CN109470386B - 一种力/位触觉传感器检测系统及检测方法 - Google Patents

一种力/位触觉传感器检测系统及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种力/位触觉传感器检测系统及检测方法，包括力/位触觉传感器、激励源、模拟开关、信号处理电路、模数转换器和控制器；所述激励源通过模拟开关与所述力/位触觉传感器电性相连；信号处理电路也通过模拟开关与力/位触觉传感器电性相连；控制器与所述模拟开关电性相连，用以控制所述模拟开关的切换状态，进而切换所述力/位触觉传感器的激励电极组与激励源和信号处理电路的连接；信号处理电路经模数转换器连接至所述控制器，信号处理电路还连接至所述激励源。本发明只需通过对两组激励电极分时施加激励源，就能采集到压力和位置的电压信号，成本低，大大缩减了检测周期，并能有效地将输出信号换算成实际受压位置坐标和压力大小。

Description

一种力/位触觉传感器检测系统及检测方法
技术领域
本发明涉及传感技术领域，特别是一种力/位触觉传感器检测系统及检测方法。
背景技术
随着智能机器人技术的不断发展，触觉传感器在机器人中的应用越来越广泛。研制出可以模拟人体五官感知功能的柔性触觉传感器是实现机器人智能化的关键环节。机器人通过包覆在外表面的触觉传感器实现与周围环境的交互，获取与外界事物接触的信息并及时反馈，可以保证机器人最基本的人机交互安全性要求。随着新型传感材料和微电子技术的发展，国内外触觉传感技术均取得不错的进展，实现了从刚性传感器向柔性传感器的转变。
专利(CN104034459)发明了一种光学柔性二维切向力触觉传感器。该传感器主要包括光源层，聚合物柔性传导层和光电探测层。通过柔性传导层受切向力后产生的形变位移，引起照射在光电探测器的光电流发生改变，并计算光电流的相对变化量就能换算出二维切向力的大小和方向。但其需要集成1个激光发射器和4个光电探测器，整个传感器系统成本较高，且检测精度容易受到外界光源影响，不适合大面积的传感检测。
专利(CN104729769)发明了一种基于电活性聚合物的分布式柔性压力传感器。该传感器利用电活性聚合物的变形引起电容值的改变来实现压力检测。每一个传感单元是由电活性聚合物构成半球壳结构的密闭空间，其内外表面均涂敷电极层，再将多个传感单元呈阵列式布置在铝箔层的底板上，由信号采集电路通过行列扫描的方式获取压力信号。虽然阵列式传感器的每个传感单元的检测精度很高，但是由于每个传感单元并不是完全连续的，存在检测盲区，且随着传感单元的增加，输入输出引线繁多，以致于检测系统在大面积检测时所要处理的数据量太大，影响检测的实时性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种力/位触觉传感器检测系统及检测方法，该检测系统只需通过对两组激励电极分时施加激励源，就能采集到压力和位置的电压信号，成本低，大大缩减了检测周期，并能有效地将输出信号换算成实际受压位置坐标和压力大小。
本发明采用以下方案实现：一种力/位触觉传感器检测系统，包括力/位触觉传感器、激励源、模拟开关、信号处理电路、模数转换器和控制器；
所述力/位触觉传感器包括上匀强电场层、压力检测层和下匀强电场层；所述上匀强电场层、下匀强电场层均由绝缘衬底层、ITO膜和导电线组成；所述上匀强电场层的ITO膜上设置有一组平行导电线X+、X-，所述下匀强电场层的ITO膜上设置有一组平行导电线Y+、Y-，两组平行导线上分别设置激励电极组X和Y，并与ITO膜电接触；
所述激励源通过模拟开关与所述力/位触觉传感器电性相连；所述信号处理电路也通过模拟开关与所述力/位触觉传感器电性相连；所述控制器与所述模拟开关电性相连，用以控制所述模拟开关的切换状态，进而切换所述力/位触觉传感器的激励电极组与激励源和信号处理电路的连接；所述信号处理电路经模数转换器连接至所述控制器，所述信号处理电路还连接至所述激励源。
较佳的，所述模拟开关为多路模拟开关，所述激励源包括恒流源与恒压源；所述上匀强电场层的导电线X+通过模拟开关，一路与X方向的恒流源一端相连，另一路串联一个固定分压电阻RG连接到恒压源正极，同时连接信号处理电路；所述上匀强电场层的导电线X-通过模拟开关与X方向的恒流源另一端相连，同时连接信号处理电路；所述下匀强电场层导电线Y+通过模拟开关，一路与Y方向的恒流源一端相连，另一路连接到恒压源负极，同时连接信号处理电路；所述下匀强电场层的导电线Y-通过模拟开关与Y方向的恒流源另一端相连，同时连接信号处理电路。
进一步地，所述压力检测层是由具有压阻特性的力敏油墨薄膜构成。
进一步地，还包括与控制器电性相连的通信电路，所述控制器通过所述通信电路连接至上位机，与上位机进行交互。
进一步地，所述信号处理电路包括单端放大电路、差分放大电路、电压跟随器和滤波电路。
进一步地，还包括与模数转换器电性相连的基准电压电路。
本发明还提出了一种基于上文所述的一种力/位触觉传感器检测系统的检测方法，其中，其位置检测的原理是基于匀强电场场强处处相等；压力检测的原理是基于力敏油墨薄膜的压阻效应，薄膜的等效电阻在一定范围内随着所受压力大小而改变。具体包括以下步骤：
步骤S1：由所述激励源生成一恒定电压，控制器通过模拟开关选择，连接上匀强电场层导电线X+和下匀强电场层导电线Y+，在导电线X+上获取与固定分压电阻RG串联分压后的电压值，记为US；如果该电压达到基准电压，则判定为所述力/位触觉传感器未受按压，重复步骤S1；如果该电压小于基准电压，则判定为所述力/位触觉传感器已受压，保存该电压值US，并进入步骤S2；
步骤S2：由激励源生成一恒定电流，控制器控制模拟开关连接上匀强电场层的导电线上的激励电极组X；
步骤S3：控制器通过模数转换器获取经过信号处理电路后下匀强电场层导电线Y+上的电压大小Vx以及上匀强电场层导电线间的电压大小UX；
步骤S4：控制器将模拟开关切换连接下匀强电场层的导电线上的激励电极组Y；
步骤S5：控制器通过模数转换器获取经过信号处理电路后上匀强电场层导电线X+上的电压大小Vy以及下匀强电场层导电线间的电压大小UY；
步骤S6：对于压力检测，按如下公式计算压力检测层(力敏油墨薄膜)的等效电阻RS，根据标定好的F-RS曲线求得按压所施加的压力：
Figure BDA0001859192850000041
式中，Ucc为所施加的恒压源电压值，RG为所选取的合适的固定分压电阻，US为分压得到的压力信号；
对于位置检测，按如下公式分别计算出X、Y方向的坐标比例系数Kx、Ky；再根据传感器实际尺寸计算按压位置x、y：
Figure BDA0001859192850000042
Figure BDA0001859192850000043
x＝KxLx；
y＝KyLy；
式中，Lx、Ly分别为上、下匀强电场层两导电线间的间距。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
1、本发明的检测系统只需连接力/位传感器的四根引出线就能采集出按压位置和压力大小的电压信号。其检测周期短，系统结构简洁，硬件尺寸小，易于集成化；
2、本发明检测系统采用多路模拟开关对压力检测和X、Y方向的位置检测进行分时切换，避免三种信号由于激励电极组复用产生干扰。
3、本发明采用恒流源来构造位置检测所需的匀强电场，改善了恒压源作为激励源存在的温漂现象，提高传感器的位置检测精度。
附图说明
图1为本发明实施例的系统原理示意图。
图2为本发明实施例的检测流程示意图。
图3为本发明实施例的压力检测原理示意图。
图4为本发明实施例的位置检测原理示意图。
图5为本发明实施例的上位机界面图。
图6为本发明实施例的力/位触觉传感器结构示意图。
图7为本发明实施例的上均匀电场层结构简图；
图8为本发明实施例的下均匀电场层结构简图；
图9为本发明实施例中受压时的结构截面图。
图10为本发明实施例中压力检测原理图。
图11为本发明实施例中位置检测原理图。
图中，1-上匀强电场层、2-压力检测层、3-下匀强电场层、4-夹气层、5-封装胶、6-导电通路、7-压力显示条、8-位置显示窗口、9-按压指示灯，11-上匀强电场层的ITO膜，12-上匀强电场层的导电线，13-上匀强电场层的过孔，14-激励电极组X端口，15-X方向电场线，16-X方向等势线，21-绝缘高分子聚合物，22-高导电纳米炭黑粒子，31-下匀强电场层的ITO膜，32-下匀强电场层的导电线，33-下匀强电场层的过孔，34-激励电极组Y端口，35-Y方向电场线，36-Y方向等势线。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本实施例提供了一种力/位触觉传感器检测系统，包括力/位触觉传感器、激励源、模拟开关、信号处理电路、模数转换器和控制器；所述激励源提供构建X、Y方向匀强电场所需的恒流源和压力检测所需的恒压源；
所述力/位触觉传感器包括上匀强电场层、压力检测层和下匀强电场层；所述上匀强电场层、下匀强电场层均由绝缘衬底层、ITO膜和导电线组成；所述上匀强电场层的ITO膜上设置有一组平行导电线X+、X-，所述下匀强电场层的ITO膜上设置有一组平行导电线Y+、Y-，两组平行导线上分别设置激励电极组X和Y，并与ITO膜电接触；
所述激励源通过模拟开关与所述力/位触觉传感器电性相连；所述信号处理电路也通过模拟开关与所述力/位触觉传感器电性相连；所述控制器与所述模拟开关电性相连，用以控制所述模拟开关的切换状态，进而切换所述力/位触觉传感器的激励电极组与激励源和信号处理电路的连接；所述信号处理电路经模数转换器连接至所述控制器，所述信号处理电路连接至所述激励源。
较佳的，如图1所示，所述模拟开关为多路模拟开关，所述激励源包括恒压源与恒流源。所述上匀强电场层1的导电线X+通过模拟开关，一路与X方向的恒流源一端相连，另一路串联一个固定分压电阻RG连接到恒压源正极，同时连接信号处理电路；所述导电线X-通过模拟开关与X方向的恒流源另一端相连，同时连接信号处理电路；所述下匀强电场层3导电线Y+通过模拟开关，一路与Y方向的恒流源一端相连，另一路连接到恒压源负极，同时连接信号处理电路；所述导电线Y-通过模拟开关与Y方向的恒流源另一端相连，同时连接信号处理电路。
较佳的，在本实施例中，为了防止因传感器激励电极组复用引起的干扰，采用多路模拟开关进行切换，分时对信号采集检测。
在本实施例中，所述压力检测层是由具有压阻特性的力敏油墨薄膜构成。
在本实施例中，还包括与控制器电性相连的通信电路，所述控制器通过所述通信电路连接至上位机，与上位机进行交互。
在本实施例中，所述信号处理电路包括单端放大电路、差分放大电路、电压跟随器和滤波电路。
在本实施例中，还包括与模数转换器电性相连的基准电压电路。
较佳的，为了防止经过信号处理电路滤波放大后的传感器信号超出基准电压范围，根据所制成的力/位传感器情况，对信号的放大倍数部分进行适当调整。
特别的，在本实施例中，如图5所示，为了更好地显示实际按压位置和压力大小，上位机采用Labview软件编写人机交互界面,并对数据进一步校准处理并显示。其中，7为压力显示条，8为位置显示窗口，9为按压指示灯。
本实施例还提出了一种基于上文所述的一种力/位触觉传感器检测系统的检测方法，其中，其位置检测的原理是基于匀强电场场强处处相等；压力检测的原理是基于力敏油墨薄膜的压阻效应，薄膜的等效电阻在一定范围内随着所受压力大小而改变。具体包括以下步骤：
步骤S1：由所述激励源生成一恒定电压，控制器通过模拟开关选择，连接上匀强电场层导电线X+和下匀强电场层导电线Y+，在导电线X+上获取与固定分压电阻RG串联分压后的电压值，记为US；如果该电压达到基准电压，则判定为所述力/位触觉传感器未受按压，重复步骤S1；如果该电压小于基准电压，则判定为所述力/位触觉传感器已受压，保存该电压值US，并进入步骤S2；
步骤S2：由激励源生成一恒定电流，控制器控制模拟开关连接上匀强电场层的导电线上的激励电极组X；
步骤S3：控制器通过模数转换器获取经过信号处理电路后下匀强电场层导电线Y+上的电压大小Vx以及上匀强电场层导电线间的电压大小UX；
步骤S4：控制器将模拟开关切换连接下匀强电场层的导电线上的激励电极组Y；
步骤S5：控制器通过模数转换器获取经过信号处理电路后上匀强电场层导电线X+上的电压大小Vy以及下匀强电场层导电线间的电压大小UY；
步骤S6：对于压力检测，按如下公式计算压力检测层(力敏油墨薄膜)的等效电阻RS，根据标定好的F-RS曲线求得按压所施加的压力：
Figure BDA0001859192850000081
式中，Ucc为所施加的恒压源电压值，RG为所选取的合适的固定分压电阻，US为分压得到的压力信号；
对于位置检测，按如下公式分别计算出X、Y方向的坐标比例系数Kx、Ky；再根据传感器实际尺寸计算按压位置x、y：
Figure BDA0001859192850000082
Figure BDA0001859192850000083
x＝KxLx；
y＝KyLy；
式中，Lx、Ly分别为上、下匀强电场层两导电线间的间距。
更加具体的，基于本实施例所述的力/位触觉传感器检测系统，在压力检测时，上、下匀强电场层可看成普通导电层，作为中间力敏油墨薄膜的上下两端电极。由于该薄膜的压阻特性，则可等效为一可变电阻，让其与固定阻值RG的电阻串联，对恒压源进行分压，可测得力敏薄膜两端电压。接着，利用控制器发出控制信号，切换多路模拟开关对上、下匀强电场层两端导电线分时施加恒流源，在ITO膜上构建匀强电场。由于导电线上基本是等电位的，且电势值沿电场方向呈等梯度分布。根据匀强电场电势唯一性定理，通过测量某点电势值，进而求得该点在两端导电线的相对位置。
在本实施例中，力/位触觉传感器的有效区域表面受压，力敏油墨薄膜的电阻值急剧减小，可在其与上、下匀强电场层的接触位置形成导电通路6。当撤掉外力时，由于夹气层4的存在，可以起到分离的效果，如图3所示。本实施例分为压力和位置检测两个过程，位置检测又细分为X，Y方向：
1、接触力测量过程如图3所示，力敏油墨薄膜串联固定电阻RG，施加恒压源Ucc在其两端，上匀强电场层的导电线X+接入运放跟随器获取分压后的电压US。其中，RG根据力敏油墨薄膜电阻值变化范围选取。通过下述公式可求得力敏油墨薄膜的等效电阻值RS，再由标定好的F-曲线，换算出压力值F：
Figure BDA0001859192850000091
2、接触位置测量过程如图4所示，通过控制器切换多路模拟开关，先在上匀强电场层的激励电极组X施加恒流源，测得导电线两端的电压差并经过信号处理电路放大滤波后为UX(即量程电压)，此时下匀强电场层的激励电极组Y作为普通导电引出线，引出接触位置的电势值并经过相同信号处理电路放大滤波为Vx，从而可求得X方向的坐标比例系数Kx，又由上匀强电场层两导电线间的间距，进一步求得实际按压点在X方向的坐标值。
Figure BDA0001859192850000092
x＝KxLx；
接着控制器再次切换多路模拟开关，关断上匀强电场层的恒流源激励，对下匀强电场层的激励电极组Y施加恒流源，测得导电线两端的电压差并经过信号处理电路放大滤波后UY(即量程电压)，此时上匀强电场层的激励电极X组作为普通导电引出线，引出接触位置的电势值并经过相同信号处理电路放大滤波为Vy，从而可求得Y方向的坐标比例系数Ky，又由下匀强电场层两导电线间的间距，进一步求得实际按压点在Y方向的坐标值。
Figure BDA0001859192850000101
y＝KyLy。
特别的，本实施例中所述的力/位触觉传感器具体结构如图6至图11所示。
请参照图6至图11，所述力/位触觉传感器，包括从上到下依次设置上匀强电场层1、压力检测层2和下匀强电场层3；所述上匀强电场层1、压力检测层2和下匀强电场层3的外缘用封装胶5压合封闭；所述上匀强电场层1与压力检测层2之间以及压力检测层2与下匀强电场层3之间均设置有夹气层4；所述上匀强电场层1和下匀强电场层3均由绝缘衬底层、ITO膜和导电线组成，所述ITO膜均匀分布于所述绝缘衬底层一侧；所述导电线分布于ITO膜两端，并与ITO膜电接触。所述上匀强电场层的导电线上设置激励电极组X,并通过过孔13与ITO膜上导电线电接触，还设置有端口14；所述下匀强电场层的导电线上设置激励电极组Y，并通过过孔33与ITO膜上导电线电接触，还设置有端口34。
在本发明一实施例中，所述夹气层在传感器未受压情况下，可以使得上、下匀强电场层与力敏油墨薄膜分离。而在传感器受压时，由于挤压夹气层，使得上、下匀强电场层与力敏油墨薄膜在受压位置接触形成导电通路6。
在本发明一实施例中所述上匀强电场层1、压力检测层2和下匀强电场层3均为柔性和膜片状薄层，且具有相同的轮廓形状。
在本发明一实施例中，所述电线的电导率大于ITO膜电导率×100。
在本发明一实施例中，所述导电线通过丝网印刷的方式直接印刷在ITO膜上，使二者紧密粘合。
在本发明一实施例中，所述压力检测层2的力敏油墨薄膜是以绝缘的高分子聚合物21为基体，掺入炭黑粒子22制成。
本实施例压力检测是基于力敏油墨薄膜的压阻特性，当外界对薄膜施加压力时，在一定范围内电阻值会随着压力的增大而减小，通过检测出力敏油墨薄膜的等效电阻值Rs，就能根据已标定好的F-Rs数学模型曲线获取压力值。位置检测是基于匀强电场内场强处处相等的原理，由于等势线是一条直线且电势与位置呈线性关系，因此，只需构建X和Y方向的匀强电场，则每一个位置坐标即为两条等势线交点，通过获取电势值就能换算出该点的位置(x,y)，即
Figure BDA0001859192850000111
其中，Vx-和Vy分别为X和Y方向匀强电场内该点的电势值，Ex和Ey分别为X和Y方向的场强，UX和UY分别为X和Y方向的压差，Lx和Ly分别为X和Y方向匀强电场的间距。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种力/位触觉传感器检测系统，其特征在于：包括力/位触觉传感器、激励源、模拟开关、信号处理电路、模数转换器和控制器；
所述力/位触觉传感器包括上匀强电场层、压力检测层和下匀强电场层；所述上匀强电场层、下匀强电场层均由绝缘衬底层、ITO膜和导电线组成；所述上匀强电场层的ITO膜上设置有一组平行导电线X+、X-，所述下匀强电场层的ITO膜上设置有一组平行导电线Y+、Y-，两组平行导线上分别设置激励电极组X和Y；
所述激励源通过模拟开关与所述力/位触觉传感器电性相连；所述信号处理电路也通过模拟开关与所述力/位触觉传感器电性相连；所述控制器与所述模拟开关电性相连，用以控制所述模拟开关的切换状态，进而切换所述力/位触觉传感器的激励电极组与激励源和信号处理电路的连接；所述信号处理电路经模数转换器连接至所述控制器，所述信号处理电路还连接至所述激励源；
其中，所述激励源包括恒流源与恒压源；所述上匀强电场层的导电线X+通过模拟开关，一路与X方向的恒流源一端相连，另一路串联一个固定分压电阻RG连接到恒压源正极，同时连接信号处理电路；所述上匀强电场层的导电线X-通过模拟开关与X方向的恒流源另一端相连，同时连接信号处理电路；所述下匀强电场层导电线Y+通过模拟开关，一路与Y方向的恒流源一端相连，另一路连接到恒压源负极，同时连接信号处理电路；所述下匀强电场层的导电线Y-通过模拟开关与Y方向的恒流源另一端相连，同时连接信号处理电路。
2.根据权利要求1所述的一种力/位触觉传感器检测系统，其特征在于：所述压力检测层是由具有压阻特性的力敏油墨薄膜构成。
3.根据权利要求1所述的一种力/位触觉传感器检测系统，其特征在于：还包括与控制器电性相连的通信电路，所述控制器通过所述通信电路连接至上位机，与上位机进行交互。
4.根据权利要求1所述的一种力/位触觉传感器检测系统，其特征在于：所述信号处理电路包括单端放大电路、差分放大电路、电压跟随器和滤波电路。
5.根据权利要求1所述的一种力/位触觉传感器检测系统，其特征在于：还包括与模数转换器电性相连的基准电压电路。
6.一种基于权利要求1所述的一种力/位触觉传感器检测系统的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：由所述激励源生成一恒定电压，控制器通过模拟开关选择，连接上匀强电场层导电线X+和下匀强电场层导电线Y+，在导电线X+上获取与固定分压电阻RG串联分压后的电压值，记为US；如果该电压达到基准电压，则判定为所述力/位触觉传感器未受按压，重复步骤S1；如果该电压小于基准电压，则判定为所述力/位触觉传感器已受压，保存该电压值US，并进入步骤S2；
步骤S2：由激励源生成一恒定电流，控制器控制模拟开关连接上匀强电场层的导电线上的激励电极组X；
步骤S3：控制器通过模数转换器获取经过信号处理电路后下匀强电场层导电线Y+上的电压大小Vx以及上匀强电场层导电线间的电压大小UX；
步骤S4：控制器将模拟开关切换连接下匀强电场层的导电线上的激励电极组Y；
步骤S5：控制器通过模数转换器获取经过信号处理电路后上匀强电场层导电线X+上的电压大小Vy以及下匀强电场层导电线间的电压大小UY；
步骤S6：对于压力检测，按如下公式计算压力检测层的等效电阻RS，根据标定好的F-RS曲线求得按压所施加的压力：
Figure FDA0002644342230000021
式中，Ucc为所施加的恒压源电压值；
对于位置检测，按如下公式分别计算出X、Y方向的坐标比例系数Kx、Ky；再根据传感器实际尺寸计算按压位置x、y：
Figure FDA0002644342230000022
Figure FDA0002644342230000023
x＝KxLx；
y＝KyLy；
式中，Lx、Ly分别为上、下匀强电场层两导电线间的间距。
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