CN111982379B - 一种连续型弹性触觉传感器及其检测方法 - Google Patents

一种连续型弹性触觉传感器及其检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种连续型弹性触觉传感器及其检测方法，其中，所述连续型弹性触觉传感器包括从上至下依次层叠设置的第一弹性导电层、弹性绝缘层以及第二弹性导电层，所述第一弹性导电层的中心位置设置有至少一条输入信号线，所述第二弹性导电层的边缘设置有至少两条输出信号线，所述输出信号线上串联有输出电阻。本发明提供的连续型弹性触觉传感器采用弹性材料制作传感器，对柔性和弹性变形物体表面适应性更好，不影响被测表面发生形变；在实现检测较大面积被测表面的接触位置和压力强度的同时，极大的简化了结构，所需的信号引线极少，有利于布置和避免对被测物体形变产生影响。

Description

一种连续型弹性触觉传感器及其检测方法
技术领域
本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种连续型弹性触觉传感器及其检测方法。
背景技术
触碰检测是当前机器人领域的热点话题，是机器人是否具有智能的物理基础。触碰检测的一个研究方向是使检测更加灵敏，分辨率更高；其另一个研究方向则是使结构更简单，检测范围更广泛。
当前有检测压力信号的方法有很多，原理也多种多样。比如通过压力导致电阻变化检测的就是压阻式压力检测；通过压力导致材料释放微电流检测的就是压电式压力检测；通过压力导致电容器的容值发生变化进行检测的就是压容式压力检测。当采用压力传感器需要得到一个区域内位置信息时，一般通过布置大量压力传感器形成阵列来实现。传感器数量越多，则位置分辨率越高，这种方法制作的触觉传感器称为阵列式触觉传感器。
现有刚性或柔性电极制作的电容式压力传感器不适用于需要弹性伸缩的应用场合，且单一压力传感器只能获得触碰强度信号，不能提供位置信息；现有技术为了对一个面进行触觉检测获得压力大小和位置信息，需要布置大量压力传感器阵列，这会极大提高产品的复杂性和制造成本，其大量的信号输入输出所需的信号线也会影响柔性或弹性表面形状变化。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种连续型弹性触觉传感器及其检测方法，旨在解决现有单一压力传感器只能获得触碰强度信号，不能提供位置信息的问题。
本发明的技术方案如下：
一种连续型弹性触觉传感器，其中，包括从上至下依次层叠设置的第一弹性导电层、弹性绝缘层以及第二弹性导电层，所述第一弹性导电层的中心位置设置有至少一条输入信号线，所述第二弹性导电层的边缘设置有至少两条输出信号线，所述输出信号线上串联有输出电阻。
所述的连续型弹性触觉传感器，其中，所述第一弹性导电层、弹性绝缘层以及第二弹性导电层展平后为细长形状时，所述第二弹性导电层的两端各设置有一条输出信号线。
所述的连续型弹性触觉传感器，其中，所述第一弹性导电层、弹性绝缘层以及第二弹性导电层展平后为任意平面形状时，所述第二弹性导电层的边缘至少设置有三条输出信号线。
所述的连续型弹性触觉传感器，其中，所述第一弹性导电层、弹性绝缘层以及第二弹性导电层展平后为矩形形状时，所述第二弹性导电层的四个角均设置有一条输出信号线。
所述的连续型弹性触觉传感器，其中，所述第一弹性导电层的电阻小于所述第二弹性导电层的电阻。
一种连续型弹性触觉传感器的检测方法，其中，包括步骤：
将所述连续型弹性触觉传感器布置在待测触觉物体表面；
将高频交流信号接入所述输入信号线，采用标准压力在所述待测触觉物体表面的一系列标定点对所述连续型弹性触觉传感器施压，同步在所述输出信号线上读取并记录电阻两端电压作为标定输出信号，将采集到的标定输出信号与标定触觉信号的关系进行储存；
在使用所述连续型弹性触觉传感器进行触觉信号检测时，采集实时输出信号，并根据所述标定输出信号与标定触觉信号的关系通过插值法反求与所述实时输出信号对应的触觉信号。
所述连续型弹性触觉传感器的检测方法，其中，所述触觉信号包括触碰位置和压力强度。
所述连续型弹性触觉传感器的检测方法，其中，所述待测触觉物体表面为柔性表面、刚性表面或弹性表面。
有益效果：相对于现有技术，本发明提供的连续型弹性触觉传感器采用弹性材料制作传感器，对柔性和弹性变形物体表面适应性更好，不影响被测表面发生形变；在实现检测较大面积被测表面的接触位置和压力强度的同时，极大的简化了结构，所需的信号引线极少，有利于布置和避免对被测物体形变产生影响。
附图说明
图1为本发明一种连续型弹性触觉传感器的爆炸结构示意图。
图2为本发明一种连续型弹性触觉传感器的整体结构示意图。
图3为本发明一种连续型弹性触觉传感器的检测方法流程图。
具体实施方式
本发明提供一种连续型弹性触觉传感器及其检测方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1和图2，本发明提供了一种连续型弹性触觉传感器，如图所示，其包括从上至下依次层叠设置的第一弹性导电层10、弹性绝缘层20以及第二弹性导电层30，所述第一弹性导电层10的中心位置设置有至少一条输入信号线11，所述第二弹性导电层30的边缘设置有至少两条输出信号线31，所述输出信号线31上串联有输出电阻。
具体来讲，本发明提供的连续型弹性触觉传感器不属于现有压力传感器类型中的任何一种，是一种全新原理的触觉传感器。本发明不是通过单一的电阻或电容变化进行检测，而是通过检测接触位置电阻和电容同时发生变化引起局部RC(电阻电容)特性改变时，引起不同输出信号间的信号差异，来获得触碰位置和压力强度。
在本发明中，当所述连续型弹性触觉传感器局部受压时，所述弹性绝缘层20的厚度减小导致局部电容增大，同时弹性层材料凹陷导致局部电阻变大，从而改变了局部的RC特性。在一固定频率的交流输入信号加载下，该局部的阻抗增大；在交流输入信号强度不变时，由于电路并联原理，该局部区域穿过弹性绝缘层的电流信号变小，其他位置电流信号增大；将连接有所述输入信号线11的第一弹性导电层10作为输入电极，连接有所述输出信号线31的第二弹性导电层30作为输出电极，此时，其他各处通过的电流强度增幅与相对输入电极的距离呈反比，通过各处电流对输出信号的影响与到该输出电极的距离呈反比。因此在所述连续型弹性触觉传感器的非对称位置发生接触时，靠近接触点的输出电极端输出信号强度降低，远离接触点的输出电极端输出信号强度增加，且接触位置离所述输出电极越近，该输出电极的输出信号就越小，从而可以对接触点进行位置判断。同时信号变化幅度与压力大小呈正比，可以用于压力强度判断。
在一些实施方式中，对于细长型的被测物体表面，则所述连续型弹性触觉传感器可设置为细长形状，此时所述第一弹性导电层、弹性绝缘层以及所述第二弹性导电层均为细长形状，所述第一弹性导电层的中间位置设置一条输入信号线，所述第二弹性导电层的两端各设置有一条输出信号线，该连续型弹性触觉传感器可实现对细长型被测物体表面的接触位置和压力强度检测。本实施例中，所述细长型是指宽度较小，长度较长的形状，作为举例，所述细长型的被测物体表面长宽比大于5。
在另一些实施方式中，对于检测具有一定宽度的被测物体表面的触觉信息时，所述的连续型弹性触觉传感器可设置为平面形状，此时所述第一弹性导电层、弹性绝缘层以及所述第二弹性导电层均为平面形状，所述第一弹性导电层的中心位置设置一条输入信号线，所述第二弹性导电层的边缘至少设置有三条输出信号线。该连续型弹性触觉传感器可实现对具有一定宽度的被测物体表面的接触位置和压力强度检测。本实施例中，所述平面形状是指宽度较大，长度较长的形状，作为举例，所述平面形状的长宽比小于5。
在一些具体的实施方式中，所述连续型弹性触觉传感器为矩形形状，此时所述第一弹性导电层、所述弹性绝缘层以及所述第二弹性导电层为矩形形状，所述第一弹性导电层的中心位置设置一条输入信号线，所述第二弹性导电层的四个角均设置有一条输出信号线。该连续型弹性触觉传感器可实现对矩形形状的被测物体表面的接触位置和压力强度检测。
在一些实施方式中，通过将所述第一弹性导电层的电阻设置为小于所述第二弹性导电层的电阻时，可以显著提高位置检测信号的分辨率，即提高被测物体表面触觉信号的灵敏度。
在一些实施方式中，还提供一种连续型弹性触觉传感器的检测方法，如图3所示，其包括步骤：
S10、将所述连续型弹性触觉传感器布置在待测触觉物体表面；
S20、将高频交流信号接入所述输入信号线，采用标准压力在所述待测触觉物体表面的一系列标定点对所述连续型弹性触觉传感器施压，同步在所述输出信号线上读取并记录电阻两端电压作为标定输出信号，将采集到的标定输出信号与标定触觉信号的关系进行储存；
S30、在使用所述连续型弹性触觉传感器进行触觉信号检测时，采集实时输出信号，并根据所述标定输出信号与标定触觉信号的关系通过插值法反求与所述实时输出信号对应的触觉信号。
具体来讲，在本实施例中，将所述连续型弹性触觉传感器布置在待测触觉物体表面，所述待测触觉物体表面为柔性表面、刚性表面或弹性表面，布置方式可以是预制作后贴附于所述待测触觉物体表面，也可以是与待测触觉物体表面同步制作，逐层刷涂。接着，将高频交流信号接入所述输入信号线，并在输出信号线上读取输出电阻两端电压作为输出信号，由于连续型弹性触觉传感器电路结构原理复杂，触觉位置和压力强度对应电输出信号为非线性关系，且由于弹性材料制作容易出现误差，故不宜采用公式计算输出信号与触觉信号之间的关系，因此本实施例对连续型弹性触觉传感器采用标准压力在一系列标定点对其施压，同步记录输出信号，对传感器进行标定，具体采用标准压力在所述待测触觉物体表面的一系列标定点对所述连续型弹性触觉传感器施压，同步在所述输出信号线上读取并记录电阻两端电压作为标定输出信号，将采集到的标定输出信号与标定触觉信号的关系进行储存；较佳地，可将采集到的标定输出信号与标定触觉信号的关系储存至所述连续型弹性触觉传感器中的信号处理器中，在使用所述连续型弹性触觉传感器进行触觉信号检测时，采集实时输出信号，并通过调用所述信号处理器中的标定输出信号与标定触觉信号的关系，通过插值法反求与所述实时输出信号对应的触觉信号。较佳地，所述触觉信号包括触碰位置和压力强度。
在一些具体的实施方式中，将高频交流信号接入传感器，并在输出信号线上读取输出电阻两端电压作为输出信号。对不同组合的物理参数适用不同频率的激励信号。作为举例，对于一长19.5cm,宽2.5cm的所述类型的传感器，其导电层由瓦克化学公司的导电硅胶产品ELASTOSIL LR 3162制作，所述第一弹性导电层厚度1.03mm，长度方向两端电阻3.9kΩ，所述第二弹性导电层厚度0.52mm，长度方向两端电阻7.8kΩ，弹性绝缘层由SMOOTH-ON公司的硅胶产品Ecoflex 00-30制作，厚度0.45mm，整体电容432pF，输出电阻3.3kΩ，激励信号频率100kHz。本实施例中，所述激励信号可以是一个或多个固定频率信号，也可以是一定范围内的扫频信号。
综上所述，本发明提供的连续型弹性触觉传感器采用弹性材料制作传感器，对柔性和弹性变形物体表面适应性更好，不影响被测表面发生形变；在实现检测较大面积被测表面的接触位置和压力强度的同时，极大的简化了结构，所需的信号引线极少，有利于布置和避免对被测物体形变产生影响。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种连续型弹性触觉传感器，其特征在于，包括从上至下依次层叠设置的第一弹性导电层、弹性绝缘层以及第二弹性导电层，所述第一弹性导电层的中心位置设置有一条输入信号线，所述第二弹性导电层的边缘设置有两条、三条或四条输出信号线，所述输出信号线上串联有输出电阻；
其中，将连接有所述输入信号线的第一弹性导电层作为输入电极，连接有所述输出信号线的第二弹性导电层作为输出电极；
所述第一弹性导电层的电阻小于所述第二弹性导电层的电阻；
所述第一弹性导电层、弹性绝缘层以及第二弹性导电层展平后为矩形形状；
在所述连续型弹性触觉传感器的非对称位置发生接触时，靠近接触点的输出电极端输出的电流强度降低，远离接触点的输出电极端输出的电流强度增加，且接触位置离所述输出电极越近，所述输出电极的输出电流强度越小，从而确定接触点的位置；同时信号变化幅度与压力大小呈正比，从而确定接触点压力强度的大小。
2.根据权利要求1所述的连续型弹性触觉传感器，其特征在于，所述第一弹性导电层、弹性绝缘层以及第二弹性导电层展平后为长宽比大于5的细长形状时，所述第二弹性导电层的两端各设置有一条输出信号线。
3.根据权利要求1所述的连续型弹性触觉传感器，其特征在于，所述第一弹性导电层、弹性绝缘层以及第二弹性导电层展平后为长宽比小于5时，所述第二弹性导电层的边缘设置有三条或四条输出信号线。
4.一种如权利要求1-3任一所述连续型弹性触觉传感器的检测方法，其特征在于，包括步骤：
将所述连续型弹性触觉传感器布置在待测触觉物体表面；
将高频交流信号接入所述输入信号线，采用标准压力在所述待测触觉物体表面的一系列标定点对所述连续型弹性触觉传感器施压，同步在所述输出信号线上读取并记录电阻两端电压作为标定输出信号，将采集到的标定输出信号与标定触觉信号的关系进行储存；
在使用所述连续型弹性触觉传感器进行触觉信号检测时，采集实时输出信号，并根据所述标定输出信号与标定触觉信号的关系通过插值法反求与所述实时输出信号对应的触觉信号。
5.根据权利要求4所述连续型弹性触觉传感器的检测方法，其特征在于，所述触觉信号包括触碰位置和压力强度。
6.根据权利要求4所述连续型弹性触觉传感器的检测方法，其特征在于，所述待测触觉物体表面为柔性表面、刚性表面或弹性表面。
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