TWI613430B - 用於偵測夾持力之超聲波觸覺感測器 - Google Patents

Abstract

本發明關於一種用於偵測夾持力之超聲波觸覺感測器，包含超聲波偵測器及感測層，該感測層包含第一柔軟層及第二柔軟層，且於第一柔軟層排列有複數接觸於超聲波偵測器之球形微結構，藉此，於感測層施加壓力後，透過超聲波偵測器產生超聲波並接收反射波訊號，以藉該訊號辨識球形微結構的接觸面積並反推觸覺感測器之受力大小。

Description

用於偵測夾持力之超聲波觸覺感測器

本發明係關於一種觸覺感測器，尤指用於偵測機械手臂的夾持力之感測器者。

根據國際機器人聯盟資料顯示，機械手臂在產業自動化的應用已相當廣泛，由於使用機械手臂能減少產品精度與耐用性上不可預知的人為問題，因此，各產業對於機械手臂之使用需求亦大為增加。然而，目前工業型機械手臂使用上大多是以視覺感測為主，缺乏觸覺感測上的回饋體制，故容易造成視覺感測上之死角與距離判斷誤差，進而導致機械手臂感測器發生抓取上的判斷錯誤。

為改善上述缺失，故中華民國公告第I283295號專利，係揭露一種「壓電式碰觸感測器」，其係依序結合下基板、下電極層、壓電材料層、至少一個電極層以及上基板，且下基板、壓電材料層與上基板至少其一為增壓作用層，並於增壓作用層與下電極層或上電極層之間設至少一凸狀結構，使外部應力施加於上電極層時，藉凸狀結構將壓力傳達給壓電材料，以提升對外應力之敏感度。中華民國公開第201416652號專利，係揭露一種「壓力感測裝置及 應用其之夾持設備」，其係於壓力感測層一側結合有凸起結構，且使凸起結構之平行截面積逐漸縮小，並平行於壓力感測層，使壓力由凸起結構傳遞至壓力感測層時，能集中於凸起結構之頂點，以提高壓力感測的敏感度，並放大所感測到之壓力訊號。中華民國公告第I408036號專利，係揭露一種「薄片狀觸覺感測系統」，其係包含複數之垂直應力檢測單元、由外裝薄片層部、力檢測薄片層部以及媒介層所構成之薄片層部，外裝薄片層部與力檢測薄片層部配置有複數相互在對向方向向上突起之突起部，而垂直應力檢測單元具有中央部檢測感測要素及緣部檢測感測要素，使所構成之觸覺感測系統能檢測出與對象物接觸時之垂直應力以及剪斷力。中華民國公告第I444604號專利，係揭露一種「軟性壓電式觸覺感測器」，其係於壓電薄膜之上、下表面分別設第一軟性基板及第二軟性基板，且於第一軟性基板設有複數電性連接壓電薄膜之第一電極，而第二軟性基板設有複數電性連接壓電薄膜之第二電極，並將彈性體設於對應第一電極之第一軟性基板表面，使所構成之觸覺感測器能降低製作成本。

另，美國專利USRE37065所揭露之感測器係於軟性物質表面設半球形之目標，並於底部埋入壓電式超聲波換能器，以藉換能器發出超聲波訊號，並使訊號經半球形之目標反射回壓電薄膜得到訊號，進而透過判別目標受力後之變形量來推算表面所受之多軸力。美國專利US20080258580所揭露之壓電成像陣列裝置包含聲波導的陣列以及與聲波導陣列排列相關聯的壓電陣列裝置，該壓電陣列裝置能提供超聲波或波導陣列集合波形式之超聲波能量，以及接收波導陣列之反射波或集合波形式之超聲波能量，以藉陣列裝置接收由生物物體反射之能量，而能用於掃瞄指紋成像。美國專利US7511702所揭露之力量與位置感應顯示器，係包含力量與觸覺感應組件，該感應組件係於第一透明層 及第二透明層之表面分別設第一導電線路及第二導電線路，且於第一透明層及第二透明層之間夾設複數變形構件，使感應組件緊靠於顯示元件時，能同時提供位置與力量的感測。

目前習知技術所提出之觸覺感測器，除了檢測抓取物體所承受之接觸力量外，也逐漸朝向側向剪力强度、接觸物體表面的粗糙程度、初始滑動判斷、以及觸覺形狀感測...等感知能力的發展。而習知觸覺感測器雖能透過不同原理來檢測夾取的力量，但其製作過程相對繁複。此外，目前市面上的薄型感測器，並無法即時反應讀取速度，欠缺靈敏度與解析度。

有鑑於習知感測器製程繁複、成本高昂，且薄型感測器具有欠缺靈敏度與解析度之缺失，而仍有待改進之空間。

因此，本發明之目的乃是透過球形微結構作為感測元件，並利用超聲波感測及分析判斷感測元件之受壓力量與形狀回饋，以應用於機械手臂上進行精密的抓取與組裝，並達成確保物件品質與安全性管理之功效。

為達前揭目的，本發明提供一種用於偵測夾持力之超聲波觸覺感測器，包含：一超聲波偵測器，用以偵測感測元件層接觸面積之多寡以反推出觸覺感測器之受力大小，且包含：一壓電薄膜發射層(Tx)，用以激發超聲波震波一壓電薄膜接收層(Rx)，用以感測反射波激發的壓電訊號；一玻璃層，結合於壓電薄膜發射層與壓電薄膜接收層之間，且用以擷取壓電薄膜接收層之訊號；以及一封裝層，結合於壓電薄膜接收層上方；以及一感測層，該感測層包含一第一柔軟層及一第二柔軟層，該第一柔軟層以陣列狀排列有複數球形微結構，並 使球形微結構接觸於超聲波偵測器之封裝層，而第二柔軟層結合於封裝層與第一柔軟層之間，且第一柔軟層之硬度大於第二柔軟層。

基於上述，當施加壓力於觸覺感測器後，能透過於壓電薄膜發射層輸入頻率進行激振以產生超聲波，使力量經由第二柔軟層傳遞至第一柔軟層之球形微結構，並利用壓電薄膜接收層接收反射波訊號，以藉該訊號辨識球形微結構的接觸面積，進而計算並反推觸覺感測器的受力大小，以應用於觸控及機械手臂之力量回饋。

本發明：

1‧‧‧觸覺感測器

11‧‧‧超聲波偵測器

111‧‧‧壓電薄膜發射層

112‧‧‧壓電薄膜接收層

113‧‧‧玻璃層

114‧‧‧封裝層

115‧‧‧黏著層

116‧‧‧黏著層

12‧‧‧感測層

121‧‧‧第一柔軟層

1211‧‧‧球形微結構

122‧‧‧第二柔軟層

2‧‧‧模仁

第1圖係本發明之立體分解圖。

第2圖係本發明之剖視圖。

第3圖係本發明之製作流程圖。

第4圖係本發明之使用示意圖。

第5-a^~6圖係本發明模擬超音波反射之結果示意圖。

第7-a^~9圖係本發明實際實驗之結果示意圖。

為使 貴審查委員瞭解本發明欲達成目的所運用之技術、手段及功效，餘下，茲列舉一較佳實施例並配合圖式，詳細說明如后：

首先，請參閱第1圖並配合第2圖所示所示，該超聲波觸覺感測器1包含一超聲波偵測器11以及一感測層12。其中，超聲波偵測器11用以偵測感測層12之第一柔軟層121的接觸面積多寡以反推出觸覺感測器1 之受力大小，且超聲波偵測器11包含一壓電薄膜發射層(Tx)111、一壓電薄膜接收層(Rx)112、一玻璃層113以及一封裝層114；該壓電薄膜發射層111用以激發超聲波震波，較佳者，壓電薄膜發射層111為聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)材質；該壓電薄膜接收層(Rx)112用以感測反射波激發的壓電訊號，較佳者，壓電薄膜接收層112為聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)材質；該玻璃層113結合於壓電薄膜發射層111與壓電薄膜接收層112之間，且用以擷取壓電薄膜接收層112之訊號，較佳者，玻璃層113為TFT玻璃(Thin-Film Transistor,TFT Glass)，且玻璃層113與壓電薄膜發射層111之間以及玻璃層113與壓電薄膜接收層112之間設有黏著層115(116)(圖中未顯示)；該封裝層114結合於壓電薄膜接收層112上方，較佳者，封裝層114為聚甲基丙烯酸甲酯{(Poly)(methyl methacrylate),PMMA}材質。該感測層12包含一第一柔軟層121及一第二柔軟層122，該第一柔軟層121排列有複數球形微結構1211，並使球形微結構1211接觸於超聲波偵測器11之封裝層114，而第二柔軟層122結合於封裝層114與第一柔軟層121之間，且第一柔軟層121之硬度大於第二柔軟層122，較佳者，感測層12為聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)材質。

其次，請配合參閱第3圖，關於本發明觸覺感測器1之製造方法，係先將壓電薄膜(PVDF)材料裁切為適當尺寸以構成壓電薄膜發射層(Tx)111，並於壓電薄膜發射層111上方噴塗黏著劑以構成黏著層115，再將TFT玻璃所構成之玻璃層113覆蓋於黏著層115上方，接著，於玻璃層113噴塗黏著劑以形成黏著層116，再將壓電薄膜(PVDF)材料所構成之壓電薄膜接 收層(Rx)112覆蓋於黏著層116上方，最後於壓電薄膜接收層112鍍上壓克力(PMMA)作為封裝層114，以構成超聲波偵測器11。而感測元件層12係先透過模造技術以壓克力基板製作模仁2，再將矽膠(PDMS)材料注入模仁2內，待烘烤固化後脫模即構成具有複數陣列球形微結構1211之第一柔軟層121，接著，將第二柔軟層122包覆於球形微結構1211以構成感測層12，並將感測層12黏貼於超聲波偵測器11之封裝層114上方，以完成觸覺感測器1。

接著，請配合參閱第4圖，當於觸覺感測器1施加壓力後(如圖中箭頭所示)會使感測層12變形，此時，可藉第二柔軟層122使下壓力量平均受力於感測層12，讓第一柔軟層121之球形微結構1211不因受力不平均而產生不同形狀的接觸面積。由於感測層12會與所施加之外力成正比，因此，能透過於超聲波感測器11之壓電薄膜發射層111輸入頻率進行激振以產生超聲波，當超聲波感測器11受到靜態正向力時，其力量會經由第二柔軟層122傳遞至第一柔軟層121之球形微結構1211，使球形微結構1211接觸封裝層114的面積增大，而能利用壓電薄膜接收層112接收球形微結構1211變形後之反射波訊號，並透過該訊號辨識球形微結構1211與封裝層114的接觸面積，以藉由計算接觸面積之像素來反推出觸覺感測器1的受力大小。

為了解超聲波感測器11激振所產生之超聲波經過感測層12所產生之反射現象，故發明人係於模擬實驗中，將超聲波感測器11之玻璃層113設定為500μm，並使第一柔軟層121之球形微結構1211與超聲波感測器11之間分別形成200μm(如第5-a圖所示)與900μm之接觸面積(如 第5-b圖所示)，再透過超聲波感測器11之壓電薄膜發射層(Tx)111以10MHz頻率激振以產生超聲波，使超聲波傳至感測層12並反射後，藉超聲波感測器11之壓電薄膜接收層112擷取反射波，而模擬實驗結果顯示：當球形微結構1211與超聲波感測器11之接觸面積愈大，則反射波之反射範圍愈大(如第6圖所示)。

此外，發明人係基於上述結構與感測原理實際進行實驗，並使第一柔軟層121之球形微結構1211分別呈現3×6陣列(如第7-a圖所示)及4×9陣列(如第7-b圖所示)，且分別於3×6陣列與4×9陣列之第一柔軟層121施加1~6N(牛頓)的壓力，使3×6陣列與4×9陣列之球形微結構1211與超聲波感測器11之間的接觸面積分別呈現如同第7-a圖及第7-b圖的灰階影像，該灰階影像經擷取並計算接觸面積之像素後，其計算結果顯示：當施加靜態力量從1N~6N逐漸增大時，感測層12之球型微結構1211於超聲波感測器11之接觸面積逐漸擴大，使接觸面積像素值與所施加的力量呈現線性上升的趨勢(如第8圖所示)，且第一柔軟層121之球形微結構1211陣列數量愈多，則球型微結構1211於超聲波感測器11接觸之像素解析度愈高(如第9圖所示)。

基於上述模擬與實驗結果證實，本發明之觸覺感測器1應用於機械手臂時，確實能透過觸覺感測器1接收夾持具與物件的接觸力量，並監控物件於夾持過程中是否有損壞以及校正組裝路徑以進行智能組裝，以確保物件品質與安全性管理，並應用於觸控、手機觸控...等之力量回饋。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，並非用以限定本發明之實施範圍，凡未脫離本發明技術精神所為之變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

綜上所述，本發明確實已突破傳統並具有改良及創新之創作內容且能具體實施，理應符合發明專利之法定要件，爰依法提出專利申請，懇請 鈞局審查委員授予合法專利權，以勵創作，至感德便。

1‧‧‧觸覺感測器

11‧‧‧超聲波偵測器

111‧‧‧壓電薄膜發射層

112‧‧‧壓電薄膜接收層

113‧‧‧玻璃層

114‧‧‧封裝層

12‧‧‧感測層

121‧‧‧第一柔軟層

1211‧‧‧球形微結構

122‧‧‧第二柔軟層

Claims (7)

1. 一種用於偵測夾持力之超聲波觸覺感測器，包含：一超聲波偵測器，用以偵測感測層接觸面積之多寡以反推出該觸覺感測器之受力大小，且包含：一壓電薄膜發射層(Tx)，用以激發超聲波震波；一壓電薄膜接收層(Rx)，用以感測反射波激發的壓電訊號；一玻璃層，結合於該壓電薄膜發射層與該壓電薄膜接收層之間，且用以擷取該壓電薄膜接收層之訊號；以及一封裝層，結合於該壓電薄膜接收層上方；以及一感測層，該感測層包含一第一柔軟層及一第二柔軟層，該第一柔軟層以陣列狀排列有複數球形微結構，並使該球形微結構接觸於該超聲波偵測器之封裝層，而該第二柔軟層結合於該封裝層與該第一柔軟層之間，且該第一柔軟層之硬度大於該第二柔軟層。
2. 如請求項1所述之用於偵測夾持力之超聲波觸覺感測器，其中，該壓電薄膜發射層為聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)材質。
3. 如請求項1所述之用於偵測夾持力之超聲波觸覺感測器，其中，該壓電薄膜接收層為聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)材質。
4. 如請求項1所述之用於偵測夾持力之超聲波觸覺感測器，其中，該玻璃層為TFT玻璃(Thin-Film Transistor,TFT Glass)。
5. 如請求項1所述之用於偵測夾持力之超聲波觸覺感測器，其中，該封裝層為聚甲基丙烯酸甲酯{(Poly)(methyl methacrylate),PMMA}材質。
6. 如請求項1所述之用於偵測夾持力之超聲波觸覺感測器，其中，該玻璃層與該壓電薄膜發射層之間以及該玻璃層與該壓電薄膜接收層之間設有黏著層。
7. 如請求項1所述之用於偵測夾持力之超聲波觸覺感測器，其中，該感測層為聚二甲基矽氧烷(Polydimethylailoxane,PDMS)材質。