CN109060200B - 一种平面阵列式剪切力触觉传感器及剪切力参数检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面阵列式剪切力触觉传感器及剪切力参数检测方法。该传感器包括压电多聚物、上层基板和下层基板；所述压电多聚物为完全相同的若干个，呈阵列排布，上下左右方向上相邻两个压电多聚物之间的距离相同；所有压电多聚物均匀固定在上层基板和下层基板之间；在上层基板下表面和下层基板上表面与压电多聚物接触的位置涂覆有导电材料，压电多聚物通过导电材料与外部的电荷放大器连接。该方法基于所述平面阵列式剪切力触觉传感器，能同时检测到剪切力的大小、方向和作用位置。本传感器整体采用平面结构，结构简单，灵敏度高，制作周期短，性能稳定，使用寿命长，易于推广。

Description

一种平面阵列式剪切力触觉传感器及剪切力参数检测方法

技术领域

本发明涉及触觉传感器领域，具体是一种平面阵列式剪切力触觉传感器及剪切力参数检测方法。

背景技术

触觉传感器是人类和智能机器人感受外界环境的有效途径，触觉感知对于操作、探测、响应三种行为必不可少，触觉对于智能机器人操作的重要性在精细动作中体现最为明显。触觉感知，可以让机器人连续的接收关于材料和表面特征的触觉信息，如硬度、热传导性、摩擦力、粗糙度等，以帮助其更好的识别物体。随着时代的进步，触觉传感器在健康医疗、体育、机器人等领域应用日益广泛。

机器人完成抓取、夹持等动作时，需要通过触觉传感器检测机械手与接触界面间的三维力信息，通过控制夹持力来完成抓取和操作任务。然而目前大多数传感器只能检测正压力，不能检测机械手与接触面之间的剪切力，或者只能检测剪切力的方向，不能检测剪切力的大小和位置，这不利于机器人准确高效的工作。研究一种能检测剪切力的触觉传感器，包括检测剪切力的大小、方向和作用位置，对机器人的发展具有十分重要的意义。

申请号为201710170984.1的文献公开了一种金字塔结构的滑觉触觉传感器，包括上下两层印刷有感应电极的电路板，带有金字塔结构的介电层和PDMS半球性触头。该传感器仅能检测剪切力的方向，不能对剪切力的大小和作用位置进行判断，且该传感器结构设计复杂，制作过程繁琐，实际应用性不足。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种平面阵列式剪切力触觉传感器及剪切力参数检测方法。

本发明解决所述传感器技术问题的技术方案是，提供一种平面阵列式剪切力触觉传感器，其特征在于该传感器包括压电多聚物、上层基板和下层基板；所述压电多聚物为完全相同的若干个，呈阵列排布，上下左右方向上相邻两个压电多聚物之间的距离相同；所有压电多聚物均匀固定在上层基板和下层基板之间；在上层基板下表面和下层基板上表面与压电多聚物接触的位置涂覆有导电材料，压电多聚物通过导电材料与外部的电荷放大器连接。

本发明解决所述方法技术问题的技术方案是，提供一种剪切力参数检测方法，该方法基于所述平面阵列式剪切力触觉传感器；剪切力参数包括大小、方向和作用位置；

检测剪切力大小的方法：当有剪切力作用时，所有的压电多聚物都有电荷输出；当剪切力的大小变化时，所有的压电多聚物输出的电荷也随之变化；当剪切力增大时，输出的电荷也增大，反之则减小；通过对所有的压电多聚物输出的电荷与剪切力进行标定来检测剪切力的大小；

检测剪切力方向的方法：当有剪切力作用时，所有的压电多聚物都有电荷输出；对所有压电多聚物输出的电荷值两两做代数差，代数差值最大的两个压电多聚物的连线方向为剪切力的作用方向，再通过代数差值的正负确定剪切力方向的指向；

检测剪切力作用位置的方法：当有剪切力作用时，根据所有压电聚合物的输出电荷量的大小来判断剪切力的作用位置；输出电荷量最大的位置为剪切力作用位置。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1.本传感器与普通的传感器相比，能同时检测到剪切力的大小、方向和作用位置，提高了传感器的适用性。

2.本传感器所用的基板材料可以选用柔性材料，使其能够应用在曲面中，进一步拓展了其应用范围。

3.本传感器所用的压电多聚物选择多样化，可以是硬质压电多聚物或者柔性压电多聚物，具体选材可根据实际需要而定。

4.本传感器的尺寸不限，可根据实际需要自行制作。

5.本传感器整体采用平面结构，结构简单，灵敏度高，制作周期短，性能稳定，使用寿命长，易于推广。

6.使用导电材料布线方便，避免采用导线，因导线自身占用面积使得传感器结构不平整，影响输出结果。

附图说明

图1为本发明平面阵列式剪切力触觉传感器及剪切力参数检测方法一种实施例的整体结构俯视示意图。

图2为本发明平面阵列式剪切力触觉传感器及剪切力参数检测方法一种实施例的整体结构主视截面示意图。

图3为本发明平面阵列式剪切力触觉传感器及剪切力参数检测方法实施例1的原理图。

图4为本发明平面阵列式剪切力触觉传感器及剪切力参数检测方法实施例2的原理图。

图5为本发明平面阵列式剪切力触觉传感器及剪切力参数检测方法实施例2的检测剪切力大小及作用位置的实验结果图。

图6为本发明平面阵列式剪切力触觉传感器及剪切力参数检测方法实施例2的检测剪切力方向的实验结果图。(图中：1、压电多聚物；2、上层基板；3、下层基板)

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种平面阵列式剪切力触觉传感器(简称传感器，参见图1-2)，其特征在于该传感器包括压电多聚物1、上层基板2和下层基板3；所述压电多聚物1为完全相同的若干个，呈阵列排布，上下左右方向上相邻两个压电多聚物1之间的距离相同；所有压电多聚物1均匀固定在上层基板2和下层基板3之间，形成三层结构，三层结构紧密接触；在上层基板2下表面和下层基板3上表面与压电多聚物1接触的位置采用丝网印刷技术涂覆有导电材料，压电多聚物1通过导电材料与外部的电荷放大器连接；

所述压电多聚物1为压电陶瓷或上下表面镀有电极的PVDF压电薄膜(以保证PVDF薄膜由于极化产生的电荷能够传输)，厚度不大于500um；

所述上层基板2和下层基板3均为平面结构，两者尺寸相同，厚度不大于4mm；上层基板2和下层基板3之间的界面的横截面呈平面状态；

所述上层基板2和下层基板3的材料为柔性材料，可以是柔性树脂或者柔性橡胶等容易变形的材料，优选PI绝缘薄膜或者PET绝缘薄膜；

所述导电材料为丝印型油墨，具体是导电银浆油墨或导电石墨烯油墨。

本发明同时提供了一种剪切力参数检测方法(简称方法)，该方法基于所述平面阵列式剪切力触觉传感器；剪切力参数包括大小、方向和作用位置；

检测剪切力大小的方法：当某个位置有剪切力作用时，所有的压电多聚物1都有电荷输出；当剪切力的大小变化时，所有的压电多聚物1输出的电荷也随之变化；当剪切力增大时，输出的电荷也增大，反之则减小；通过对所有的压电多聚物1输出的电荷与剪切力进行标定来检测剪切力的大小；

检测剪切力方向的方法：当有剪切力作用时，所有的压电多聚物1都有电荷输出；对所有压电多聚物1输出的电荷值两两做代数差，代数差值最大的两个压电多聚物的连线方向为剪切力的作用方向，再通过代数差值的正负确定剪切力方向的指向；

检测剪切力作用位置的方法：当有剪切力作用时，根据所有压电聚合物的输出电荷量的大小来判断剪切力的作用位置；输出电荷量最大的位置为剪切力作用位置。

本发明平面阵列式剪切力触觉传感器的工作原理是：压电多聚物1阵列式置于上；基板2和下层基板3中，三层结构紧密接触。当上层基板2表面有剪切力作用时，上层基板2会产生微小的形变，上层基板2的变形会带动中间压电多聚物1的变形，压电多聚物1会因形变发生极化现象，从而产生电荷信号。

实施例1

本实施例中压电多聚物1的个数为16个，4×4均匀布置，分别编号为1’、2’、3’、4’、5’、6’、7’、8’、9’、10’、11’、12’、13’、14’、15’和16’；

检测剪切力大小的方法：图3中的位置处有剪切力F作用时，编号1’-16’的压电多聚物都有电荷输出。当剪切力的大小变化时，各个编号的压电多聚物输出的电荷也随之变化，当剪切力增大时，输出的电荷也增大，反之则减小。通过对压电多聚物输出的电荷与剪切力进行标定来检测剪切力的大小。

检测剪切力方向的方法：图3中的位置处有剪切力F作用时，所有的压电多聚物1都有电荷输出，对所有压电多聚物1输出的电荷值两两做代数差，代数差值最大的两个压电多聚物的连线方向为剪切力的作用方向，再通过代数差值的正负确定剪切力方向的指向；如图3中所示剪切力作用线方向为7’-1’方向，再通过对比7’-1’的电荷输出代数差值与1’-7’的电荷输出代数差值的正负，确定剪切力的方向指向即差为正数的，故图3中剪切力方向为7’指向1’的方向。

检测剪切力作用位置的方法：图3中的编号7’上表面有剪切力作用时，编号7’的压电多聚物的变形量最大，所以编号7’压电聚合物输出的电荷值最大，所以该位置为剪切力作用的位置。

实施例2

本实施例中压电多聚物1的个数为4个，2×2均匀布置，分别编号为1”，2”，3”和4”；压电多聚物1采用上下表面镀有电极的PVDF压电薄膜；

编号1”的压电多聚物的电荷量对应图5中的电荷1，编号2”的压电多聚物的电荷量对应图5中的电荷2，编号3”的压电多聚物的电荷量对应图5中的电荷3，编号4”的压电多聚物的电荷量对应图5中的电荷4。图5所示实施例表明，各个压电多聚物1输出的电荷均随剪切力的增大而增大。编号2”压电多聚物输出的电荷值最大，即剪切力作用位置接近该处。

电荷13表示编号1”的压电多聚物电荷值与编号3”的压电多聚物电荷值两两做代数差，结果为正数则表明由1”指向3”，结果为负数则表明由3”指向1”。其他电荷的意义以此类推。图6所示实施例表明，1”和3”两片压电多聚物的电荷输出差值最大，且代数值为正，即剪切力方向沿1”-3”方向，由1”指向3”。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (7)

1.一种平面阵列式剪切力触觉传感器，其特征在于该传感器包括压电多聚物、上层基板和下层基板；所述压电多聚物为完全相同的若干个，呈阵列排布，上下左右方向上相邻两个压电多聚物之间的距离相同；所有压电多聚物均匀固定在上层基板和下层基板之间；在上层基板下表面和下层基板上表面与压电多聚物接触的位置涂覆有导电材料，压电多聚物通过导电材料与外部的电荷放大器连接。

2.根据权利要求1所述的平面阵列式剪切力触觉传感器，其特征在于所述压电多聚物为压电陶瓷或上下表面镀有电极的PVDF压电薄膜；压电多聚物厚度不大于500um。

3.根据权利要求1所述的平面阵列式剪切力触觉传感器，其特征在于所述上层基板和下层基板均为平面结构，两者尺寸相同，上层基板和下层基板的厚度均不大于4mm；上层基板和下层基板之间的界面的横截面呈平面状态。

4.根据权利要求1所述的平面阵列式剪切力触觉传感器，其特征在于所述上层基板和下层基板的材料为柔性树脂、柔性橡胶、PI绝缘薄膜或者PET绝缘薄膜。

5.根据权利要求1所述的平面阵列式剪切力触觉传感器，其特征在于所述导电材料为丝印型油墨。

6.根据权利要求5所述的平面阵列式剪切力触觉传感器，其特征在于所述导电材料是导电银浆油墨或导电石墨烯油墨。

7.一种剪切力参数检测方法，该方法基于权利要求1-6任一所述平面阵列式剪切力触觉传感器；剪切力参数包括大小、方向和作用位置；

检测剪切力大小的方法：当有剪切力作用时，所有的压电多聚物都有电荷输出；当剪切力的大小变化时，所有的压电多聚物输出的电荷也随之变化；当剪切力增大时，输出的电荷也增大，反之则减小；通过对所有的压电多聚物输出的电荷与剪切力进行标定来检测剪切力的大小；

检测剪切力方向的方法：当有剪切力作用时，所有的压电多聚物都有电荷输出；对所有压电多聚物输出的电荷值两两做代数差，代数差值最大的两个压电多聚物的连线方向为剪切力的作用方向，再通过代数差值的正负确定剪切力方向的指向；

检测剪切力作用位置的方法：当有剪切力作用时，根据所有压电聚合物的输出电荷量的大小来判断剪切力的作用位置；输出电荷量最大的位置为剪切力作用位置。