CN108731849B - 一种六自由度触觉传感器及其解耦设计方法 - Google Patents

一种六自由度触觉传感器及其解耦设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种六自由度触觉传感器及其解耦设计方法。触觉传感器基于电容传导机理，由剪切力感应单元、扭转感应单元、正压力阵列感应单元组成，可同时感知剪切、空间载荷、扭矩等丰富的多维度信息。本发明以交叉轴灵敏度作为衡量解耦精度标准，以指导传感器结构设计，巧妙地实现各维度力/力矩信息分解到三个分立感应单元，降低解耦难度及提高解耦精度，可独立表征六自由度力/力矩分量。与此同时，通过构造双叉指电极结构和疏松网格状电介质结构，使传感器实现超高灵敏度测量。本发明降低了传感器多维度测量的耦合度与解耦难度，显著提高了解耦效率，实现了六维力/力矩的解耦表征。

Description

一种六自由度触觉传感器及其解耦设计方法
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及其解耦设计方法，尤其是一种基于电容传导方式的六自由度触觉传感器。
背景技术
触觉传感技术在机器人特别是仿生机器人、服务机器人等应用领域起着非常重要的作用，拥有触觉感知能力可使机器人准确敏感地感知外部环境，进而灵活自如地运动，实现与人安全自然的接触交互。随着机器人传感技术的飞速发展，国内外学者纷纷开展对触觉传感器的研究。
仅靠单维触觉传感器不足以向机器人提供丰富的触觉感知信息，为了保证机器人实现安全可靠地抓取目标、准确识别物体表面纹理、控制机械手与目标之间相对滑动等操作，这就要求触觉传感器可同时获取多维力信息，包括剪切力、空间载荷、扭转、剥落力矩等。
目前，研制的触觉传感器基本具备了三轴触觉传感功能，同时为了实现对多维力的精准测量，解决多轴力/力矩之间的串扰效应，国内外学者纷纷提出了基于多种传导机理的多维力触觉感知及解耦方案。
意大利那不勒斯大学的Naples等人提出了一种基于光学测量原理的六自由度力/力矩触觉传感器，并利用神经网络建立传感器电压输出与六轴力/力矩之间映射关系的方案，实现重构力/力矩分量，但这种触觉传感器的精度高度依赖于神经网络训练数据的全面性，易受噪声干扰。日本的Yoshiyuki Hata等人研制了一种四翘翘板电极结构的全差分电容式3轴力触觉传感器，通过分析正压力与法向力引起四组电容的变化差异，建立了传感器解耦矩阵，实现了剪切力与正压力检测。中国科学院合肥物质科学研究院的胡广宇等人申请的专利(CN106482874A)公开了一种正四面体式三维力柔性触觉传感器阵列，利用将三维力作用分解到四面体的三个下侧面上，降低了电阻数据的耦合度，提高解耦效率。上述两例研究中通过设计传感器巧妙结构，解决剪切力与正压力力耦合作用，但仅实现了三维力检测，无法满足触觉传感器对多维力信息同时获取的迫切需求。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种新型的六自由度触觉传感器及解耦设计方法，降低解耦难度及提高解耦精度，实现六维力/力矩同时检测，同时保证结构紧凑，微型化和高度集成化。
本发明为解决技术问题，采用如下的技术方案：
一种六自由度触觉传感器，包括剪切感应单元、扭转感应单元和正压力阵列感应单元；三个感应单元感应机理均基于电容传导，其中，剪切感应单元和正压力感应阵列单元分层堆叠排列，扭转感应单元设置在剪切感应单元中心，与剪切感应单元同层排列；
所述的剪切感应单元包括四份双叉指状电极结构电容器，作为水平X/Y向力检测模块，其中两份电容器的极板呈横向分布，两份呈纵向分布；所述的扭转感应单元为一个圆环状电容器，作为Z向扭矩检测模块，其中上层极板为正弦曲线替代外圆构成的圆环接地极，下层极板为八等分的圆环感应极；所述的正压力阵列感应单元包括2×2阵列排布的4份矩形电容器，作为垂直Z向力和X/Y向力矩检测模块；
所述的剪切感应单元的每份电容器中上下极板形状结构一致，均为双叉指状，且对齐时要求有小量的偏移，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；
所述的上极板双叉指状电极由一份接地梳齿电极和一份有源屏蔽梳齿电极啮合组成，所述的下极板双叉指状电极由两份感应梳齿电极啮合组成；
所述的扭转感应单元的下层极板划分为八等分，每等份对应于上层极板的一个周期的正弦曲线，可提高感测扭转力矩的灵敏度；同时每等份又均分为4份电极，不相邻的两份电极形成一对差分信号；
所述的上层极板为正弦曲线围成的圆环接地极，其中正弦曲线圆环也等分为8个周期；
所述的正压力阵列感应单元由4份矩形电容器以2×2形式排列组成，其中4份电容器的上极板是关于触觉传感器的中心以2×2形式对称排列的4片矩形感应极，而下极板合并为一块大矩形接地极板；
所述的正压力阵列感应单元的电介质层为疏松网格状；
所述的一种六自由度触觉传感器的解耦设计方法包含以下步骤：
步骤1，正压力阵列感应单元的下极板面积略大于上极板的外围面积，保证剪切力与扭转作用时上极板移动不会超过下极板的边界，消除剪切力和扭矩对正压力阵列感应单元的影响；
步骤2，扭转感应单元设计为球对称的正弦圆环结构，可解耦剪切力，与此同时通过检测所述的扭转感应单元输出的4路电容信号，并计算每两份电容的差分值，可消除正压力作用引起的共模信号，仅输出作用于触觉传感器的Z轴扭矩作用引起的电容变化；
步骤3，
通过检测所述的剪切感应单元的四份双叉指状电极结构电容器输出的差分信号，获得与正压力解耦且与X/Y向剪切力和Z轴扭矩相关的的电容变化，再将所述电容变化值减去经扭转感应单元电容变化换算为本结构的电容变化值，得到X/Y向剪切力引起的电容变化，即解耦扭矩与正压力作用。
本发明对比现有技术的有益效果是：
(1)六自由度测量：本发明的六自由度触觉传感器基于电容传导机理，设计了剪切、正压力、扭矩三个分立感应单元，使其实现同时感知剪切力、空间载荷、扭矩等丰富的多维度信息。
(2)高效解耦：本发明的六自由度触觉传感器经交叉轴灵敏度分析，指导传感器结构设计，巧妙地实现将传感器受到的各维度作用力分解到三个分立感应单元，降低了各个单元的耦合度；同时利用差动结构消除共模信号的原理，进一步提高剪切感应单元的解耦效率，从而能够实现六维力/力矩精确测量的目的。
(3)超高灵敏度：本发明的六自由度触觉传感器通过构造所述剪切感应单元的双叉指电极结构和所述正压力阵列感应单元的疏松网格状电介质结构，实现了触觉传感器的超高灵敏度测量。
附图说明
图1为本发明六自由度触觉传感器的结构示意图，其中，1为剪切感应单元，2为扭转感应单元，3为正压力阵列感应单元；
图2为本发明六自由度触觉传感器解耦设计的实施例结构示意图，其中，(a)为剪切感应单元结构解耦设计，(b)为扭转感应单元结构解耦设计，(c)为正压力感应单元结构解耦设计，4为Y向接地极，5为有源屏蔽极，6和7为Y向指状感应极，8和9为X向指状感应极，10为Z向感应极，11为Z向接地极，12-15为扭转单元的感应极，16为扭转单元的接地极；
图3为本发明六自由度触觉传感器的工作原理示意图，(a)为受X向剪切力作用的受力分析图，(b)为受Y向剪切力作用的受力分析图，(c)为受Z向扭转作用的受力分析图，(d)为同时受X向剪切力和Z轴扭矩的受力分析图，(e)为受Z向正压力作用的受力分析图，(f)为受X轴力矩的受力分析图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
实例1：
如图1所示，本实施实例基于六自由度触觉传感器，主要由剪切感应单元1、扭转感应单元2和正压力阵列感应单元3组成，三个感应单元感应机理均基于电容传导。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，从而感测作用于传感器上的正压力Fz、剪切力Fx/Fy、力矩Mz/Mx/My，工作原理图如图3所示。
触觉传感器在剪切力Fx的作用下(如图3中的(a)所示)，X向指状感应极8/9相对于X向接地极产生正负相反的移动，使极板正对面积减小/增大，从而构成一对可感应X向剪切力的差动电极，通过测量X向感应差动信号sensor_x就可以实现对X向剪切力的测量。触觉传感器在剪切力Fy的作用(如图3中的(b)所示)与Fx类似，此处不再赘述。
触觉传感器在逆时针扭矩Tz的作用下(如图3中的(c)所示)，扭转单元的接地极16相对于扭转单元的感应极12-15发生逆时针转动，引起扭转单元电容正对面积变化从而导致扭转信号sensor_tz1—sensor_tz4发生变化，仅通过测量扭转信号sensor_tz1—sensor_tz4可获得扭矩Tz；
触觉传感器在正压力Fz的作用下(如图3中的(e)所示)，引起电介质层的压缩或拉伸，导致z向感应极与z向接地极的间距d发生变化，从而影响电容变化，因此通过测量Z向感应信号sensor_z1—sensor_z4可获得正压力的空间分布。其中疏松网格状电介质层有利于大大提高正压力测量灵敏度。
触觉传感器在力矩Mx/My的作用下(如图3中的(f)所示)，正压力阵列感应单元的各个电容值将产生差异，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。
实例2：
六自由度触觉传感器的解耦设计方法以及具体工作步骤利用一个实例说明，在该实例中，六自由度触觉传感器对外受力，其所受到的力是由三个不同方向的力和一个扭矩合并合成，即X/Y/Z方向的力(Fx/Fy/Fz)与Z向力矩(Tz)。该合力使触觉传感器的三个感应单元的感应极均相对于其接地极发生相应的绕Z向转动、X/Y向移动与Z向压缩/拉伸，经对传感器各单元结构的解耦设计可实现各个单元消除另外力/力矩的影响，解耦设计如图2所示。
其中正压力感应单元3，如图2中的(c)所示，z向接地极11略大于z向感应极10阵列外围尺寸，则此时剪切力Fx/Fy与Z向力矩Tx引起z向感应极10发生左右移动与旋转不致于越过z向接地极11的边界，从而可消除剪切力与扭矩对正压力感应单元的影响，因此正压力感应单元输出信号sensor_z1—sensor_z4可表征独立的正压力Fz分量；
其中扭转感应单元2，如图2中的(b)所示，利用matlab仿真发现采用正弦环状结构作为扭转接地极时，该结构对剪切的敏感度远远小于扭转的敏感度，从而可消除剪切对扭转感应单元的影响；同时，利用扭转信号sensor_tz1—sensor_tz4中两两相位相反的特征，构成两对差动信号sensor_Tz1和sensor_Tz2，可消除正压力引起的共模变化和大大提高扭转检测灵敏度，因此差动信号sensor_Tz1和sensor_Tz2可表征独立的扭矩Tz分量；
其中剪切感应单元1，如图2中的(a)所示，设置双叉指状结构构成两对X/Y向差动信号sensor_x、sensor_y实现对正压力解耦，同时要求X/Y向接地极4和X/Y向有源屏蔽极5长度略大于X/Y向指状感应极6/7/8/9，以保证任一方向剪切力作用时引起另一方向剪切感应极移动不致超越接地极的边界，从而实现X与Y向剪切力相互解耦；与此之外，将差动信号sensor_x、sensor_y剔除掉由扭转感应单元2得到的扭矩分量，得到表征独立剪切力Fx/Fy分量的信号sensor_X/sensor_Y。
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 (6)

1.一种六自由度触觉传感器，包括剪切感应单元、扭转感应单元和正压力阵列感应单元；其特征在于：所述剪切感应单元、扭转感应单元和正压力阵列感应单元感应机理均基于电容传导，其中，剪切感应单元和正压力阵列感应单元分层堆叠排列，扭转感应单元设置在剪切感应单元中心，与剪切感应单元同层排列；
所述剪切感应单元包括四份双叉指状电极结构电容器，作为水平X/Y向力检测模块，其中两份电容器的极板呈横向分布，两份呈纵向分布；所述扭转感应单元为一个圆环状电容器，作为Z向扭矩检测模块，其中上层极板为正弦曲线替代外圆构成的圆环接地极，下层极板为八等分的圆环感应极；所述正压力阵列感应单元包括2×2阵列排布的4份矩形电容器，作为垂直Z向力和X/Y向力矩检测模块。
2.根据权利要求1所述的一种六自由度触觉传感器，其特征在于：所述剪切感应单元中，每份电容器中上极板和下极板形状结构一致，均为双叉指状，且对齐时要求有小量的偏移，以在指状感应电极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；
所述上极板的双叉指状电极由一份接地梳齿电极和一份有源屏蔽梳齿电极啮合组成，所述的下极板的双叉指状电极由两份指状感应电极啮合组成。
3.根据权利要求1所述的一种六自由度触觉传感器，其特征在于：所述扭转感应单元中，下层极板划分为八等分，每等份对应于上层极板的一个周期的正弦曲线，可提高感测扭转力矩的灵敏度；同时每等份又均分为4份电极，不相邻的两份电极形成一对差分信号；
所述的上层极板为正弦曲线围成的圆环接地极，其中正弦曲线圆环也等分为8个周期。
4.根据权利要求1所述的一种六自由度触觉传感器，其特征在于：所述正压力阵列感应单元中，4份矩形电容器的上极板是关于触觉传感器的中心以2×2形式对称排列的4片矩形感应极，而下极板合并为一块大矩形接地极板。
5.根据权利要求1所述的一种六自由度触觉传感器，其特征在于：所述正压力阵列感应单元的电介质层为疏松网格状。
6.一种如权利要求1所述的六自由度触觉传感器的解耦设计方法，其特征在于，解耦设计方法包含以下步骤：
步骤1，正压力阵列感应单元的下极板面积略大于上极板的外围面积，保证剪切力与扭转作用时上极板移动不会超过下极板的边界，消除剪切力和扭矩对正压力阵列感应单元的影响；
步骤2，扭转感应单元设计为球对称的正弦圆环结构，可解耦剪切力，与此同时通过检测所述的扭转感应单元输出的4路电容信号，并计算每两份电容的差分值，可消除正压力作用引起的共模信号，仅输出作用于触觉传感器的Z轴扭矩作用引起的电容变化；
步骤3，通过检测所述的剪切感应单元的四份双叉指状电极结构电容器输出的差分信号，获得与正压力解耦且与X/Y向剪切力和Z轴扭矩相关的电容变化，再将所述电容变化值减去经扭转感应单元电容变化换算为电容变化值，得到X/Y向剪切力引起的电容变化，即解耦扭矩与正压力作用。
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