CN105136344B - 非匀强电场型机器人触觉传感器及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非匀强电场型机器人触觉传感器及其检测方法，所述触觉传感器包括上柔性层、网状隔层以及下柔性层，所述上柔性层与下柔性层均由一导电面和一绝缘面贴合组成，且所述导电面作为上柔性层与下柔性层的内表面，所述上柔性层与下柔性层的导电面分别直接贴附于所述网状隔层的上下两面；所述下柔性层的导电面为矩形，在矩形导电面的两组对角上各设有一点电极，一组对角上的两个顶点的电极分别为A+与A‑，另一组对角上的两个顶点的电极分别为B+与B‑。本发明中的触觉传感器，采用非阵列层式结构，所用的材料均具有柔性，能够大面积覆盖在机器人表面并能够有效地检测碰撞位置，具有体积小，结构简单，成本低，较高的柔性的特点。
Description
技术领域
本发明属于传感技术领域，特别涉及一种用于检测碰撞接触位置的非匀强电场型机器人触觉传感器及其检测方法。
背景技术
机器人触觉传感技术是实现机器人智能化的关键技术之一。通过检测机器人碰撞时的表面受力位置，机器人得到环境中障碍物的方位信息，可制定相应的安全决策，从而直接降低碰撞力的大小且避免二次碰撞。随着MEMS技术的不断发展以及各种敏感材料的出现，为机器人触觉传感器的研究、设计和制作提供了良好的基础。
专利（CN101059380）发明了一种柔性电容式触觉传感器，可贴附在任意表面同时感受法向力和切向力的大小，但是采用阵列结构，敏感材料的制备工艺较复杂，阵列各不同部分由于生产流程、制作工艺技术的非同一性，对同一个传感器阵列的不同部分的特性也会出现非均一性，对非规则曲面的测量误差过大。专利(CN203965077)发明了一种柔性薄膜触觉传感器，采用静电诱导的方法在基体上制作成对柔顺电极层，形成三明治结构柔性薄膜，具有可剪裁为任意形状，挠性好等特点，但其复合薄膜电极的工艺制作过程需要控制的因素较多，难以保证每次制造的电极都能符合要求。相比之下，本发明采用非阵列式柔性结构，采用常规方法即可实现材料和结构配件的制备，不存在材料制备的工艺复杂和不均一性等问题，良好的柔性同样可以贴附在任意表面，对非规则曲面的测量不会存在误差过大等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种非匀强电场型机器人触觉传感器及其检测方法，当机器人与人同处于同一环境时，为防止机器人与人发生碰撞，或为实现人与机器人协同作业，可把本触觉传感器贴附于机器人表面。该传感器采用非阵列层式结构，所用的材料均具有柔性，能够大面积覆盖在机器人表面并能够有效地检测碰撞位置，具有体积小，结构简单，成本低，较高的柔性等特点。
本发明采用以下方案实现：一种非匀强电场型机器人触觉传感器，包括上柔性层、网状隔层以及下柔性层，所述上柔性层与下柔性层均由一导电面和一绝缘面贴合组成，且所述导电面作为上柔性层与下柔性层的内表面，所述上柔性层与下柔性层的导电面分别直接贴附于所述网状隔层的上下两面；所述下柔性层的导电面为矩形，在矩形导电面的两组对角上各设有一点电极，一组对角上的两个顶点的电极分别为A+与A-；另一组对角上的两个顶点的电极分别为B+与B-。
进一步地，所述绝缘面作为上柔性层与下柔性层的外表面，且所述绝缘面为高分子薄膜基材；所述绝缘面上喷涂有一层具有一定导电率的用以形成所述上柔性层与下柔性层的导电面的半导体介质。
进一步地，在所述上柔性层与下柔性层的外表面均贴附一层粘弹性保护膜。
本发明中所述非匀强电场型机器人触觉传感器在检测机器人与环境障碍物之间的碰撞接触位置时，采用如下步骤：
步骤S1：在下柔性层导电面的对角电极A+与A-之间施加一偏置直流电压，形成一A电场；
步骤S2：按压触觉传感器中上柔性层绝缘面的任一位置，使所述上柔性层与下柔性层的导电面接触,得到一接触点；
步骤S3：所述上柔性层的导电面作为接触点的引出线，连接至一信号采集器，获取电压值；
步骤S4：去除所述下柔性层导电面上电极A+与A-之间施加的，把偏置直流电压施加到所述下柔性层导电面的另一组对角电极B+与B-之间，形成一B电场；
步骤S5：将所述上柔性层的导电面作为接触点的引出线，连接至所述信号采集器，获取电压值；
步骤S6：松开按压位置，按压位置处的接触点坐标（x,y）可通过联立下式求解而得：
其中， 是经修正辨识的常系数，为施加在对角电极上的电压值， ，分别为接触点在A、B两个电场中的电势值；a, b分别为所述下柔性层导电面的长和宽。
与现有技术相比，本发明有益效果体现在：1、本发明结构采用的材料均具有柔性，满足人工皮肤柔性的要求，能够大面积覆盖在机器人体表，其结构尺寸不受限制，能够按实际需要制作；2、引线少，结构简单，工艺流程简单，成本大大降低；3、在点电极对上加偏置直流电压，电极自身的导电性和电极与导电面的贴附方式对测量结果的影响很小，可以忽略不计。
附图说明
图1是本发明非匀强电场型机器人触觉传感器结构简图，图中标号1为上柔性层的绝缘面，2为上柔性层的导电面，3为网状隔层，4为下柔性层的导电面，5为下柔性层的绝缘面，6为点电极。
图2为本发明中上柔性层结构，图中标号1为绝缘面，2为导电面。
图3是本发明中下柔性层结构，图中标号4为导电面，5为绝缘面，6为点电极。
图4是本发明受压时的结构截面图，图中标号11为上柔性层，3为网状隔层，22为下柔性层。
图5是本发明位置测量原理图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
本实施例提供一种非匀强电场型机器人触觉传感器，如图1-4所示，包括上柔性层11、网状隔层3以及下柔性层22，所述上柔性层与下柔性层均由一导电面和一绝缘面组成，且所述导电面作为上柔性层与下柔性层的内表面，所述上柔性层与下柔性层的导电面1和4分别直接贴附于所述网状隔层的上下两面；所述下柔性层的导电面为矩形，在矩形导电面的两组对角上各设有一点电极6，一组对角上的两点电极分别为A+与A-；另一组对角上的两点电极分别为B+与B-。
在本实施例中，所述绝缘面作为上柔性层与下柔性层的外表面，且所述绝缘面2和5为高分子薄膜基材；在所述绝缘面上通过喷涂一层具有一定导电率的半导体介质，则可形成所述上柔性层与下柔性层的导电面1和4。
在本实施例中，在所述上柔性层与下柔性层的外表面均可贴附一层粘弹性保护膜，用于保护传感器免受破损。
整个传感器的结构没有尺寸限制，可以按照实际用途来制造传感器的大小。特别的，在本实施例中，所述上柔性层与下柔性层的导电面材料为石墨纸，点电极直接焊在石墨纸两组对角上，绝缘面为高分子薄膜基材。中间网状隔层采用聚乙烯分子材料，厚度为0.25mm, 网格边长为2mm。粘弹性保护膜为1mm厚度的硅胶材料。
基于本发明所述的机器人触觉传感器，如果在下柔性层矩形导电面一组对角电极之间施加一偏置电压，依据本发明所述的点电极形状，则在矩形导电面上将会产生放射状非匀强电场场强，基于电场的基本性质可知，即使是在非匀强电场内，电势分布的等势线也与场强线相互垂直分布。由于场强的非均匀分布特征，导致电势分布也是非匀强的。但是由于导电面具有固定的边界条件，因此，导电面内任一点的电势值仍与该点在导电面内的坐标值有着一一对应的关系，只是具有非线性特征。因此，如果能够测得某点在一组对角电极偏置电压下的电势值，仍可求得该点在导电面内的等势线相对位置。如果再获得另一组对角电极偏置电压下同一点所在的等势线，则两条等势线的交点即为待测的接触位置，从而获得接触点坐标值。本发明设计的两个导电面，下导电面用于施加两组偏置电压，上导电面用于作为任意接触位置的引出线，当传感器受按压时，上导电面与下导电面在网状隔层的间隙处实现接触短接。
在本实施例中，如图4 所示，当在传感器表面施加外力时，上柔性层的导电面与下柔性层的导电面在接触位置短接导通，在触觉传感器幅面上建立平面XY坐标系，位置检测就是检测接触位置(x、y)坐标值的过程：
A电场测量：
在长为、宽为的下柔性层导电面的四个角上放置四个点电极（A+与A-对角，B+，与B-对角），在A组电极上施加激励电压，B组电极悬空，此时分布在下导体面上的电场记为A电场。以A-点为原点，建立如图5所示的直角坐标系，设接触点的位置坐标为，则上柔性层导电面上引出线的电压即是接触位置在A电场中的电势值，数学表达式为：
其中，是经修正辨识的常系数，是已知量。
B电场测量：
撤去A组电极上的偏置电压，使A组电极悬空。在B组电极上施加偏置电压，此时分布在下导体面上的电场记为B电场。则上柔性层导电面上引出线的电压即是接触点在B电场中的电势值，数学表达式为：
其中，是经修正辨识后的常系数，是已知量。
结合两个测量过程，联立方程组即可解出接触位置的坐标。整个测量过程的本质也是找出A、B两个电场中电势分别为和的等势线，并求两等势线的交点坐标，如图5所示。
在本实施例中，一种非匀强电场型机器人触觉传感器检测接触位置坐标的具体步骤如下：
步骤S1：在下柔性层导电面的一组对角点电极A+与A-之间施加一偏置直流电压；
步骤S2：按压触觉传感器外表面的任一位置，使所述上柔性层与下柔性层的导电面接触；
步骤S3：所述上柔性层的导电面作为接触点的引出线，连接至一信号采集器，获取电压值；
步骤S4：去除所述下柔性层导电面的一组对角点电极A+与A-之间施加的，把偏置直流电压施加到所述下柔性层导电面的另一组对角点电极B+与B-之间；
步骤S5：将所述上柔性层的导电面作为接触点的引出线，连接至所述信号采集器，获取电压值；
步骤S6：松开按压位置，按压位置的坐标可通过联立下式求解而得：
其中， 是经修正辨识的常系数，为施加在对角电极上的偏置电压值， ，分别为接触点在A、B两个电场中的电势值，a, b分别为下柔性层导电面的长和宽。
本发明的传感器体积小，结构简单，良好的柔性可以大面积覆盖在机器人体表，能够有效的感知接触位置。非匀强电场型触觉传感器虽然在接触位置的检测计算方面更加复杂，但是由于采用点电极，并且电极都分布与同一导电面上，制造更简单，使用寿命更长。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (4)
1.一种非匀强电场型机器人触觉传感器，其特征在于：包括上柔性层、网状隔层以及下柔性层，所述上柔性层与下柔性层均由一导电面和一绝缘面贴合组成，且所述导电面作为上柔性层与下柔性层的内表面，所述上柔性层与下柔性层的导电面分别直接贴附于所述网状隔层的上下两面；所述下柔性层的导电面为矩形，在矩形导电面的两组对角上各设有一点电极，一组对角上的两个顶点的电极分别为A+与A-；另一组对角上的两个顶点的电极分别为B+与B-。
2.根据权利要求1所述的一种非匀强电场型机器人触觉传感器，其特征在于：所述绝缘面作为上柔性层与下柔性层的外表面，且所述绝缘面为高分子薄膜基材；所述绝缘面上喷涂有一层具有一定导电率的用以形成所述上柔性层与下柔性层的导电面的半导体介质。
3.根据权利要求2所述的一种非匀强电场型机器人触觉传感器，其特征在于：在所述上柔性层与下柔性层的外表面均贴附一层粘弹性保护膜。
4.一种根据权利要求1所述的所述的非匀强电场型机器人触觉传感器的检测方法，检测接触点坐标包括以下步骤：
步骤S1：在下柔性层导电面的对角电极A+与A-之间施加一偏置直流电压Vcc，形成一A电场；
步骤S2：按压触觉传感器中上柔性层绝缘面的任一位置，使所述上柔性层与下柔性层的导电面接触,得到一接触点；
步骤S3：所述上柔性层的导电面作为接触点的引出线，连接至一信号采集器，获取电压值
步骤S4：去除所述下柔性层导电面上电极A+与A-之间施加的Vcc，把偏置直流电压Vcc施加到所述下柔性层导电面的另一组对角电极B+与B-之间，形成一B电场；
步骤S5：将所述上柔性层的导电面作为接触点的引出线，连接至所述信号采集器，获取电压值
步骤S6：松开按压位置，按压位置处的接触点坐标(x,y)可通过联立下式求解而得：
其中，CA是经修正辨识的常系数，Vcc为施加在对角电极上的电压值，分别为接触点在A、B两个电场中的电势值；a,b分别为所述下柔性层导电面的长和宽。
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