CN109813466A - 具有滑移感知功能的触觉传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种具有滑移感知功能的触觉传感器，所述传感器由多个传感器单元阵列布置形成；所述传感器单元包括至少三个下层柔性电极板和一个上层柔性电极板，所述至少三个下层柔性电极板的几何中心不在同一直线上，所述上层柔性电极板与每个下层柔性电极板的正投影部分重叠，所述上层柔性电极板和下层柔性电极板之间具有柔性介电层，通过上述结构，能够对动态力和静态力都能够实现有效测量，从而有效提高了传感器的适应范围，而且结构简单，稳定性好，灵敏度高，测量范围大。

Description

具有滑移感知功能的触觉传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种具有滑移感知功能的触觉传感器。

背景技术

智能机器人技术是当今发展最引人注目的高新技术之一。研究具有高精度，高分辨率，高速响应且能够任意分布的柔性触觉传感器，是智能机器人研究的关键部分。所谓“柔性”是指触觉传感器的物理特性具有类似于人的皮肤一样的特性，可以覆盖在任意载体表面测量受力信息，从而感知目标对象的性质特征。

迄今为止国内外已经研究出多种触觉传感器。SHOUHEI.S等人研究了了一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)柔性压电薄膜的仿生皮肤，将其安装于机械手内表面，经可靠抓取目标物实验，验证其具备触觉检测功能。然而PVDF只能检测动态力，可用于测量滑觉信息，缺乏对静态力的感知功能。CHOONG C L.介绍了一种高灵敏度、高可拉伸的压阻式传感器，但由于其压阻电极共用同一柔性极板，限制了其阵列化结构设计，而且，上述的触觉传感器的结构复杂，稳定性和灵敏度不可靠，测量范围小。

因此，为了解决上述技术问题，亟需提出一种的技术方案。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有滑移感知功能的触觉传感器，能够对动态力和静态力都能够实现有效测量，从而有效提高了传感器的适应范围，而且结构简单，稳定性好，灵敏度高，测量范围大。

本发明提供的一种具有滑移感知功能的触觉传感器，所述传感器由多个传感器单元阵列布置形成；

所述传感器单元包括至少三个下层柔性电极板和一个上层柔性电极板，所述至少三个下层柔性电极板的几何中心不在同一直线上，所述上层柔性电极板与每个下层柔性电极板的正投影部分重叠，所述上层柔性电极板和下层柔性电极板之间具有柔性介电层。

进一步，下层柔性电极板为四个，所述下层柔性电极板和上层柔性电极板均为圆形结构，相邻两个下层柔性电极板的圆心之间的连线形成正方形结构，所述上层柔性电极板的圆心与相邻两个下层柔性电极板的圆心之间的连线所组成的正方形的对角线交叉点垂直共线。

进一步，所述柔性介电层为磁流变弹性体。

进一步，所述触觉传感器根据如下方法确定滑移位置和方向：

建立直角坐标系，以上层柔性电极板圆心为坐标系原点，确定出各下层柔性电极的圆心到坐标系原点的位置；

在触觉传感器受力时，获取上电柔性电极板与各下层柔性电极板之间的电容大小；

根据采集的电容值大小计算上层柔性电极板的圆心到各下层柔性电极板的圆心的距离，根据上层柔性电极板的圆心到各下层柔性电极板的圆心的距离确定出上层柔性电极板的圆心在直角坐标系中的位置；

根据重新确定出的上层柔性电极板的圆心的位置确定出触觉传感器的滑移量和滑移方向。

进一步，触觉传感器受力时上层柔性电极板的圆心到各下层柔性电极板圆心的距离通过如下公式计算：

其中，K为上层柔性电极板与下层柔性电极板所组成的电容与极板间面积的比例系数，R为电极板的半径，d为上层柔性电极板的圆心到下层柔性电极板的圆心的距离。

本发明的有益效果：通过本发明，能够对动态力和静态力都能够实现有效测量，从而有效提高了传感器的适应范围，能够准确判断出被测物体的运动状态；而且结构简单，稳定性好，灵敏度高，测量范围大。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的传感器单元的结构示意图。

图2为本发明的传感器单元受力前后受力方向示意图。

图3为图1中去掉柔性介电层的俯视图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做出进一步详细说明，如图所示：

本发明提供的一种具有滑移感知功能的触觉传感器，所述传感器由多个传感器单元阵列布置形成；

所述传感器单元包括至少三个下层柔性电极板3和一个上层柔性电极板1，所述至少三个下层柔性电极板3的几何中心不在同一直线上，所述上层柔性电极板1与每个下层柔性电极板3的正投影部分重叠，所述上层柔性电极板和下层柔性电极板之间具有柔性介电层2，通过上述结构，能够对动态力和静态力都能够实现有效测量，从而有效提高了传感器的适应范围，而且结构简单，稳定性好，灵敏度高，测量范围大。

本实施例中，下层柔性电极板3为四个，所述下层柔性电极板和上层柔性电极板均为圆形结构，且上层柔性电极板和下层柔性电极板的尺寸也相同，相邻两个下层柔性电极板的圆心之间的连线形成正方形结构，所述上层柔性电极板的圆心与相邻两个下层柔性电极板的圆心之间的连线所组成的正方形的对角线交叉点垂直共线，其中，垂直共线是指上层柔性电极板的圆心与上述正方形对角线交叉点的连线垂于上层柔性电极板以及下层柔性电极板的板面，使得在垂直于柔性电极板的板面方向上进行投影时，上层柔性电极板的圆心与正方形的对角线的交叉点重合；通过上诉结构，能够准确地对触觉传感器的受力(包括静态力和动态力)的方向进行测量，而且，由上述结构的传感器单元组成的触觉传感器还能够准确判断出被测物体的运动状态：若部分传感器单元的上层柔性电极板与下层柔性电极板之间的电容值发生变化，而其他传感器单元的上层柔性电极板与下层柔性电极板之间的电容值没有发生变化，则被测物体处于静止状态，且被测物体具有向受力方向运动的趋势，若在某一个方向上的传感器单元的上层柔性电极板与下层柔性电极板之间电容值依次发生变化，则判断当前物体沿着该方向运动。

本实施例中，所述柔性介电层2为磁流变弹性体，其中，磁流变弹性体是指将微米级的铁磁性颗粒掺入到高分子聚合物中，然后进行固化形成，通过上述柔性介电层，能够有效提高整个触觉传感器的测量灵敏度和测量量程，并且使得整个传感器具有良好的温度特性。

本实施例中，所述触觉传感器根据如下方法确定滑移位置和方向：

建立直角坐标系，以上层柔性电极板圆心为坐标系原点，确定出各下层柔性电极的圆心到坐标系原点的位置；

在触觉传感器受力时，获取上电柔性电极板与各下层柔性电极板之间的电容大小；其中，电容值的大小通过现有的方法以及测量电路进行测量，在此不对其原理进行赘述；

根据采集的电容值大小计算上层柔性电极板的圆心到各下层柔性电极板的圆心的距离，根据上层柔性电极板的圆心到各下层柔性电极板的圆心的距离确定出上层柔性电极板的圆心在直角坐标系中的位置；

根据重新确定出的上层柔性电极板的圆心的位置确定出触觉传感器的滑移量和滑移方向。如图2所示，附图中的四个等间距布置的圆表示下层柔性电极，圆心与坐标系原点重合的实线圆表示上层柔性电极，虚线圆表示受力时上层柔性电极发生移动，o1为发生移动后的上层柔性电极板的圆心；原点o至圆心o1的连线方向表示受力方向；

进一步，触觉传感器受力时上层柔性电极板的圆心到各下层柔性电极板圆心的距离通过如下公式计算：

其中，K为上层柔性电极板与下层柔性电极板所组成的电容与极板间面积的比例系数，R为电极板的半径，d为上层柔性电极板的圆心到下层柔性电极板的圆心的距离，在计算时，每一个下层电极板的圆心到圆心o1的距离都需要通过上述公式进行计算，然后再通过三角几何算法计算出o1的位置，通过上述，能够使得本发明的触觉传感器准确地对被测物体的受力方向以及运动趋势进行准确的测量。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种具有滑移感知功能的触觉传感器，其特征在于：所述传感器由多个传感器单元阵列布置形成；

所述传感器单元包括至少三个下层柔性电极板和一个上层柔性电极板，所述至少三个下层柔性电极板的几何中心不在同一直线上，所述上层柔性电极板与每个下层柔性电极板的正投影部分重叠，所述上层柔性电极板和下层柔性电极板之间具有柔性介电层。

2.根据权利要求1所述具有滑移感知功能的触觉传感器，其特征在于：下层柔性电极板为四个，所述下层柔性电极板和上层柔性电极板均为圆形结构，相邻两个下层柔性电极板的圆心之间的连线形成正方形结构，所述上层柔性电极板的圆心与相邻两个下层柔性电极板的圆心之间的连线所组成的正方形的对角线交叉点垂直共线。

3.根据权利要求1所述具有滑移感知功能的触觉传感器，其特征在于：所述柔性介电层为磁流变弹性体。

4.根据权利要求2所述具有滑移感知功能的触觉传感器，其特征在于：所述触觉传感器根据如下方法确定被测物体受力方向：

建立直角坐标系，以上层柔性电极板圆心为坐标系原点，确定出各下层柔性电极的圆心到坐标系原点的位置；

在触觉传感器受力时，获取上电柔性电极板与各下层柔性电极板之间的电容大小；

根据采集的电容值大小计算上层柔性电极板的圆心到各下层柔性电极板的圆心的距离，根据上层柔性电极板的圆心到各下层柔性电极板的圆心的距离确定出上层柔性电极板的圆心在直角坐标系中的位置；

根据重新确定出的上层柔性电极板的圆心的位置确定出触觉传感器的受力方向。

5.根据权利要求4所述具有滑移感知功能的触觉传感器，其特征在于：触觉传感器受力时上层柔性电极板的圆心到各下层柔性电极板圆心的距离通过如下公式计算：

其中，K为上层柔性电极板与下层柔性电极板所组成的电容与极板间面积的比例系数，R为电极板的半径，d为上层柔性电极板的圆心到下层柔性电极板的圆心的距离。