CN108072468A - 用于侦测夹持力的超声波触觉传感器 - Google Patents

用于侦测夹持力的超声波触觉传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于侦测夹持力的超声波触觉传感器，其包含超声波侦测器及感测层，该感测层包含第一柔软层及第二柔软层，且于第一柔软层排列有多个接触于超声波侦测器的球形微结构，藉此，于感测层施加压力后，通过超声波侦测器产生超声波并接收反射波信号，以通过该信号辨识球形微结构的接触面积并反推触觉传感器的受力大小。

Description

用于侦测夹持力的超声波触觉传感器
技术领域
本发明涉及一种触觉传感器，尤指用于侦测机械手臂的夹持力的传感器。
背景技术
根据国际机器人联盟数据显示，机械手臂在产业自动化的应用已相当广泛，由于使用机械手臂能减少产品精度与耐用性上不可预知的人为问题，因此，各产业对于机械手臂的使用需求亦大为增加。然而，目前工业型机械手臂使用上大多是以视觉感测为主，缺乏触觉感测上的回馈体制，故容易造成视觉感测上的死角与距离判断误差，进而导致机械手臂传感器发生抓取错误。
为了解决上述问题，中国台湾第I283295号专利公开了一种“压电式碰触传感器”，其依序结合下基板、下电极层、压电材料层、至少一个电极层以及上基板，且下基板、压电材料层与上基板至少其一为增压作用层，并于增压作用层与下电极层或上电极层之间设至少一凸状结构，使外部应力施加于上电极层时，通过凸状结构将压力传达给压电材料，以提升对外应力的敏感度。中国台湾第201416652号专利公开了一种“压力感测装置及应用其的夹持设备”，其于压力感测层一侧结合有凸起结构，且使凸起结构的平行截面积逐渐缩小，并平行于压力感测层，使压力由凸起结构传递至压力感测层时，能集中于凸起结构的顶点，以提高压力感测的敏感度，并放大所感测到的压力信号。中国台湾第I408036号专利公开了一种“薄片状触觉感测系统”，其包含多个垂直应力检测单元、由外装薄片层部、力检测薄片层部以及媒介层所构成的薄片层部，外装薄片层部与力检测薄片层部配置有多个相互在对向方向向上突起的突起部，垂直应力检测单元具有中央部检测感测要素及缘部检测感测要素，使所构成的触觉感测系统能检测出与对象物接触时的垂直应力以及剪断力。中国台湾第I444604号专利公开了一种“软性压电式触觉传感器”，其于压电薄膜的上、下表面分别设第一软性基板及第二软性基板，且于第一软性基板设有多个电性连接压电薄膜的第一电极，第二软性基板设有多个电性连接压电薄膜的第二电极，并将弹性体设于对应第一电极的第一软性基板表面，使所构成的触觉传感器能降低制作成本。
另外，美国专利USRE37065公开的传感器于软性物质表面设半球形的目标，并于底部埋入压电式超声波换能器，以通过换能器发出超声波信号，并使信号经半球形的目标反射回压电薄膜得到信号，进而通过判别目标受力后的变形量来推算表面所受的多轴力。美国专利US20080258580公开的压电成像阵列装置包含声波导的阵列以及与声波导阵列排列相关联的压电阵列装置，该压电阵列装置能提供超声波或波导阵列集合波形式的超声波能量，以及接收波导阵列的反射波或集合波形式的超声波能量，以通过阵列装置接收由生物物体反射的能量，从而能用于扫瞄指纹成像。美国专利US7511702公开的力量与位置感应显示器包含力量与触觉感应元件，该感应元件于第一透明层及第二透明层的表面分别设第一导电线路及第二导电线路，且于第一透明层及第二透明层的间夹设多个变形构件，使感应元件紧靠于显示元件时，能同时提供位置与力量的感测。
目前现有技术所提出的触觉传感器，除了检测抓取物体所承受的接触力量外，也逐渐朝向侧向剪力强度、接触物体表面的粗糙程度、初始滑动判断、以及触觉形状感测等感知能力的发展。而现有的触觉传感器虽能通过不同原理来检测夹取的力量，但其制作过程相对繁复。此外，目前市面上的薄型传感器，并无法实时反应读取速度，欠缺灵敏度与分辨率。
发明内容
有鉴于现有的传感器制造过程繁复、成本高昂，且薄型传感器具有欠缺灵敏度与分辨率的问题，从而仍有待改进的空间。
因此，本发明的目的是使用球形微结构作为感测元件，并利用超声波感测及分析判断感测元件的受压力量与形状回馈，以应用于机械手臂上进行精密的抓取与组装，并达到确保对象质量与安全性管理的目的。
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于侦测夹持力的超声波触觉传感器，其包含︰一超声波侦测器，用以侦测感测元件层接触面积的多寡以反推出触觉传感器的受力大小，且包含︰一压电薄膜发射层(Tx)，用以激发超声波震波；一压电薄膜接收层(Rx)，用以感测反射波激发的压电信号；一玻璃层，结合于压电薄膜发射层与压电薄膜接收层之间，且用以撷取压电薄膜接收层的信号；以及一封装层，结合于压电薄膜接收层上方；以及一感测层，该感测层包含一第一柔软层及一第二柔软层，该第一柔软层排列有多个球形微结构，球形微结构接触于超声波侦测器的封装层，第二柔软层结合于封装层与第一柔软层之间，且第一柔软层的硬度大于第二柔软层。
基于上述，当施加压力于触觉传感器后，能通过于压电薄膜发射层输入频率进行激振以产生超声波，使力量经由第二柔软层传递至第一柔软层的球形微结构，并利用压电薄膜接收层接收反射波信号，以通过该信号辨识球形微结构的接触面积，进而计算并反推触觉传感器的受力大小，以应用于触控及机械手臂的力量回馈。
附图说明
图1为本发明的立体分解图；
图2为本发明的剖视图；
图3为本发明的制作流程图；
图4为本发明的使用示意图；
图5a～图6为本发明仿真超声波反射的结果示意图；
图7a～图9为本发明实际实验的结果示意图。
附图标记说明：1-触觉传感器；11-超声波侦测器；111-压电薄膜发射层；112-压电薄膜接收层；113-玻璃层；114-封装层；115-黏着层；116-黏着层；12-感测层；121-第一柔软层；1211-球形微结构；122-第二柔软层；2-模仁。
具体实施方式
为使审查员了解本发明欲达成目的所运用的技术、手段及功效，余下，兹列举一较佳实施例并配合图式，详细说明如后︰
首先，如图1并配合图2所示，该超声波触觉传感器1包含一超声波侦测器11以及一感测层12。其中，超声波侦测器11用以侦测感测层12的第一柔软层121的接触面积多寡以反推出触觉传感器1的受力大小，且超声波侦测器11包含一压电薄膜发射层(Tx)111、一压电薄膜接收层(Rx)112、一玻璃层113以及一封装层114；该压电薄膜发射层111用以激发超声波震波，较佳的，压电薄膜发射层111为聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)材质；该压电薄膜接收层(Rx)112用以感测反射波激发的压电信号，较佳的，压电薄膜接收层112为聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)材质；该玻璃层113结合于压电薄膜发射层111与压电薄膜接收层112之间，且用以撷取压电薄膜接收层112的信号，较佳的，玻璃层113为TFT玻璃(Thin-Film Transistor,TFT Glass)，且玻璃层113与压电薄膜发射层111之间以及玻璃层113与压电薄膜接收层112之间设有黏着层115(116)(图中未显示)；该封装层114结合于压电薄膜接收层112上方，较佳的，封装层114为聚甲基丙烯酸甲酯{(Poly)(methyl methacrylate),PMMA}材质。该感测层12包含一第一柔软层121及一第二柔软层122，该第一柔软层121排列有多个球形微结构1211，并使球形微结构1211接触于超声波侦测器11的封装层114，第二柔软层122结合于封装层114与第一柔软层121之间，且第一柔软层121的硬度大于第二柔软层122，较佳的，感测层12为聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)材质。
其次，如图3所示，关于本发明触觉传感器1的制造方法，先将压电薄膜(PVDF)材料裁切为适当尺寸以构成压电薄膜发射层(Tx)111，并于压电薄膜发射层111上方喷涂黏着剂以构成黏着层115，再将TFT玻璃所构成的玻璃层113覆盖于黏着层115上方，接着，于玻璃层113喷涂黏着剂以形成黏着层116，再将压电薄膜(PVDF)材料所构成的压电薄膜接收层(Rx)112覆盖于黏着层116上方，最后于压电薄膜接收层112镀上压克力(PMMA)作为封装层114，以构成超声波侦测器11。感测元件层12先通过模造技术以压克力基板制作模仁2，再将硅胶(PDMS)材料注入模仁2内，待烘烤固化后脱模即构成具有多个阵列球形微结构1211的第一柔软层121，接着，将第二柔软层122包覆于球形微结构1211以构成感测层12，并将感测层12黏贴于超声波侦测器11的封装层114上方，以完成触觉传感器1。
接着，如图4所示，当于触觉传感器1施加压力后(如图中箭头所示)会使感测层12变形，此时，可通过第二柔软层122使下压力量平均受力于感测层12，让第一柔软层121的球形微结构1211不因受力不平均而产生不同形状的接触面积。由于感测层12会与所施加的外力成正比，因此，能通过于超声波传感器11的压电薄膜发射层111输入频率进行激振以产生超声波，当超声波传感器11受到静态正向力时，其力量会经由第二柔软层122传递至第一柔软层121的球形微结构1211，使球形微结构1211接触封装层114的面积增大，从而能利用压电薄膜接收层112接收球形微结构1211变形后的反射波信号，并通过该信号辨识球形微结构1211与封装层114的接触面积，以通过计算接触面积的像素来反推出触觉传感器1的受力大小。
为了解超声波传感器11激振所产生的超声波经过感测层12所产生的反射现象，故本案发明人于模拟实验中，将超声波传感器11的玻璃层113设定为500μm，并使第一柔软层121的球形微结构1211与超声波传感器11之间分别形成200μm(如图5a所示)与900μm的接触面积(图5b所示)，再通过超声波传感器11的压电薄膜发射层(Tx)111以10MHz频率激振以产生超声波，使超声波传至感测层12并反射后，通过超声波传感器11的压电薄膜接收层112撷取反射波，从而仿真实验结果显示︰当球形微结构1211与超声波传感器11的接触面积愈大，则反射波的反射范围愈大(如图6所示)。
此外，本案发明人基于上述结构与感测原理实际进行实验，并使第一柔软层121的球形微结构1211分别呈现3×6阵列(如图7a所示)及4×9阵列(如图7b所示)，且分别于3×6阵列与4×9阵列的第一柔软层121施加1～6N(牛顿)的压力，使3×6阵列与4×9阵列的球形微结构1211与超声波传感器11之间的接触面积分别呈现如同图7a及图7b的灰阶影像，该灰阶影像经撷取并计算接触面积的像素后，其计算结果显示︰当施加静态力量从1N～6N逐渐增大时，感测层12的球型微结构1211于超声波传感器11的接触面积逐渐扩大，使接触面积像素值与所施加的力量呈现线性上升的趋势(如图8所示)，且第一柔软层121的球形微结构1211阵列数量愈多，则球型微结构1211于超声波传感器11接触的像素分辨率愈高(如图9所示)。
基于上述模拟与实验结果证实，本发明中的触觉传感器1应用于机械手臂时，确实能通过触觉传感器1接收夹持具与对象的接触力量，并监控对象于夹持过程中是否有损坏以及校正组装路径以进行智能组装，以确保对象质量与安全性管理，并应用于触控、手机触控等的力量回馈。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的实施范围，凡未脱离本发明技术精神所为的变化与修饰，皆为本发明的保护范围所涵盖。

Claims (7)

1.一种用于侦测夹持力的超声波触觉传感器，其特征在于，包含一超声波侦测器和一感测层，其中︰
该超声波侦测器用以侦测感测层接触面积的多寡以反推出该触觉传感器的受力大小，该超声波侦测器包含一压电薄膜发射层、一压电薄膜接收层、一玻璃层和一封装层，其中︰
该压电薄膜发射层用以激发超声波震波；
该压电薄膜接收层用以感测反射波激发的压电信号；
该玻璃层结合于该压电薄膜发射层与该压电薄膜接收层之间，且用以撷取该压电薄膜接收层的信号；
该封装层结合于该压电薄膜接收层上方；
该感测层包含一第一柔软层及一第二柔软层，该第一柔软层排列有多个球形微结构，该球形微结构接触于该超声波侦测器的封装层，该第二柔软层结合于该封装层与该第一柔软层之间，且该第一柔软层的硬度大于该第二柔软层。
2.根据权利要求1所述的用于侦测夹持力的超声波触觉传感器，其特征在于，该压电薄膜发射层为聚偏二氟乙烯材质。
3.根据权利要求1所述的用于侦测夹持力的超声波触觉传感器，其特征在于，该压电薄膜接收层为聚偏二氟乙烯材质。
4.根据权利要求1所述的用于侦测夹持力的超声波触觉传感器，其特征在于，该玻璃层为TFT玻璃。
5.根据权利要求1所述的用于侦测夹持力的超声波触觉传感器，其特征在于，该封装层为聚甲基丙烯酸甲酯材质。
6.根据权利要求1所述的用于侦测夹持力的超声波触觉传感器，其特征在于，该玻璃层与该压电薄膜发射层之间以及该玻璃层与该压电薄膜接收层之间设有黏着层。
7.根据权利要求1所述的用于侦测夹持力的超声波触觉传感器，其特征在于，该感测层为聚二甲基硅氧烷材质。
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