CN104236764B - 一种电容式触滑觉传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容式触滑觉传感器装置，其特征在于：由柔性基底、柔性上基板和矩形体立柱构成传感器装置的框架；在柔性基底上表面呈十字排布有四个彼此不接触的矩形体状柔性感应极板，在四个柔性感应极板的正上方间隔设置有一呈十字交叉状的柔性公共极板，柔性公共极板的四个伸出端分别与位于其下方的相应柔性感应极板构成平行板电容传感器；在公共极板中心贯穿有一圆柱形触杆，在圆柱形触杆的顶端设置有一防滑橡胶触头，目标对象与防滑橡胶触头发生相对滑动时，圆柱形触杆带动柔性公共极板发生移动，使得四个平行板电容传感器的等效面积发生变化，从而实现触滑觉信息的获取。本发明的电容式触滑觉传感器具有结构简单且灵敏度高等优点。

Description

一种电容式触滑觉传感器装置

技术领域

本发明属于传感器技术领域，更具体地说，它涉及一种用于智能机器人仿生皮肤的电容式触滑觉传感器装置。

技术背景

机器人触觉传感技术是实现智能机器人的关键技术之一，触觉传感器是机器人与环境直接作用的必须媒介，是模仿人手使之具有触觉、滑觉、热觉等感知功能。目前，国内外对智能机器人触觉的研究主要集中在力触觉方面，不断创新触觉力检测模型、优化力触觉算法在柔性、纹理复现装置上的应用，使得这些装置能够较好地再现虚拟场景物体的柔性、纹理力触觉特征，而对滑觉信息感知的研究仍较少。触滑觉检测是智能机器人实现软抓取的关键环节，触滑觉信息的可靠感知是智能机器人在复杂多元环境下完成预定抓取功能的可靠保障。常用的触滑觉传感器按其检测机理不同主要包括：压阻式、光纤式、压电式、磁敏式和电容式滑觉传感器等。

美国阿克伦大学的VataniMorteza等人基于多壁碳纳米管/聚合物复合材料设计了一种压阻式滑触觉传感器，这类触滑觉传感器存在体积大、不易集成且压敏电阻漏电流不稳定等缺点。西安金和光学科技有限公司杜兵等人提了一种光纤式触滑觉传感装置，具有结构简单、设计合理及抗电磁干扰能力强等优点，然而光纤式滑觉传感器在两向力以上共同作用时，很难保持线性关系，且存在标定困难、精度难以提高等缺点。日本ShouheiShirafuji等人将PVDF压电薄膜嵌入到弹性仿生皮肤中实现触滑觉信息感知，通过调节作用力大小实现软抓取功能。燕山大学的陈卫东等人提出了一种基于PVDF膜和光电原理的触滑觉传感器，可得到触觉、滑觉响应曲线，并确定了判定滑动信号的阈值。压电式滑触觉传感器的应用最为广泛，能同时检测滑觉信息与触觉信息，然而滑觉信息与触觉信息的分离存在一定难度，且压电式滑触觉传感器同时存在压电响应与热电响应。YuriyP.Kondratenko等人介绍了一种磁敏式检测滑觉距离与振幅的结构模型，可磁敏式触觉传感器各触觉传感点一致性差，磁场分布不均，分辨率不易提高。

电容式触滑觉传感器因具有动态范围广，良好的线性度，动态响应快、结构简单等显著优点而得到广泛应用。智能机器人在抓取未知属性物体时，必须根据触滑触觉传感器检测信号实时调节施加夹持力的大小，既要保证不会因夹持力不足导致物体滑动又要保护物体不被损坏，即实现软抓取功能。为此，一种检测触滑觉信息且配合触觉传感器实现闭环控制系统的触滑觉传感器的研究显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种电容式触滑觉传感器，旨在解决智能机器人在软抓取过程中触滑觉信息的感知问题。本发明电容式触滑觉传感器具有结构简单、设计合理、加工制作方便、成本低且高灵敏度等优点。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明电容式触滑觉传感器装置，其特点在于：由一柔性基底和位于所述柔性基底正上方、且与所述柔性基底平行的柔性上基板构成传感器装置的框架，所述柔性基底与所述柔性上基板之间通过矩形体立柱支撑；在所述柔性上基板中心设置有一通孔；

在所述柔性基底上表面呈十字排布有四个彼此不接触的矩形体状柔性感应极板，在四个柔性感应极板的正上方间隔设置有一呈十字交叉状的柔性公共极板，所述柔性公共极板的四个伸出端分别与位于其下方的相应柔性感应极板构成平行板电容传感器；

在所述柔性公共极板中心贯穿有一圆柱形触杆，在所述圆柱形触杆的顶端设置有一防滑橡胶触头，所述防滑橡胶触头的中心位于所述圆柱形触杆的中轴线上；所述圆柱形触杆的底端固定于所述柔性基底的上表面且位于四个柔性感应极板的中心，防滑橡胶触头从所述柔性上基板的通孔的中心位置伸出且顶面突出于所述柔性上基板的上表面；所述圆柱形触杆及所述防滑橡胶触头与所述柔性上基板不接触；所述圆柱形触杆与四个柔性感应极板不接触；所述柔性公共极板的上表面与所述柔性上基板的下表面不接触。

目标对象与防滑橡胶触头发生相对滑动时，防滑橡胶触头在摩擦力作用下联动圆柱形触杆，从而带动柔性公共极板发生移动，使得柔性公共极板的四个伸出端与位于其下方的相应柔性感应极板构成的四个平行板电容传感器的等效面积发生变化，从而实现触滑觉信息的获取。

本发明电容式触滑觉传感器，其特点也在于：在所述电容式触滑觉传感器的四周外围包裹有一层由有机硅导电银胶制成的屏蔽层。

所述柔性基底为矩形体状，所述柔性基底与所述柔性上基板尺寸相同，所述柔性上基板位于所述柔性基底的正上方，所述柔性上基板的各侧面与所述柔性基底的相应侧面对齐；所述矩形体立柱共四个，分别支撑在柔性基底与所述柔性上基板的四角处，且外侧面与柔性基底及所述柔性上基板的相应侧面对齐。

所述圆柱形触杆的高度与所述矩形体立柱高度相同。

所述柔性公共极板位于所述圆柱形触杆的高度中间位置。

所述柔性公共极板的四个伸出端的外边不超出相应柔性感应极板的外边，所述柔性公共极板各伸出端的两侧边之间的宽度与所述柔性感应极板的宽度相同。

所述柔性公共极板与所述柔性感应极板的外表面皆包裹有一层以硅橡胶为材质的隔离层。

所述柔性感应极板和所述柔性公共极板均以有机硅导电银胶为材质。

所述防滑橡胶触头、柔性上基板、圆柱形触杆、矩形体立柱和柔性基底均以硅橡胶为材质。

本发明电容式触滑觉传感器的结构模型中四个柔性感应极板与柔性公共极板的相应伸出端可等效为呈十字形排布的四个平行板电容传感器，在触滑觉检测过程中共线的两个平行板电容传感器构成一对类差分式电容传感器，提高了触滑觉检测的灵敏度；同时，根据四个电容传感器输出电容的变化特点可以判断滑动产生的方向，其检测方向不再局限于单一方向。防滑橡胶触头略高于柔性上基板，在摩擦力的作用下带动圆柱形触杆发生倾斜，与此同时，柔性公共极板发生相对移动，相当于平行板电容等效极板面积发生变化，从而反映触滑觉信息。

电容极板引线可引至柔性基底的上表面，易于构成电容式滑觉传感器阵列，实现大面积、高分辨率滑觉感知功能。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明电容式触滑觉传感器整体上具有柔性，与传统触滑觉传感器相比，本发明电容式触滑觉传感器由呈十字形排布的四个平行板电容传感器构成，可以看作两对类差分式平行板电容传感器，提高了触滑觉检测的灵敏度；

2、本发明电容式触滑觉传感器的检测方向不再局限于单一方向，根据四个平行板电容传感器输出电容值变化的特点可以判断滑觉发生的方向；

3、本发明电容式触滑觉传感器极板引线可引至柔性基底的上表面，易于构成电容式触滑觉传感器阵列，实现大面积、高分辨率触滑觉感知功能；

4、本发明电容式触滑觉传感器通过调节圆柱形触杆半径、柔性公共极板距柔性基底的距离、柔性公共极板与柔性感应极板之间的介电常数等参数可以改变该电容式触滑觉传感器的灵敏度，进一步扩展了其应用范围；

5、本发明电容式触滑觉传感器中以柔性感应极板与柔性公共极板的相应伸出端作为平行板电容的两极板，在柔性公共极板与柔性感应极板外表面包裹有隔离层，防止触滑过程中两极板短接。

附图说明：

图1是本发明电容式触滑觉传感器的整体立体图；

图2是本发明电容式触滑觉传感器的拆分立体图；

图3是本发明电容式触滑觉传感器的圆柱形触杆与柔性公共极板的结构示意图；

图4是本发明电容式触滑觉传感器的不加柔性上基板时立体图；

图5是本发明电容式触滑觉传感器封装后立体图；

图6是本发明电容式触滑觉传感器结构等效示意图；

图7是本发明电容式触滑觉传感器在X轴方向滑动时电容变化示意图；

图8是本发明电容式触滑觉传感器在Y轴方向滑动时电容变化示意图；

图9是本发明电容式触滑觉传感器在与X轴方向成45°滑动时电容变化示意图；

图10是本发明电容式触滑觉传感器具体实施案例中尺寸参数示意图；

图11是本发明电容式触滑觉传感器柔性上极板模具；

图12是本发明电容式触滑觉传感器柔性公共极板模具；

图13是本发明电容式触滑觉传感器矩形体立柱与柔性基底整体模具；

图14是本发明电容式触滑觉传感器检测滑动信号时实验结果。

图中标号：1防滑橡胶触头；2柔性上基板；3圆柱形触杆；4柔性公共极板；5柔性感应极板；6矩形体立柱；7柔性基底；8屏蔽层。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例电容式滑觉传感器的结构为：由一柔性基底7和位于所述柔性基底7正上方、且与柔性基底7平行的柔性上基板2构成传感器装置的框架，柔性基底7与柔性上基板2之间通过矩形体立柱6支撑；在柔性上基板2中心设置有一通孔；

在柔性基底7上表面呈十字排布有四个彼此不接触的矩形体状柔性感应极板5，在四个柔性感应极板5的正上方间隔设置有一呈十字交叉状的柔性公共极板4，柔性公共极板4的四个伸出端分别与位于其下方的相应柔性感应极板5构成平行板电容传感器；

在公共极板4中心贯穿有一圆柱形触杆3，在圆柱形触杆3的顶端设置有一防滑橡胶触头1，防滑橡胶触头1的中心位于圆柱形触杆3的中轴线上；圆柱形触杆3的底端固定于柔性基底7的上表面且位于四个柔性感应极板5的中心，防滑橡胶触头从柔性上基板2的通孔的中心位置伸出且顶面突出于柔性上基板2的上表面；圆柱形触杆3及防滑橡胶触头1与柔性上基板2不接触；圆柱形触杆3与四个柔性感应极板5不接触；

柔性公共极板4的上表面与柔性上基板2的下表面不接触；

目标对象与防滑橡胶触头1发生相对滑动时，防滑橡胶触头1在摩擦力作用下联动圆柱形触杆3，从而带动柔性公共极板4发生移动，使得柔性公共极板4的四个伸出端与分别位于其下方的相应柔性感应极板5构成的四个平行板电容传感器的等效面积发生变化，从而实现触滑觉信息的获取。

如图3所示，柔性公共极板4位于圆柱形触杆3的中间高度处。将柔性公共极板4设置在圆柱形触杆3的高度中间位置可以尽量减少在圆柱形触杆3带动柔性公共极板4发生移动，柔性公共极板的一侧在发生倾斜时，柔性公共极板一侧与下方的柔性感应极板接触或另一侧与上方的柔性上基板接触，也即处在中间位置可以使圆柱形触杆3的有效倾斜角度尽可能大。如图4所示，圆柱形触杆3的高度与矩形体立柱6高度相同，以便于安装防滑橡胶触头。

如图5所示，为提高本发明电容式触滑觉传感器的抗干扰性能，在电容式触滑觉传感器的四周外围可包裹有一层由有机硅导电银胶制成的屏蔽层8，其屏蔽层根据电容信号提取的方式作相应处理。

柔性基底7为矩形体，柔性基底7与柔性上基板2尺寸相同，柔性上基板2的各侧面与柔性基底7的相应侧面对齐；矩形体立柱6共四个，分别支撑在柔性基底7与柔性上基板2的四角处，且外侧面与柔性基底7及柔性上基板2的相应侧面对齐。以保证，屏蔽层8正好和外表面贴合，中间没有缝隙。

柔性公共极板4的四个伸出端的外边不超出相应柔性感应极板5的外边，柔性公共极板4各伸出端的两侧边之间的宽度与柔性感应极板5的宽度相同，且相应边平齐，以增加初始时各平行板电容传感器的有效面积。

柔性公共极板4与柔性感应极板5的外表面皆包裹有一层以硅橡胶为材质的隔离层，防止触滑过程中两极板短接。

柔性感应极板5和柔性公共极板4均以有机硅导电银胶为材质。

防滑橡胶触头1、柔性上基板2、圆柱形触杆3、矩形体立柱6和柔性基底7均以硅橡胶为材质。

本发明电容式触滑觉传感器制作工艺主要是基于3D打印技术与硅橡胶流体成型技术。利用SolidWorks或AutoCAD等三维建模软件设计出本发明电容式触滑觉传感器结构所需各部分模具，将硅橡胶注入模具成型，待材料固化后脱模即得本发明电容式触滑觉传感器各部分组件，最后将各个器件组装到一起即可。

为了保证本发明电容式触滑觉传感器具有一定的柔软性，在一定程度上具备可拉伸性等特点，柔性公共极板4和柔性感应极板5选用南京喜力特胶粘剂有限公司的YC-02型有机硅导电银胶为材质，YC-02型有机硅导电银胶甲、乙组分按质量比10:1均匀混合后室温下可自行固化，且固化后具有良好的导电性、可拉伸性及柔软性等优点。防滑橡胶触头1、柔性上基板2、圆柱形触杆3、矩形体立柱6及柔性基底7均选用中昊晨光化工研究院有限公司的GD401型硅橡胶为材质。

如图6所示，本发明电容式触滑觉传感器结构可等效为四个变极板面积的平行板电容式传感器(C₁、C₂、C₃和C₄)，其中C₁、C₃和C₂、C₄分别可构成两对类差分式结构，理论上，电容式触滑觉传感器未受摩擦力作用时，四电容值(C₁＝C₃＝C₂＝C₄)相等。当受摩擦力作用时防滑橡胶触头1在摩擦力带动下发生倾斜，从而联动柔性公共极板4发生倾斜，导致差分式电容传感器输出发生变化，据此判断触滑觉信息。

本发明电容式触滑觉传感器具体检测滑觉信息的机理如下：

如图7所示，以柔性基底7的中心为坐标原点，以C₁、C₃中点连线为X轴，以从坐标原点指向C₃的方向为X轴正方向，以C₂、C₄中点连线为Y轴，以从坐标原点指向C₄的方向为Y轴正方向；

当防滑橡胶触头1沿X轴正方向发生滑动时，其电容变化示意图如图7所示，在防滑橡胶触头1联动下，忽略由圆柱形触杆3发生倾斜引起的平行板极板间距的减小，C₂和C₄处的柔性公共极板4均沿X轴正方向发生移动，相当于平行板电容C₂和C₄的极板等效面积减小，故C₂和C₄电容值减小；与此同时，C₁和C₃处的柔性公共极板4均沿X轴正方向发生移动，相当于平行板电容C₁的极板等效面积减小，平行板电容C₃的极板等效面积增加，故C₁电容值减小，C₃电容值增加。表现在差分式电容传感器时，C₁和C₃组成的差分对输出电容值增加，C₂和C₄组成的差分对输出电容值不变。

同理，若本发明电容式触滑觉传感器沿Y轴正方向发生滑动时，其电容变化示意图如图8所示，表现在差分式电容传感器时，C₂和C₄组成的差分对输出电容值增加，C₁和C₃组成的差分对输出电容值不变。

若本发明电容式触滑觉传感器沿与X轴正方向及Y轴正方向皆成45°的方向发生滑动时，其电容变化示意图如图9所示，C₃和C₄极板等效面积可认为不变，C₁和C₂极板等效面积减小，故C₃和C₄输出电容值不变，C₁和C₂输出电容值减小。根据C₁、C₂、C₃、C₄的输出电容值变化特点及组成差分对的输出特点便可以判断出何时发生滑动以及发生滑动的方向。

在实际应用中，将柔性公共极板4进行接地处理，这样每个电容就相当于一个单电极平行板电容传感器。对于单电极电容传感器的信号采集可以选用AD公司的AD7747或AD7147电容数字处理芯片，其具备I²C兼容型串行接口与片内环境自校准功能。根据本发明电容式触滑觉传感器结构特点，选用具有13路容性输入、高达16位CDC精度的AD7747-1，很容易完成12通道单电极结构电容信号的采集与处理。对于由本发明电容式触滑觉传感器构成的触滑觉传感阵列，可使用AD7147-1与多通道单刀双掷开关ADG734构成的行列扫面电路进行电容阵列信号采集。同时，芯片采用有源交流屏蔽技术，不仅可有效地降低传感器使用过程中存在的噪声干扰，而且消除了阵列间的交叉干扰问题。

在本发明电容式触滑觉传感器量程范围内，使用精密拉压力计对所述电容式触滑觉传感器重复进行滑觉加载实验，同时由AD7147-1构成的电容信号采集系统实时采集电容式触滑觉传感器的单电极电容输出值，根据电容式触滑觉传感器输出曲线可以判断何时发生滑动及滑动的方向。

为验证本发明电容式触滑觉传感器的性能，做实例如下：

如图10所示，在实例中，防滑橡胶触头1高度为4mm，半径为1.5mm；柔性上基板2和方形的柔性基底7边长为24mm，厚度为2mm，其中，柔性上基板2中心处上下表面贯通圆半径为3mm；圆柱形触杆3半径为1.5mm，高度为8mm；十字形柔性公共极板4厚度为1mm，十字形的一边长、宽为18mm和6mm；柔性感应极板5的长、宽、高参数分别为8mm、6mm和0.5mm；矩形体立柱6的长、宽、高参数分别为5mm、5mm和8mm。本实例中硅橡胶选择中昊晨光化工研究院有限公司的GD401型硅橡胶，电容信号处理选用AD7147-1CDC(Capacitance-to-DigitalConverter)作为电容信号采集的主芯片，STM32F103VET6高性能微处理器作为电容信号采集与处理的主控芯片，建立电容信号采集与处理系统。

柔性上基板2和方形柔性基底7模具相似，如图11所示，利用SolidWorks或AutoCAD三维建模软件在边长与厚度均大于柔性上基板2的正方体面上表面画出一边长为24mm，厚度为2mm且中心处留有一半径为3mm圆的图形，并将此图形向底端拉伸切除即可得柔性上基板2模具，将硅橡胶注入固化后脱模便获得柔性上基板2。图12和图13分别为柔性公共极板4的模具和矩形体立柱6与方形柔性基底7整体的模具。制成本发明电容式触滑觉传感器的各个组件后在需要接触的组件表面涂一层硅橡胶进行粘接拼装即可。

具体实验实施如下：将本发明电容式滑觉传感器固定在实验基台，四路容性输出分别接至上述提出的多路电容信号提取系统，将一待滑动物体(实例中选用一支铅笔)置于电容式滑觉传感器防滑橡胶触头1上表面，待滑动物体在拉压力计的联动下沿X轴轮流向左向右滑动。电容信号提取系统实施检测个电容传感器的输出结果，其输出实施曲线结果如图14所示，其中C1、C2、C3和C4分别为对应电容传感器归一化后的差分输出，例如：C1＝C_1out/C_1初始，其它输出以此类推。从图14中可以看出，当沿X轴正反方向轮流发生滑动时，C1和C3输出波行反相，在波峰处说明防滑橡胶触头1发生最大位移，平行板电容传感器的等效极板面积最大，波谷表明平行板电容传感器的等效极板面积最小。C2和C4输出波行一致，符合上述理论分析，根据各差分输出的数据方差便可判断滑觉信息，实现滑觉检测的功能。

Claims (9)

1.一种电容式触滑觉传感器装置，其特征在于：由一柔性基底(7)和位于所述柔性基底(7)正上方、且与所述柔性基底(7)平行的柔性上基板(2)构成传感器装置的框架，所述柔性基底(7)与所述柔性上基板(2)之间通过矩形体立柱(6)支撑；在所述柔性上基板(2)中心设置有一通孔；

在所述柔性基底(7)上表面呈十字排布有四个彼此不接触的矩形体状柔性感应极板(5)，在四个柔性感应极板(5)的正上方间隔设置有一呈十字交叉状的柔性公共极板(4)，所述柔性公共极板(4)的四个伸出端分别与位于其下方的相应柔性感应极板(5)构成平行板电容传感器；

在所述柔性公共极板(4)中心贯穿有一圆柱形触杆(3)，在所述圆柱形触杆(3)的顶端设置有一防滑橡胶触头(1)，所述防滑橡胶触头(1)的中心位于所述圆柱形触杆(3)的中轴线上；所述圆柱形触杆(3)的底端固定于所述柔性基底(7)的上表面且位于四个柔性感应极板(5)的中心，防滑橡胶触头从所述柔性上基板(2)的通孔的中心位置伸出且顶面突出于所述柔性上基板(2)的上表面；所述圆柱形触杆(3)及所述防滑橡胶触头(1)与所述柔性上基板(2)不接触；所述圆柱形触杆(3)与四个柔性感应极板(5)不接触；

所述柔性公共极板(4)的上表面与所述柔性上基板(2)的下表面不接触；

目标对象与防滑橡胶触头(1)发生相对滑动时，防滑橡胶触头(1)在摩擦力作用下联动圆柱形触杆(3)，从而带动柔性公共极板(4)发生移动，使得柔性公共极板(4)的四个伸出端与位于其下方的相应柔性感应极板(5)构成的四个平行板电容传感器的等效面积发生变化，从而实现触滑觉信息的获取。

2.根据权利要求1所述的电容式触滑觉传感器装置，其特征在于：在所述电容式触滑觉传感器的四周外围包裹有一层由有机硅导电银胶制成的屏蔽层(8)。

3.根据权利要求1或2所述的电容式触滑觉传感器装置，其特征在于：所述柔性基底(7)为矩形体状，所述柔性基底(7)与所述柔性上基板(2)尺寸相同，所述柔性上基板(2)位于所述柔性基底(7)的正上方，所述柔性上基板(2)的各侧面与所述柔性基底(7)的相应侧面对齐；所述矩形体立柱(6)共四个，分别支撑在柔性基底(7)与所述柔性上基板(2)的四角处，且外侧面与柔性基底(7)及所述柔性上基板(2)的相应侧面对齐。

4.根据权利要求1所述的电容式触滑觉传感器装置，其特征在于：所述圆柱形触杆(3)的高度与所述矩形体立柱(6)高度相同。

5.根据权利要求1所述的电容式触滑觉传感器装置，其特征在于：所述柔性公共极板(4)位于所述圆柱形触杆(3)的高度中间位置。

6.根据权利要求1所述的电容式触滑觉传感器装置，其特征在于：所述柔性公共极板(4)的四个伸出端的外边不超出相应柔性感应极板(5)的外边，所述柔性公共极板(4)各伸出端的两侧边之间的宽度与所述柔性感应极板(5)的宽度相同。

7.根据权利要求1所述的电容式触滑觉传感器装置，其特征在于：所述柔性公共极板(4)与所述柔性感应极板(5)的外表面皆包裹有一层以硅橡胶为材质的隔离层。

8.根据权利要求1所述的电容式触滑觉传感器装置，其特征在于：所述柔性感应极板(5)和所述柔性公共极板(4)均以有机硅导电银胶为材质。

9.根据权利要求1所述的电容式触滑觉传感器装置，其特征在于：所述防滑橡胶触头(1)、柔性上基板(2)、圆柱形触杆(3)、矩形体立柱(6)和柔性基底(7)均以硅橡胶为材质。