激励源中运算放大器的数量与柔性触觉传感器中初级线圈的数量相对应；
所述信号处理模块中运算放大器的数量与柔性触觉传感器中次级线圈的数量相对应。
优选的，所述激励源的运算放大器的***电路包括：电阻R1～R3和电容C1；
波发生器产生的激励信号输出端同时连接运算放大器的同相输入端和电阻R1的一端，电阻R1的另一端接GND，运算放大器的反相输入端同时连接电阻R2的一端、电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接运算放大器的输出端，电阻R2的另一端接GND，运算放大器的输出端连接柔性触觉传感器的初级线圈，电容C1与初级线圈并联。
优选的，所述R1为50Ω，R2为500Ω，R3为800Ω；
根据
Figure BDA0002681084650000021
计算获得电容C1：8nF，其中，f表示激励频率1MHz，L表示初级线圈的电感3.28μH。
优选的，所述峰值包络检波器包括设置在前端的二极管和设置在后端的RC低通滤波器。
本发明的优点：本发明提出的一种基于变压器原理的柔性触觉传感器具有灵敏度高、测量范围广的特点，可用于机器人***的灵巧操作。在低量程阶段，传感器的灵敏度高，可以使得机器人完成精细的操作。在高量程阶段，传感器灵敏度有所下降，但能够使机器人抓取较重的物体。并且，敏感层和信号转换层是分开的，更换便利，当弹性体损坏时，可以直接拆掉更换新的弹性体。信号转换层制成柔性PCB，柔性PCB上不含任何电子元器件，柔性更好，在弹性体的保护下耐用性更好。
附图说明
图1是本发明所述一种基于变压器原理的柔性触觉传感器的结构示意图；
图2是本发明所述一种基于变压器原理的柔性触觉传感器的工作原理图；
图3是本发明所述传感器阵列的结构示意图；
图4是本发明所述一种基于柔性触觉传感器的柔性触觉检测***的原理框图；
图5是本发明所述激励源的运算放大器的***电路结构示意图；
图6是本发明所述信号处理模块的电路结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种基于变压器原理的柔性触觉传感器，该传感器的传感单元包括从上至下依次设置的敏感层10、信号转换层20和电磁屏蔽层6；
敏感层10包括弹性体2和嵌入弹性体2中间的敏感片1；弹性体2底部中间开有空腔，空腔内为倒圆锥结构，所述倒圆锥结构的锥体尖部与信号转换层20接触，弹性体2顶部为凸起半球结构；敏感片1采用导磁敏感片或导电敏感片；
信号转换层20包括初级线圈3、次级线圈4和基底5；初级线圈3和次级线圈4均包裹在基底5内，初级线圈3设置在下层，次级线圈4设置在上层；
电磁屏蔽层6设置在信号转换层20的底部；
向初级线圈3中输入正弦激励电压，次级线圈4输出感应电压，当传感单元受到接触外力时，嵌入弹性体2中的敏感片1产生位移，敏感片1产生的磁场由于位置的改变使得次级线圈4周围的磁场发生改变，进而导致次级线圈4输出的感应电压的幅值发生改变。本实施方式中，向初级线圈3中输入正弦激励电压，次级线圈4输出感应电压，当传感单元未受到接触外力时，次级线圈4输出的感应电压的幅值不变。
本实施方式中，导电敏感片由于涡流效应产生磁场，导磁敏感片本身即存在磁场。
本实施方式中，弹性体2和嵌入弹性体2中间的敏感片1组合成为一个整体。弹性体2底部中间开有空腔，空腔内为倒圆锥结构，所述倒圆锥结构的锥体尖部与信号转换层20接触，倒圆锥结构能够扩大传感器的量程，而空腔能够提高传感器的灵敏度。当传感器受力较小时，倒圆锥结构的椎体尖部与信号转换层20接触，此时敏感片1位移较大，灵敏度较高；当传感器受力较大时，倒圆锥结构的椎体尖部和中部都与信号转换层20接触，此时敏感片1位移较小，灵敏度较低，但是此时量程变大。弹性体2顶部为凸起半球结构，凸起半球有助于传感器的受力。
本实施方式中，初级线圈3和次级线圈4分布在不同层，初级线圈3比次级线圈4大、匝数多。
本实施方式中，电磁屏蔽层6设置在整个传感器的底部，保护传感器，避免受到被安装体带来的电磁干扰。
本实施方式中，电磁屏蔽层6采用TDK公司的双层噪声抑制片IFL 16-030EB。
本实施方式中，所述导磁敏感片采用磁铁或铁氧体制成；所述导电敏感片采用铜或铝制成；所述弹性体2采用聚二甲基硅氧烷构成。聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)是一种疏水类的有机硅物料。
进一步的，所述敏感层10和信号转换层20之间通过粘合剂粘贴。
本实施方式中，敏感层10和信号转换层20通过粘合剂(如胶水)粘贴，便于更换。
再进一步的，如图3所示，传感单元以3×3构成传感器阵列，传感单元之间的间隔为5.3mm。
再进一步的，所述电磁屏蔽层6采用导磁屏蔽片和导电屏蔽片构成双层电磁屏蔽片。
再进一步的，所述初级线圈3、次级线圈4和基底5采用柔性电路板工艺制成柔性PCB。
具体实施方式二：下面结合图4说明本实施方式，本实施方式所述一种基于柔性触觉传感器的柔性触觉检测***，该检测***基于柔性触觉传感器实现，该检测***包括柔性触觉传感器和数据采集***；
所述数据采集***包括激励源、信号处理模块和数据采集模块；
所述激励源包括波发生器和运算放大器，波发生器产生的激励信号经运算放大器输出至柔性触觉传感器的初级线圈3；
所述信号处理模块包括运算放大器和峰值包络检波器，运算放大器将柔性触觉传感器次级线圈4输出的感应电压放大后输出至峰值包络检波器，峰值包络检波器检测感应电压的幅值；
所述数据采集模块包括数据采集卡和上位机，峰值包络检波器检测获得的幅值由数据采集卡获取后输出至上位机，上位机对数据进行存储和显示。
本实施方式中，数据采集***采用多通道独立型的采样模式，每个通道有独立信号处理、采样保持、ADC电路，具备同步采集和高速采集等优点，各通道的信号处理电路互不影响。
本实施方式中，所述激励源包括波发生器和运算放大器，运算放大器能够降低对柔性触觉传感器的输入阻抗，提高激励源的输出能力。
本实施方式中，所述数据采集卡采用NI公司的USB-6212实现，集成了高速ADC采集电路(能够达到400KSPS)，分辨率为14位，输入阻抗大(能够达到10GΩ以上)。
本实施方式中，所述上位机采用LabView开发可视化数据处理上位机实现，实时显示六维力信息，采用率为1KSPS，能够随时保存数据。
本实施方式中，激励源和信号处理模块中的运算放大器采用TI公司的电流反馈性运放OPA4684实现。
进一步的，所述激励源中运算放大器的数量与柔性触觉传感器中初级线圈3的数量相对应；
所述信号处理模块中运算放大器的数量与柔性触觉传感器中次级线圈4的数量相对应。
再进一步的，如图5所示，所述激励源的运算放大器的***电路包括：电阻R1～R3和电容C1；
波发生器产生的激励信号输出端同时连接运算放大器的同相输入端和电阻R1的一端，电阻R1的另一端接GND，运算放大器的反相输入端同时连接电阻R2的一端、电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接运算放大器的输出端，电阻R2的另一端接GND，运算放大器的输出端连接柔性触觉传感器的初级线圈3，电容C1与初级线圈3并联。
再进一步的，所述R1为50Ω，R2为500Ω，R3为800Ω；
根据
Figure BDA0002681084650000061
计算获得电容C1：8nF，其中，f表示激励频率1MHz，L表示初级线圈3的电感3.28μH。
本实施方式中，采用德州仪器的电流反馈型运算放大器(OPA4684)，120MHz的带宽增益可超过10。R3为800Ω，R2为500Ω，因此放大倍数设计为(1+R3/R2)＝2.6倍。输入阻抗R1为50Ω。提高初级线圈3输入正弦交流激励的幅值，可使传感器获得更加强烈的触觉信号，最便捷的方法就是在初级线圈3上并联电容，提高负载的阻抗，从而提高功率因数。
再进一步的，所述峰值包络检波器包括设置在前端的二极管和设置在后端的RC低通滤波器。
本实施方式中，如图6所示，为信号处理模块的电路结构示意图，具有原理简单、检波效率高和成本低的特点。包括前端的运算放大器及其***电路，还包括峰值包络检波器，峰值包络检波器包括设置在前端的二极管和设置在后端的RC低通滤波器。运算放大器同样采用德州仪器的电流反馈型运算放大器(OPA4684)，R6为800Ω，R7为20Ω，此时放大倍数为41倍，输出阻抗R7为100Ω。二极管的单向导通电压作用使得电容得以进行充电和放电，是峰值包络检波的关键元器件。RC低通滤波器有两个作用：一方面，对于触觉传感器的低频信号(振动、滑动、循环受力等信息)来说，电容C2的容抗，电容C2相当于开路，电阻R9就作为检波负载，其两端产生输出低频解调电压；另一方面，对于来自于高频激励源的信号(载波信号)，电容C2的容抗，电容C2相当于短路，起到对高频电流的旁路作用，即滤出高频信号。
高频信号频率为1～10MHz，为了使得包络检波器能正常工作，避免失真，本实施方式采用C2为0.01μF，R9为91KΩ。该检波器能够保证输出的高频纹波小，并且能够检测出传感器受到150Hz以下的振动信号。
传感器在受到静态载荷的情况下，输出的信号可能会出现负向偏置的情况。负向偏置会带来以下危害：其一，负向偏置会导致检波器输出的幅值降低，降低传感器的量程；其二，负向偏置太大导致二极管无法导通，使得检波电路无法正常工作，无法得到幅值大小。为了解决此问题，本实施方式在信号处理的放大器和检波器之间加一个正向偏置，将放大器输出的信号整体抬升。该方法不会影响运放的输出，且对于过小的信号还能保证检波电路正常工作。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种基于变压器原理的柔性触觉传感器，其特征在于，该传感器的传感单元包括从上至下依次设置的敏感层(10)、信号转换层(20)和电磁屏蔽层(6)；
敏感层(10)包括弹性体(2)和嵌入弹性体(2)中间的敏感片(1)；弹性体(2)底部中间开有空腔，空腔内为倒圆锥结构，所述倒圆锥结构的锥体尖部与信号转换层(20)接触，弹性体(2)顶部为凸起半球结构；敏感片(1)采用导磁敏感片或导电敏感片；
信号转换层(20)包括初级线圈(3)、次级线圈(4)和基底(5)；初级线圈(3)和次级线圈(4)均包裹在基底(5)内，初级线圈(3)设置在下层，次级线圈(4)设置在上层；
电磁屏蔽层(6)设置在信号转换层(20)的底部；
向初级线圈(3)中输入正弦激励电压，次级线圈(4)输出感应电压，当传感单元受到接触外力时，嵌入弹性体(2)中的敏感片(1)产生位移，敏感片(1)产生的磁场由于位置的改变使得次级线圈(4)周围的磁场发生改变，进而导致次级线圈(4)输出的感应电压的幅值发生改变。
2.根据权利要求1所述的一种基于变压器原理的柔性触觉传感器，其特征在于，所述敏感层(10)和信号转换层(20)之间通过粘合剂粘贴。
3.根据权利要求1所述的一种基于变压器原理的柔性触觉传感器，其特征在于，传感单元以3×3构成传感器阵列，传感单元之间的间隔为5.3mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于变压器原理的柔性触觉传感器，其特征在于，所述电磁屏蔽层(6)采用导磁屏蔽片和导电屏蔽片构成双层电磁屏蔽片。
5.根据权利要求1所述的一种基于变压器原理的柔性触觉传感器，其特征在于，所述初级线圈(3)、次级线圈(4)和基底(5)采用柔性电路板工艺制成柔性PCB。
6.一种基于柔性触觉传感器的柔性触觉检测***，该检测***基于权利要求1所述的柔性触觉传感器实现，其特征在于，该检测***包括柔性触觉传感器和数据采集***；
所述数据采集***包括激励源、信号处理模块和数据采集模块；
所述激励源包括波发生器和运算放大器，波发生器产生的激励信号经运算放大器输出至柔性触觉传感器的初级线圈(3)；
所述信号处理模块包括运算放大器和峰值包络检波器，运算放大器将柔性触觉传感器中次级线圈(4)输出的感应电压放大后输出至峰值包络检波器，峰值包络检波器检测感应电压的幅值；
所述数据采集模块包括数据采集卡和上位机，峰值包络检波器检测获得的幅值由数据采集卡获取后输出至上位机，上位机对数据进行存储和显示。
7.根据权利要求6所述的一种基于柔性触觉传感器的柔性触觉检测***，其特征在于，所述激励源中运算放大器的数量与柔性触觉传感器中初级线圈(3)的数量相对应；
所述信号处理模块中运算放大器的数量与柔性触觉传感器中次级线圈(4)的数量相对应。
8.根据权利要求6所述的一种基于柔性触觉传感器的柔性触觉检测***，其特征在于，所述激励源的运算放大器的***电路包括：电阻R1～R3和电容C1；
波发生器产生的激励信号输出端同时连接运算放大器的同相输入端和电阻R1的一端，电阻R1的另一端接GND，运算放大器的反相输入端同时连接电阻R2的一端、电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接运算放大器的输出端，电阻R2的另一端接GND，运算放大器的输出端连接柔性触觉传感器的初级线圈(3)，电容C1与初级线圈(3)并联。
9.根据权利要求8所述的一种基于柔性触觉传感器的柔性触觉检测***，其特征在于，所述R1为50Ω，R2为500Ω，R3为800Ω；
根据
Figure FDA0002681084640000021
计算获得电容C1：8nF，其中，f表示激励频率1MHz，L表示初级线圈(3)的电感3.28μH。
10.根据权利要求6所述的一种基于柔性触觉传感器的柔性触觉检测***，其特征在于，所述峰值包络检波器包括设置在前端的二极管和设置在后端的RC低通滤波器。
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