CN108917844A - 一种双模检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种双模检测装置，该装置包括多个传感器单元，传感器单元通过侧边的通过互连线连接，传感器单元包括凹凸层，顶部电极层，绝缘层，分隔层及底部电极层，铜电极嵌入在顶部电极层及底部电极层中，凹凸层中部有凸出的按压块；顶部及底部电极层的铜电极包括正方形的基体部及伸长带，顶部和底部钢电极彼此交叉并且独立，为可单独寻址的单元电容器。该检测装置结构设计合理，数据检测及传感信息准确，通用性强，负荷能力高，安装方便，功能完备。
Description
技术领域
本发明涉及工业检测领域，特别是涉及一种双模检测装置。
背景技术
辅助机器人通过操纵部件来处理物体，可代替人类灵活地与物体进行交互。在实际生产中，辅助机器人不仅需要检测机械手上的触觉信息，还需获取物体或障碍物接近时的接近信息。触觉信息可有助于机械手灵活处理物体，而接近信息有助于防止意外碰撞。现有技术中，采用触觉及接近传感器分别感应触觉及接近信息，其缺陷是附件多、安装复杂、控制系统复杂，成本高。
接近传感器已广泛用于工业中的各种应用，特别是用于制造环境中的机电一体化系统，用于避免碰撞，实现精确装配或抓握。现有的接近传感器的类型包括超声波，光学，电感和电容传感器等。光学及可用于抓取，组装和位置控制，然而光学传感器高成本、尺寸大，常适用于专业应用，例如航天飞机及精密仪器等。超声反射模式触摸开关对织物的敏感性低，对稳定接触力的，对缓慢增大或减小的力的灵敏性不高，对外部振动或机械震动的敏感性低。
发明内容
为解决上述问题，本发明旨在提供一种双模检测装置，该检测装置结构设计合理，数据检测及传感信息准确，通用性强，负荷能力高，安装方便，功能完备。
本发明的具体技术方案为：双模检测装置包括多个传感器单元，传感器单元通过侧边的通过互连线连接，传感器单元包括凹凸层，顶部电极层，绝缘层，分隔层及底部电极层，铜电极嵌入在顶部电极层及底部电极层中，凹凸层中部有凸出的按压块；顶部及底部电极层的铜电极包括正方形的基体部及伸长带，顶部和底部钢电极彼此交叉并且独立，为可单独寻址的单元电容器。
进一步地，顶部电极层的铜电极包括正方形的基体部及沿平面X方向或Y方向向基体部两侧延伸的伸长带，底部电极层的铜电极包括正方形的基体部，及在水平面与顶部电极层的铜电极的伸长带方向相垂直方向向基体部两侧延伸的伸长带。
进一步地，分隔层中部设置有的矩形孔。
进一步地，双模检测装置连接模拟开关，解码器与模拟开关相连接，解码信号经过放大器输入到控制软件处，信号发生器与模拟开关相连接。
进一步地，传感器单元设置有16列，每列设置16个，传感器单元顶部及底部电极层分别有16个条带。
进一步地，在接近感应模式中，顶部电极层16个条带中的8个条带与信号发生器相连接，另外8个通过信号放大器连接到数据采集器，所有底部电极层通过行开关阵列连接到参考电压；在触觉感应模式中，顶部及底部电极层通过模拟开关连接到触码器，输出触觉扫描图像。
进一步地，传感器单元中的凹凸层，顶部电极层，绝缘层，分隔层及底部电极层的厚度分别为50μm，470μm，6μm，6μm，及320μm。
进一步地，分隔层中部的孔为边长为600μm的正方形，为600*600μm2，铜电极的基体形状为边长为400μm的正方形。
进一步地，传感单元之间间距为1毫米。
本发明与现有技术相比可实现以下有益效果：
双模传感器可应用于高精度的工业检测装置中，在同一传感器平台中重新配置电极连接可以实现两种检测能力，减轻了设置多传感器所需的硬件负担，减轻了负载的重量，体积和设备数量。
本发明中的传感器可以检测大覆盖范围内大多数障碍物的存在，可用于感应多种不同材料的物体，且检测结果接近于真实数据，检测数据可靠，可广泛应用于机器人领域中。
附图说明
图1为传感器阵列的组成结构图
图2为双模传感器的结构示意图；
图3为双模传感器的电极连接方式示意图；
图4a为双模传感器在接近模式中检测原理图；
图4b为双模传感器在触觉模式中检测原理图；
图5为双模操作的电路系统框图；
图6为用于检测传感器的接近感测能力的电路图；
图7为不同距离所测量的传感器电容变化量及模拟变化量；
图8为各种材料在不同距离所测量的电容变化量。
具体实施方式
结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
参阅图1，双模传感器装置包括16*16个传感器单元组成，传感器之间通过侧边的通过互连线连接，形成扩展的大面积覆盖的传感器阵列。传感单元之间间距为1毫米。每个传感器单元均为模块化结构，如图2所示，包括五层聚二甲硅氧烷层(PDMS)，由上至下分别为凹凸层1，顶部电极层2，绝缘层3，分隔层4及底部电极层5，五个单独的聚合物层通过粘合形成传感器单元。铜电极7、8嵌入在顶部电极层及底部电极层中。顶部电极层及底部电极形成用于触觉感测的电容器，并通过空气和绝缘层分开。凹凸层1中部有凸出的按压块6。根据产品数据表查得PDMS的相对介电常数为2.75，传感器单元的初始电容估计为171fF。当接触压力施加到凸块时，上部的PDMS层产生变形，电容量增加，直到气隙空间完全闭合。
传感器中的凹凸层，顶部电极层，绝缘层，分隔层及底部电极层的厚度分别为50μm，470μm，6μm，6μm，及320μm。隔离层厚度为绝缘层及分隔层的厚度之和，为12μm。分隔层中部设置有600*600μm2的矩形孔，铜电极的尺寸为400*400μm2。
传感器单元顶部电极层的铜电极包括正方形的基体部及沿平面X方向或Y方向向两侧延伸的伸长带，底部电极层的铜电极包括正方形的基体部，及在水平面与顶部电极层的铜电极的伸长带方向相垂直方向延伸的伸长带。如图3所示，传感器单元顶部电极层形成了16个条带，在底部电极层中形成了另外16个条带。顶部和底部铜条彼此交叉并且独立，形成可以单独寻址的单元电容器。
如图4a所示，在接近模式中，当物体接近时，会引起传感器单元顶部电极中的边缘电容变化。测量对象为监测两组顶部电极之间的边缘电容。如图4b所示，在触觉模式，当物体接触传感器单元时，也会引起触觉电池中的电容变化。测量对象为传感器单元中顶部电极和底部电极之间的电容。
如图5所示，为双模操作的电路系统框图。双模检测传感器分别连接模拟开关，解码器与模拟开关相连接，解码信号经过放大器输入到控制软件处。模拟开关包括行开关阵列及列开关阵列。模拟开关根据控制器的控制信号将传感器电极连接到触觉模式或接近模式。根据使用现场可编程门阵列(FPGA)实现的控制器产生定时控制和开关信号。信号发生器用于采集物体信号。数据采集板为PCB供电。
在接近感应模式中，顶部电极层16个条带中的8个条带与外部信号发生器相连接，另外8个通过信号放大器连接到数据采集器，所有底部电极层通过行开关阵列连接到参考电压。在触觉感应模式中，上下电极通过开关阵列均连接到行触码器及列解码器上，用于对触觉图像进行扫描。
控制软件用于控制两种模式的自动切换。当传感器处于接近感应模式时，持续监测传感器与物体的接近度，一旦接近的物体在接近信号的预设阈值水平时，系统切换到触觉感应模式并开始读出触觉信息。物体与传感器的接近度通过自动检测接触信号及接近信号计算得出。当物体在预设阈值水平内，控制系统返回接近感应模式。控制软件可同时显示触觉图像及接近信息。
如图6所示，为用于检测传感器的接近感测能力的电路，包括电荷放大器电路和数字锁定放大器。传感器输入信号采用250kHz正弦信号。屏蔽板设置于传感器背面，可阻挡来自传感器背面的干扰电场，屏蔽板通过缓冲器固定到参考电压(2.5V)。
传感器的模拟电容值为16pF，初始电容值为13pF。图7显示了不同距离所测量的电容变化量及模拟变化量。由图中可看出，电容的测量值与模拟值相差不大，电容的电容变化符合预期的要求。图8显示了由各种材料在不同距离所测量的电容变化量。可以看出，不同的的材料接触传感器时，并不影响到的传感器的电容变化，进一步证明传感器的稳定性及有效性。
本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (9)
1.一种双模检测装置，该装置包括多个传感器单元，传感器单元通过侧边的通过互连线连接，其特征在于：传感器单元包括凹凸层，顶部电极层，绝缘层，分隔层及底部电极层，铜电极嵌入在顶部电极层及底部电极层中，凹凸层中部有凸出的按压块；顶部及底部电极层的铜电极包括正方形的基体部及伸长带，顶部和底部钢电极彼此交叉并且独立，为可单独寻址的单元电容器。
2.一种根据权利要求1所述的一种双模检测装置，其特征在于：顶部电极层的铜电极包括正方形的基体部及沿平面X方向或Y方向向基体部两侧延伸的伸长带，底部电极层的铜电极包括正方形的基体部，及在水平面与顶部电极层的铜电极的伸长带方向相垂直方向向基体部两侧延伸的伸长带。
3.一种根据权利要求2所述的一种双模检测装置，其特征在于：分隔层中部设置有的矩形孔。
4.一种根据权利要求3所述的一种双模检测装置，其特征在于：双模检测装置连接模拟开关，解码器与模拟开关相连接，解码信号经过放大器输入到控制软件处，信号发生器与模拟开关相连接。
5.一种根据权利要求4所述的一种双模检测装置，其特征在于：传感器单元设置有16列，每列设置16个，传感器单元顶部及底部电极层分别有16个条带。
6.一种根据权利要求5所述的一种双模检测装置，其特征在于：在接近感应模式中，顶部电极层16个条带中的8个条带与信号发生器相连接，另外8个通过信号放大器连接到数据采集器，所有底部电极层通过行开关阵列连接到参考电压；在触觉感应模式中，顶部及底部电极层通过模拟开关连接到触码器，输出触觉扫描图像。
7.一种根据权利要求6所述的一种双模检测装置，其特征在于：传感器单元中的凹凸层，顶部电极层，绝缘层，分隔层及底部电极层的厚度分别为50μm，470μm，6μm，6μm，及320μm。
8.一种根据权利要求7所述的一种双模检测装置，其特征在于：分隔层中部的孔为边长为600μm的正方形，为600*600μm2，铜电极的基体形状为边长为400μm的正方形。
9.一种根据权利要求8所述的一种双模检测装置，其特征在于：传感单元之间间距为1毫米。
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