CN100450733C - 机器人手爪仿生指面柔性接触传感器阵列 - Google Patents
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Abstract
一种机器人手爪仿生指面柔性接触传感器阵列，模仿人手感觉神经元结构，利用微型气压传感器和微型柔软气囊结合构成仿生指面柔性接触传感器。在传感器基板上设置多个微型气压传感器，在微型气压传感器上包覆固定有气囊微孔的微型柔软气囊，传感器基板置有的小孔与微型气压传感器的参考腔上的小孔互通且对齐安装。微型柔软气囊在微型气压传感器上部形成半密闭的测压空腔，用于将压力转化为可测量气压，微型柔软气囊顶部置有气囊微孔联通到开放的大气空间，气囊微孔能够缓慢地调节微型柔软气囊的气压。该发明改善了传统机器人接触传感器在使用中对环境变化的自适应能力，能够较好的模仿生物的感觉遗忘功能，构成仿生指面柔性接触传感器阵列。
Description
技术领域
本发明涉及机器人仿生领域，特别涉及一种利用微型气压传感器和微型柔软气囊结合、制作接触传感器阵列的机器人手爪仿生指面柔性接触传感器阵列。
背景技术：
手指面接触传感器是一种机器人常用的传感器，最常用的有接触开关、一维力传感器、多维力传感器、PVDF薄膜、感压墨水薄膜等类型的传感器。近来许多学者研制了不同类型的仿生出传感器，例如有些学者将PVDF薄膜做成极小的细丝浇铸在硅胶等柔性材料内，制作成柔性接触力传感器，推动了仿生传感器的发展，大量的学者对这类传感器进行研究和探索，以求研制出更具实用价值的传感器类型。
微型气压传感器是一种基于MEMS硅体微机械加工技术的微型压阻绝对压力传感器，敏感元件一般为集成惠斯顿全桥，力敏电阻按常规设计分布在正方形硅薄膜的四边边缘中心点，正方形硅薄膜的一面采用硅-硅键合技术或硅-玻璃键合等技术形成绝对压力传感器的参考腔。另一面对外部待测气体通道开放，以将外部气压传导到正方形硅薄膜的这一侧表面，气压变化在硅薄膜的表面形成作用力，敏感元件可以测量出气压的变化，其中参考腔为真空的气压传感器称为绝对气压传感器，参考腔为开放的称为相对气压传感器。
这种微型气压传感器的制造技术在汽车轮胎气压测量传感器的设计和应用中普遍采用，本文不再对气压传感器的结构和技术做进一步的说明，着重论述本专利的主要内容如何利用此类气压传感器设计和制造机器人指面柔性接触传感器阵列。
人类的手指可以精确的感知各个方向施加在手指表面的作用力，在很多情况下，尤其是对大面积接触情况下，人可能无法感知作用力的矢量方向，但是却可以精确的判断该作用力施加在手指表面力的大小。这一点看似简单，但是从机器人传感器角度考虑，要实现上述测量却并不容易，如果要了解未知矢量方向施加在机器人指面力的大小，我们可能需要三维或更高维数的传感器，通过复杂的解耦电路或解耦算法，才能解算出外力施加在手指上作用力的大小和方向，而实际上这往往是不必要的，另外三维传感器的体积较大，难以像人手一样每平方毫米安装一个传感器，覆盖整个指面。
另外人类手指具有感觉遗忘功能，例如戴了一段时间手套后人就感觉不到手套存在了，而当戴手套的手抓住新的物体后，人可以立刻感觉到物体的作用力。这一特性在许多应用中有着重要的意义。如果像人手一样表面布满传感器的机械手戴上手套，那么他的感知系统面临的挑战也是可知的，在这个时候普通的传感器要正常工作，必须排除手套带来的干扰，在这一基础上才能对外部接触进行测量。
目前检索到2005年申请的相关发明专利机器人触觉传感器，其现有技术公开号为CN1736669A。该发明的技术方案是：机器人触觉传感器由上至下依次包括复合封装层，微单元间隔离的阵列状导电橡胶敏感层，电极和厚膜电路。复合封装层包括表面的外保护橡胶层和其下部的内层公共导电橡胶层。导电橡胶敏感层包括成平面阵列间隔分布的绝缘橡胶和导电橡胶。电极与导电橡胶敏感层的导电橡胶连通，并且按照行列均匀平面分布。厚膜电路包括多选一模拟开关，译码器，计数器和运算放大器的集成电路裸片及相应的电路板。该发明将采样电路的各种功能以厚膜电路的形式当地化，集成于传感器部位，使传感器的抗干扰性能提高，实现传感器的小型化和外接引线数量的降低。但是该类触觉传感器的不足之处是只能测量接触力，而不能模仿生物触觉所具有的感觉遗忘功能。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本发明的目的是提供一种模仿人手感觉神经元结构，利用微型气压传感器和微型柔软气囊结合，制作成可以自动适应外界环境变化的柔性接触传感器阵列。
本发明的技术方案如下：一种机器人手爪仿生指面柔性接触传感器阵列，包括触觉传感器，所述的触觉传感器为微型气压传感器，所述的微型气压传感器包括微型气压传感器敏感元件、正方形硅薄膜和微型气压传感器参考腔用于测量外界气压变化。
所述的微型气压传感器敏感元件为四个，分别置于正方形硅薄膜表面组成桥电路，正方形硅薄膜粘贴固定在微型气压传感器参考腔的上面。
所述的微型气压传感器的下面置有五个敏感元件引出电极且开有一个参考腔联通开放大气空间的小孔，特别是：仿生指面柔性接触传感器阵列包括传感器基板上面设置的多个微型气压传感器和其上包覆固定有气囊微孔的微型柔软气囊构成多个仿生指面柔性接触传感器。
所述的传感器基板下面设置有多个传感器基板小孔，传感器基板置有的传感器基板小孔与微型气压传感器参考腔的小孔互通且对齐安装，联通到开放的大气空间。
所述的微型柔软气囊由柔性硅胶体的空腔构成，安装在微型气压传感器测量面一侧，在微型气压传感器上部形成半密闭的测压空腔，用于将压力转化为可测量气压，微型柔软气囊顶部置有气囊微孔，所述的气囊微孔在柔性硅胶体中缓慢地调节微型柔软气囊的气压，使仿生指面柔性接触传感器阵列对外部环境有自适应能力，模仿生物的感觉遗忘功能。
本发明的有益效果是：本发明中的一种机器人手爪仿生指面柔性接触传感器阵列，包括传感器基板上设置的多个微型气压传感器和其上包覆固定有气囊微孔的微型柔软气囊。传感器基板上设置有多个传感器基板小孔，传感器基板置有的小孔与微型气压传感器的参考腔上的小孔互通且对齐安装，联通到开放的大气空间；微型柔软气囊由柔性硅胶体的空腔构成，微型柔软气囊安装在微型气压传感器测量面一侧，在微型气压传感器上部形成半密闭的测压空腔，用于将压力转化为可测量气压，微型柔软气囊顶部置有气囊微孔联通到开放的大气空间，气囊微孔在柔性硅胶体中缓慢地调节微型柔软气囊的气压，使仿生指面柔性接触传感器阵列对外部环境有自适应能力，模仿生物的感觉遗忘功能。
相对于现有技术机器人触觉传感器，将采样电路的各种功能以厚膜电路的形式当地化，集成于传感器部位，使传感器的抗干扰性能提高，实现传感器的小型化和外接引线数量的降低。该类触觉传感器的不足之处是只能测量接触力，而不能模仿生物触觉所具有的感觉遗忘功能。本发明在现有的机器人指面接触传感器的基础上，将微型柔软气囊和微型气压传感器结合起来。气囊微孔将微型柔软气囊内的空气与外部大气连通，因此仿生指面柔性接触传感器在受到长时间的压力时，微型柔软气囊内部的空气会缓慢的泄漏出去，使微型柔软气囊内的气压恢复到未施加压力时的气压状况，微型柔软气囊内部的微型气压传感器将逐渐的测量不到压力信号，使仿生指面柔性接触传感器具有人手触觉神经的遗忘功能，从而使仿生指面柔性接触传感器可以自适应外部环境的变化。本发明利用气囊微孔使仿生指面柔性接触传感器对外部环境具有自适应能力，改善了传统机器人接触传感器在使用中对环境变化的自适应能力，并且能够较好的模仿生物的感觉遗忘功能，能够容易的构成仿生指面柔性接触传感器阵列。
附图说明：
图1为本发明仿生指面柔性接触传感器阵列结构图。
图2为本发明仿生指面柔性接触传感器阵列局部的剖面图。
图3为本发明采用的微型气压传感器。
图4为本发明采用的微型气压传感器剖面图
图5为本发明采用的微型气压传感器敏感元件电原理图。
下面结合附图对本发明实施作进一步说明：
在图1和图2中，1、仿生指面柔性接触传感器；2、仿生指面柔性接触传感器阵列；3、传感器基板；4、气囊微孔、5、微型柔软气囊；6、柔性硅胶体；7、微型气压传感器；8、传感器基板上的小孔。
仿生指面柔性接触传感器阵列2包括传感器基板3上面设置的多个微型气压传感器7和其上包覆固定有气囊微孔4的微型柔软气囊5构成多个仿生指面柔性接触传感器1。
所述的传感器基板3下面设置有多个传感器基板小孔8，传感器基板3置有的传感器基板小孔8与微型气压传感器参考腔的小孔12互通且对齐安装，联通到开放的大气空间；
所述的微型柔软气囊5由柔性硅胶体6的空腔构成，安装在微型气压传感器7测量面一侧，在微型气压传感器7上部形成半密闭的测压空腔，用于将压力转化为可测量气压，微型柔软气囊5顶部置有气囊微孔4，所述的气囊微孔4在柔性硅胶体6中缓慢地调节微型柔软气囊的气压，使仿生指面柔性接触传感器阵列2对外部环境有自适应能力，模仿生物的感觉遗忘功能。
当对柔性硅胶体6上施加作用力时，柔性硅胶空腔构成的微型柔软气囊5发生形变，微型柔软气囊5中的空气受到压缩、其中的气压与微型气压传感器参考腔11中气压的比值发生变化，正方形硅薄膜10在气压的作用下发生形变，其上安装的微型气压传感器敏感元件9将形变量转化为电信号，该电信号表达微型柔软气囊5中的气压变化量，通过测量该电信号就可以感知柔性硅胶6上施加的作用力。
另外当长时间对柔性硅胶6上施加固定的作用力时，与柔软气囊5联通的气囊微孔4可以缓慢的泄漏柔软气囊5中的气体，使柔软气囊5中的气压恢复到未施加该固定作用力时的状态，自适应忽略了该固定作用力，实现了传感器的遗忘功能，有效地模仿了生物的感觉遗忘功能。
在图3和图4和图5中，7、微型气压传感器；9、微型气压传感器敏感元件；10、正方形硅薄膜；11、微型气压传感器参考腔；12、微型气压传感器参考腔的小孔；13、敏感元件引出电极；
微型气压传感器7包括微型气压传感器敏感元件9、正方形硅薄膜10和微型气压传感器参考腔11，用于测量外界气压变化；微型气压传感器敏感元件9为四个，分别置于正方形硅薄膜10表面组成桥电路，正方形硅薄膜10粘贴固定在微型气压传感器参考腔11的上面；微型气压传感器7的下面置有五个敏感元件引出电极13且开有一个参考腔联通开放大气空间的小孔12。
实施例：
微型气压传感器7，将微型气压传感器敏感元件9下面的敏感元件引出电极13按照图2所示方式，利用表面贴装工艺焊接到传感器基板3上，微型气压传感器7的面积为1×1mm至2.2×2.2mm，厚度1mm至2mm。
将含有柔性硅胶空腔构成的微型柔软气囊5的柔性硅胶体6按照图2所示方式粘贴到传感器基板3上完成了整个传感器的组装工作，形成了图1所示的仿生指面柔性接触传感器阵列2。
当对柔性硅胶体6上施加作用力时，柔性硅胶空腔构成的微型柔软气囊5发生形变，微型柔软气囊5中的空气受到压缩、其中的气压与微型气压传感器参考腔11中气压的比值发生变化，正方形硅薄膜10在气压的作用下发生形变，其上安装的微型气压传感器敏感元件9将形变量转化为电信号，该电信号表达微型柔软气囊5中的气压变化量，通过测量该电信号就可以感知柔性硅胶体6上施加的作用力，由此无论在柔性硅胶6上施加什么方向的作用力，都可以使微型柔软气囊5发生形变从而被测量到。
另外当长时间对柔性硅胶6上施加固定的作用力时，与微型柔软气囊5联通的气囊微孔4可以缓慢的泄漏微型柔软气囊5中的气体，使微型柔软气囊5中的气压恢复到未施加该固定作用力时的状态，自动忽略了该固定作用力，实现了传感器的遗忘功能，有效地模仿了生物的感觉遗忘功能。
机器人手爪仿生指面柔性接触传感器阵列，采用柔性硅胶体6作为受力检测面，利用柔性硅胶空腔构成的微型柔软气囊5与微型气压传感器7构成阵列，感知外部作用力。无论柔性硅胶6上施加什么方向的作用力，都可以使微型柔软气囊5发生形变从而被测量到。另外当长时间对柔性硅胶体6上施加固定的作用力时，与微型柔软气囊5联通的微孔4可以缓慢的泄漏微型柔软气囊5中的气体，使微型柔软气囊5中的气压恢复到未施加该固定作用力时的状态，自适应忽略了该固定作用力，实现了仿生指面柔性接触传感器1的遗忘功能，有效地模仿了生物的感觉遗忘功能。
Claims (1)
1、一种机器人手爪仿生指面柔性接触传感器阵列，包括触觉传感器，所述的触觉传感器为微型气压传感器(7)，所述的微型气压传感器(7)包括微型气压传感器敏感元件(9)、正方形硅薄膜(10)和微型气压传感器参考腔(11)，用于测量外界气压变化；
所述的微型气压传感器敏感元件(9)为四个，分别置于正方形硅薄膜(10)表面组成桥电路，正方形硅薄膜(10)粘贴固定在微型气压传感器参考腔(11)的上面；
所述的微型气压传感器(7)的下面置有五个敏感元件引出电极(13)且开有一个参考腔联通开放大气空间的小孔(12)，其特征在于：
所述的仿生指面柔性接触传感器阵列(2)包括传感器基板(3)上面设置的多个仿生指面柔性接触传感器(1)，所述的多个仿生指面柔性接触传感器(1)中的每一个仿生指面柔性接触传感器(1)是由具有气囊微孔(4)的微型柔软气囊(5)和固定在该微型柔软气囊(5)中的所述微型气压传感器(7)所构成；
所述的传感器基板(3)下面设置有多个传感器基板小孔(8)，传感器基板(3)置有的传感器基板小孔(8)与微型气压传感器参考腔的小孔(12)互通且对齐安装，联通到开放的大气空间；
所述的微型柔软气囊(5)由柔性硅胶体(6)的空腔构成，安装在微型气压传感器(7)测量面一侧，在微型气压传感器(7)上部形成半密闭的测压空腔，用于将压力转化为可测量气压，微型柔软气囊(5)顶部置有气囊微孔(4)，所述的气囊微孔(4)在柔性硅胶体(6)中缓慢地调节微型柔软气囊的气压，使仿生指面柔性接触传感器阵列(2)对外部环境有自适应能力，模仿生物的感觉遗忘功能。
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| JP2006321015A (ja) * | 2005-05-19 | 2006-11-30 | Toyota Motor Corp | ロボットハンド装置 |
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2006
- 2006-12-28 CN CNB2006101560561A patent/CN100450733C/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (7)
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 一种用于机器人手爪的PVDF接触力传感器设计. 卢朝洪，梅涛，骆敏舟，汪小华.压电与声光，第28卷第3期. 2006 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN100999079A (zh) | 2007-07-18 |
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Assignee: Jiangsu Jiuxiang Automobile Appliance Group Co., Ltd. Assignor: Hefei Inst. of Matter Sciences, Chinese Academy of Sciences Contract record no.: 2010320000496 Denomination of invention: Robot hand biomimetic finger flexible contact sensor array Granted publication date: 20090114 License type: Exclusive License Open date: 20070718 Record date: 20100430 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090114 Termination date: 20171228 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |