CN108680287B - 一种高灵敏五自由度阵列式触觉传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高灵敏五自由度阵列式触觉传感器，它由三层印刷电路板和两层电介质层基于“三明治结构”堆叠而成，可独立感知作用于触觉传感器的正压力、剪切力和力矩。本发明将正压力感应层进行阵列式拓展，基于多层印制电路板技术与合理PCB布线布局设计，解决阵列印发的大量走线布线困难与诱发干扰问题，实现触觉传感器空间力高分辨率检测。本发明将触觉传感器的传感单元与检测电路集成于一体，消除导线传输过程产生的寄生电容，降低噪声影响，检测电路为传感器单元提供AD转换、有源屏蔽与数据交互。本发明的高灵敏五自由度传感器既能实现多自由度空间力的解耦测量，还实现了高空间分辨率的空间力分布信息检测，同时保证各维力的极高灵敏度检测。

Description

一种高灵敏五自由度阵列式触觉传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种触觉传感器，尤其是一种基于电容传导方式的高灵敏五自由度阵列式触觉传感器。

背景技术

目前机器人已广泛应用于工业自动化制造，并且它们的应用开始多样化，例如开发人形机器人以帮助人们进行日常活动，并协助人们执行诸如交换对象的任务。为了保证智能机器人能够安全地在未知非结构化的日常环境中工作，要求机器人获取周围环境对象的详细信息，而详细信息可通过不同感应源获取，如视觉和触觉。视觉反馈虽然已被广泛地用于机器人的定位和形状识别中，但其易受视线阻碍或灯光偏暗影响；相较之下，触觉反馈可为机器人提供力和接触信息，使其更易适应未知多样性的环境，如人类可依靠全身覆盖的皮肤感知系统接收大千世界的材质与形状信息，因此触觉传感器对于机器人系统与外部世界安全地交互并精确地操纵物体是至关重要的。

为了应对各式各样的外界激励，机器人需要具备正压力、剪切力、扭矩和弯曲等各种信息的感知能力。目前在触觉传感器研究历程中，已然突破了三自由度力检测，实现六自由度力和力矩的检测。但就单个六自由度力和力矩触觉传感器而言，只局限于单接触点的检测，而忽略了整体接触区域的检测，无法为机器人提供关于触觉的空间分布的信息，实现设备与接触物体精确稳定的接触。为了为机器人提供触觉完备精确的空间分布信息，国内外学者针对触觉传感阵列开展了系列研究。

目前，国内外在触觉传感阵列方面的研究现况中，为了提高阵列传感的空间分辨率，提出从拓展触觉传感器的阵列数与实现阵列单元的微型化两个方向进行设计，但该两个措施势必引起阵列引出信号线骤增导致布线困难与杂散电容干扰产生，导致现有的阵列式传感器难以突破更高分辨率。同时，目前研究现状中，阵列式触觉传感器配备的阵列式扫描电路普遍存在体积大、大阵列规模扫描电路测量速度慢、不易于阵列数可拓展等问题，有待进一步研究。

目前，现有多自由度触觉传感器在多维力测量上，普遍存在切向灵敏度低于正向载荷测量灵敏度的问题，而对于触觉传感器来说，灵敏度是衡量触觉传感器的重要指标灵敏度，并且各向测量灵敏度不同级问题的存在，会阻碍触觉传感器对于空间多维力独立检测的实现。

目前，现有的触觉传感器与检测电路大多是分离的，会导致在信号传播途中干扰信号的增加，并且破坏传感器的整体性；同时对于目前应用广泛的电容式触觉传感器，很难实现微型化，因为电容触觉传感器微型化导致自身电容变小，使其易受寄生电容的影响，信噪比低，抗干扰的能力弱，不满足传感器的基本要求，无法为机器人提供可靠的载荷分布与力矩检测数据，致使其控制机构无法及时做出正确的判断。

综上所述，现有的多维触觉传感器存在局限于单点检测、各向测量灵敏度不同级且灵敏度有待提升、易受寄生电容的影响与存在干扰信号等问题，将导致所服务的机器人无法准确地获取接触物的空间分布信息，致使其控制机构无法及时地做出正确的判断，保证不了智能机器人安全地在未知非结构化的日常环境中工作。因此要求多维触觉传感器实现阵列式、高灵敏度、微型化与集成化的特征。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高灵敏五自由度阵列式触觉传感器，能够克服以往触觉传感器切向检测灵敏度低于正向检测灵敏度的不足之处，实现高灵敏度空间力检测，同时在满足微型化和集成化的条件下保证具备信噪比高、低噪声、重复性良好、滞后性低等传感器的优良特性。

本发明为解决技术问题，采用如下的技术方案：一种高灵敏五自由度阵列式触觉传感器，由上至下，依次由上层印制电路板、剪切电介质层、中间层印刷电路板、正向电介质层和下层印刷电路板组成，其中，

所述的上层印制电路板为双面板，上面板整体覆铜接地，作为传感器的上表面；下面板设置沿斜对角线呈横纵向对称分布的多对条状裸露电极，作为剪切力检测的接地极；

所述的中间层印刷电路板为四面板，上面板设置与所述上层印制电路板下面板镜像的多对条状裸露电极，作为剪切力检测的感应极；下面板设置矩形裸露电极，作为正压力检测的感应极；

所述的下层印制电路板为双面板，上面板设置一大矩形裸露电极，作为正压力检测的接地极；下面板整体覆铜接地，作为传感器的下表面；

所述的剪切电介质层和正向电介质层作为传感器力敏感元件，为一层硅橡胶材质形成的矩形平膜片。

其中，所述的上层印制电路板下面板和中间层印刷电路板上面板设置的多对条状裸露电极为双叉指结构，且上下镜像的双叉指状电极在对齐上要求双叉指电极结构有小量的偏移，以在每两根相邻的电容极板之间产生一对差分信号，实现触觉传感器在剪切力方向的超高灵敏度检测；

所述的双叉指状电极除设置电容极外，另增设有缘屏蔽电极，有源屏蔽电极与电容极交替分布，消除杂散电容干扰；

所述的正向电介质为一层稀疏结构的硅像胶，剪切电介质层为一层大剪切模量的均匀硅橡胶，进一步提高触觉传感器压力与剪切力灵敏度。

其中，所述的下层印制电路板上面板的大矩形裸露电极面积须略大于所述的中间层印刷电路板的N²块矩形裸露电极的外围面积，保证正压力检测中与剪切力解耦；

所述的上层印制电路板下面板设置的横纵向对称分布的多对条状裸露电极长度须略大于所述中间层印制电路板上面板的电极的长度，可实现剪切力检测电容器的横纵向解耦；所述的双叉指电极的指状结构宽度须远远大于电容极板间距与双叉指电极正对面宽度的乘积，实现剪切力检测中与正压力解耦能力。

其中，所述的中间层印刷电路板下面板设置N²块矩形裸露电极，呈N×N阵列式分布，可达高分辨率空间力检测，N²路信号布线时保证最短走线路径到达可编程电容数字转换芯片，以减少杂散电容产生。

其中，所述的上层印制电路板、中间层印刷电路板和下层印刷电路板采用印制电路板技术(PCB技术)制作；所述的剪切力电介质层和正压力电介质层采用MEMS制作工艺技术和倒模技术制备。

其中，所述的中间层印刷电路板嵌入检测电路，中间层印刷电路板四面板的其中两面实现检测电路的布线。

本发明对比现有技术，有如下优点：

1)多自由度阵列式检测：为了应对各式各样的外界激励，本发明的一种高灵敏五自由度阵列式触觉传感器通过对分层结构设计，由其包括的正压力检测电容器与剪切力检测电容器，具备了正压力、剪切力和力矩等各种信息的感知能力。同时为了为机器人提供触觉空间分布力信息，本发明的触觉传感器将正压力检测层矩形电极进行高密度阵列式拓展，实现高空间分辨率的空间力检测。

2)高灵敏度检测：本发明的一种高灵敏五自由度阵列式触觉传感器，通过构造所述剪切力检测电容器的双叉指电极结构和所述正压力检测电容器的硅胶疏松电介质结构，极大程度地提高了触觉传感器正压力与剪切力的灵敏度。同时，本发明采用解耦设计，剪切力检测电容器通过构造差分结构和限定其指定参数(所述的剪切力检测电容器的上下层印刷的双叉指电极的指状结构宽度须远远大于所述剪切力检测电容器的平板间距与双叉指电极正对面宽度的乘积)，解决正压力耦合到剪切力检测通道中；而正压力检测电容器器通过对其印刷的电极板尺寸设立要求(下层印制电路板印刷的接地极板尺寸应略大于所述的上层印制电路板印刷的感应极板的外围尺寸)，避免正压力检测电容器受到剪切力的影响；

3)高度集成化：本发明高灵敏五自由度阵列式触觉传感器采用微机械加工技术和等离子处理基础，并将传感单元与测量电路集于一体，实现触觉传感器结构的微型化和集成化，可服务于体积、环境等受限制的机构；

4)低噪声、高抗干扰能力：本发明的高灵敏五自由度阵列式触觉传感器利用有源屏蔽电极围裹于感应和接地电极周围，大大减小了串扰信号的影响，提高触觉传感器的抗干扰能力与信噪比，解决了为实现触觉传感器高度集成化和微型化，势必导致自身电容变小，易受寄生电容影响，信噪比升高的问题；

附图说明

图1为本发明高灵敏五自由度阵列式触觉传感器的立体拆分示意图，其中，1为上覆铜接地层，2为FR-4，3为剪切接地电极层，4为剪切电介质层，5为剪切感应电极层， 6为检测电路，7为正向感应电极层，8为正向电介质层，9为正向接地电极层，10为下覆铜接地层，11为上层印刷电路板，12为中间层印刷电路板，13为下层印刷电路板， 14为剪切力检测电容器，15为正压力检测电容器；

图2为本发明高灵敏五自由度阵列式触觉传感器的截面结构示意图；

图3为本发明高灵敏五自由度阵列式触觉传感器的工作机理示意图，其中，图3(a)为切向力作用(Fy/Fx)，图3(b)为正压力作用(Fz)，图3(c)为力矩作用(Mx/My)；

图4为本发明高灵敏五自由度阵列式触觉传感器的检测电路原理图，其中，Ⅰ为触觉传感器，Ⅱ为数字转换芯片组，Ⅲ为单片机，Ⅳ为PC端；

图5为本发明高灵敏五自由度阵列式触觉传感器的检测电路程序流程图。

具体实施方式

实例1：

如图1所示，本实施实例基于高灵敏五自由度阵列式触觉传感器，主要由上层印制电路板11、剪切电介质层4、中间层印刷电路板12、正向电介质层8、下层印刷电路板 13逐层堆叠组成。该传感器基于电容式工作机理，中间印刷极板作为固定电极，上、下两层印制电路板分别作为正压力/切向力活动极板，由于外力作用传感器会引起传感器的电容结构参数变化，通过测量电容变化量，从而可感测作用于传感器上的正压力Fz、切向力Fx/Fy以及力矩Mx/My，工作原理图如图2所示。

触觉传感器在切向力Fx/Fy的作用下(如图3(a)所示)，上层印刷电路板11印刷的横向纵向分布的双叉指状结构的剪切电极条相对于中间层剪切固定电极条产生切向位移△L，影响电容极板正对面积S，导致电容值C输出变化，因此通过测量电容变化量就可以实现对切向力的测量。其中上层印刷电路板11设置的双叉指状结构电极实现差动检测，提高触觉传感器剪切力测量灵敏度，同时抗共模干扰能力大大增强。为了提高剪切感应电极对正压力的解耦能力，本实例中通过提高电极宽度与极板间距×低电极正对宽度的比值，可以大大提高剪切感应电极的交叉灵敏度，实现良好的解耦能力。为了进一步提高触觉传感器的测量灵敏度，在上层印刷电路板11和中间层印刷电路板 12之间设置一层均匀的高剪切弹性模量的硅橡胶组成的剪切电介质层4。

触觉传感器在正压力Fz的作用下(如图3(b)所示)，弹性电介质层发生变形，导致下层印刷电路板13印刷的矩形电极板与中间层电极板间距d发生变化，从而影响电容变化，因此通过测量电容变化量就可以实现对正压力的测量。为了实现高空间分辨率压力检测，中间层印刷电路板下表面印刷N×N矩形阵列电极，与下极板构成阵列式矩形电容器，基于印制电路板加工技术限制与走线限制，空间分辨率可根据传感器尺寸与走线预留面积求得，(同样)具体阵列式检测电路见实例2。为了消除切向力对正压力感应电容的影响，本实施实例设计要求下层印刷电路板13的上表面印刷有尺寸略大于正向感应电极层7的N²矩形感应电极外围尺寸的正向接地电极层9，尺寸差须大于触觉传感器切向力测量范围内引起的最大切向位移。同时为了进一步提高正压力测量灵敏度，在中间层印刷电路板12和下层印刷电路板13之间设置一层低填充比的网格状的硅橡胶电介质层。

触觉传感器在力矩Mx/My的作用下(如图3(c)所示)，阵列式分布的矩形电容器电容值将产生差异，联合电容值分布差值与矩形电容器间距进行数据计算处理，即实现力矩的测量。

为了抑制寄生电容的产生，提高触觉传感器的抗干扰能力，实现传感器良好的整体性，特将传感器的传感元件与测量电路集成于一体，在上层印刷电路板11的上表面右下方留有一块为测量电路预留的空间，测量电路主要实现电容信号模数转换、有源屏蔽信号提高与信号传输等功能，减少了信号传输期间寄生电容产生与其他干扰信号的影响。

为了消除杂散电容对传感器容值的影响，特在横纵向分布的双叉指状结构电极间插入有源屏蔽电极，其排列按照以下要求布置：①上层印刷电路板11的下表面和中间层印刷电路板12的上表面的各纵向电极统一在板子正下方两两相接，各横向电极统一在板子正右方两两相接，各有源屏蔽电极则在板子对角线设置相连；②同时在上层印刷电路板11上表面处设置横向接地电极/纵向接地电极/有源屏蔽电极裸露点，最后通过导线与中间层印刷电路中电容处理模块的输入端和有缘屏蔽端相连，实现共地和提供有源屏蔽信号；③同时在右下角不能设置任何电极或走线，因为为了使上层印刷电路板11与中间层印刷电路板12完美接合，须保证上层印刷电路板11右下角有一缺口，为检测电路走线和电容处理模块预留足够空间。

实例2：

如图4所示，左图触觉传感器展示为所述传感器的中间层印刷电路板的下面板结构，本专利设置为N×N共N²块矩形裸露电极板，输出N²路模拟信号经数字转换芯片组实现数模转换，采用串口传输方式传送给单片机进行数据打包处理，将阵列式传感器传输信号打包为由多帧触觉压力图像数据形成的数据集，再传送给PC端实现信号显示，最终实现触觉传感器的阵列式压力检测。

其中的，触觉传感器的中间层印刷电路板的下面板结构为实现N²块裸露电极的信号输出，考虑到N²路信号走线的困难，拟将中间层电路板设计为多层板结构，为N²路信号走线提供充足的空间，避免因走线空间不足造成的信号串扰问题。

其中的，数字转换芯片组由多片可编程电容数字转换芯片组成，可编程电容数字转换芯片是具有片内环境校准功能的集成式电容-数字转换器(CDC)，须具有多个输入通道，且兼备兼容型串行接口。利用多片可编程数字电容转换芯片组成数字转换芯片组，可完成N²路压力信号和剪切信号的电容信号模数转换，同时可编程电容数字转换芯片可为触觉传感器提供屏蔽信号，缓解触觉传感器共生电容的影响。

其中的，单片机采用STM32系列，主要完成数据传输与数据打包处理的任务，其中数据传输包括CDC与单片机间的数据传输和单片机与PC端的数据传输，而数据打包处理包括4个阶段，具体参考图4，第一阶段实现数据读入与多路信号分割独立化，其中数据读入需遵照数字转换芯片数据手册的寄存器说明，逐路选通读取，最终遍历多个输入端口读入数据，而信号分割要求分割后的每个信号有独立的物理意义，代表一个切向力大小或一个点上的法向力大小；第二阶段实现压力信号阵列式可视化，将每一时刻传入的法向力大小集合按照实际传感器裸露电极排列转换为压力图像矩阵，第三阶段实现力矩数据处理，利用力矩公式将得到的阵列式点集压力信号转换为X、Y向力矩数据并存储；最后一个阶段将每一时刻的压力图像矩阵、切向力与和力矩信号存入一帧数据，每帧数据添加帧头帧尾。

采用上述实施方案，可实现触觉传感器切向力信号与法向力阵列信号的读取与处理，同时可生成力矩信号，完成五自由度高灵敏度阵列式传感器的基本工作需求。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (1)

1.一种高灵敏五自由度阵列式触觉传感器，其特征在于：由上至下，依次由上层印制电路板(11)、剪切电介质层(4)、中间层印刷电路板(12)、正向电介质层(8)和下层印刷电路板(13)组成，其中，

所述的上层印制电路板(11)为双面板，上面板整体覆铜接地，作为传感器的上表面；下面板设置沿斜对角线呈横纵向对称分布的多对条状裸露电极，作为剪切力检测的接地极；

所述的中间层印刷电路板(12)为四面板，上面板设置与所述上层印制电路板(11)下面板镜像的多对条状裸露电极，作为剪切力检测的感应极；下面板设置N²块矩形裸露电极，作为正压力检测的感应极；

所述的下层印制电路板(13)为双面板，上面板设置一大矩形裸露电极，作为正压力检测的接地极；下面板整体覆铜接地，作为传感器的下表面；

所述的剪切电介质层(4)和正向电介质层(8)作为传感器力敏感元件，为一层硅橡胶材质形成的矩形平膜片；

所述的上层印制电路板(11)下面板和中间层印刷电路板(12)上面板设置的多对条状裸露电极为双叉指结构，且上下镜像的双叉指电极在对齐上要求双叉指电极结构有小量的偏移，以在每两个相邻的电容极板之间产生一对差分信号，实现触觉传感器在剪切力方向的超高灵敏度检测，同时抗共模干扰能力大大增强，确保剪切力检测中与正压力的解耦；

所述的正向电介质层(8)为一层稀疏结构的硅像胶，进一步提高触觉传感器正压力灵敏度；剪切电介质层(4)为一层大剪切模量的均匀硅橡胶，进一步提高触觉传感器压力与剪切力灵敏度；

所述的下层印制电路板(13)上面板的大矩形裸露电极面积须略大于所述的中间层印刷电路板(12)的N²块矩形裸露电极的外围面积，保证正压力检测中与剪切力解耦；

所述的上层印制电路板(11)下面板设置的横纵向对称分布的多对条状裸露电极长度须略大于所述中间层印制电路板(12)上面板的电极的长度，可实现剪切力检测电容器的横纵向解耦；

所述的双叉指电极的指状结构宽度须远远大于电容极板间距与双叉指电极正对面宽度的乘积，实现剪切力检测中与正压力解耦能力；

所述的中间层印刷电路板(12)下面板设置N²块矩形裸露电极，呈N×N阵列式分布，可达高分辨率空间力检测，N²路信号布线时保证最短走线路径到达可编程电容数字转换芯片，以减少杂散电容产生；

所述的上层印制电路板(11)、中间层印刷电路板(12)和下层印刷电路板(13)采用印制电路板技术(PCB技术)制作；所述的剪切电介质层(4)和正向电介质层(8)采用MEMS制作工艺技术和倒模技术制备；

所述的中间层印刷电路板(12)嵌入检测电路，中间层印刷电路板(12)四面板的其中两面实现检测电路的布线。

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