CN115493731A - 一种差压式结构的触觉力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及触觉力传感器技术领域，公开了一种差压式结构的触觉力传感器，包括壳体、力测量元件和两个分别连接于壳体上下两端部的柔性触头，所述柔性触头为空心设置且其内部充满用于将上侧或下侧水压强信号导引至力测量元件的硅油。本发明通过硅油将上下侧水压强及触觉力信号导引至力测量元件，通过机械结构消除水压强对触觉力产生的影响，保证水静态压强矢量叠加下的触觉力测量的准确性，具有线性度高、灵敏度高等特点。

Description

一种差压式结构的触觉力传感器

技术领域

本发明涉及触觉力传感器技术领域，尤其涉及一种在水下特殊复杂环境下实现力觉感知的差压式结构的触觉力传感器。

背景技术

目前，触觉力测量在生产生活中的应用范围日益广泛，特别是机器人-机械手系统，为了提高其智能性及柔顺抓取能力，机械人触觉力传感器是其智能化操作的基本要求，然而水下特殊环境对触觉力测量带来了很大困难，其中的直接问题是大水深、大水压、海水腐蚀性等。如果直接用非水下环境触觉力传感器测量水下环境下的触觉力，就存在着水压强对触觉力测量存在干扰的问题；由于触觉力信号输出较小，而海水压强带来的干扰信号大，属于强信号干扰下提取有用小信号的问题，给后续信号处理带来困难。一般情况下使用的水下机械手没有触觉力测量功能，在机械手实现水下样本抓取的过程中，一般通过控制室内的摄像机观察水下环境，控制机械手移动到抓取目标合适位置实现样本的抓取；由于缺少力觉感知功能，会损害抓取目标，或者由于视线限制造成抓取不牢引起目标脱落的问题，因此，现有的水下机械手在作业过程中针对静止目标或者运动迟缓目标可以实施抓住抓牢、完成抓取任务，但是对于运动的物体或者动态目标，就会由于操作者不能快速决策造成抓取困难或者无法完成抓取任务，机械手无法抓取动态目标造成无法采集相关数据的问题。因此，作为常见的物理参数，对水下机械手力觉感知技术进行深入的研究，提高作业能力，提高其智能化水平，具有重要的理论意义和使用价值。

在水下触觉力测量传感器的设计中，主要有两种测量方式。第一种测量方式是检测手部力的方式，可以通过直接检测由腕部上的力产生三个轴向力和三个轴向力矩，采用应变片实现六维力-力矩测量，将其安装在腕部上实现，这种方式可以提高机械手的控制性能，但是腕部结构相对复杂，例如充油式压力平衡的力传感器，但其还在试验阶段，并没有实现市场化推广。第二种方式是检测关节的力矩，由应变片检测关节的力矩或者检测关节的液压驱动装置的进、回油压力差实现力矩检测，但是此种方式受重力以及关节驱动装置摩擦影响难以测得准确的力信号。水下机器人用的触觉力传感器，能够判断是否与作业对象接触或者保持抓取的状况，多用于灵巧手手指实现精密作业，可以判断抓取对象的柔韧程度以及抓取对象在手指接触的位置判定，给操作带来临场感，进而提高作业性能。高质量的触觉力传感器是机械手完成智能作业的基础，而由于受到水压力、密封、腐蚀等问题的影响，使触觉力传感器的研制与生产带来限制。

西北工业大学的刘卫东等公开了一种用于水下机械手触觉力测量的指环式组合阵列变送器(公开号：CN106197777B)。该指环式组合阵列变送器主要包括组合阵列传感器、信号调理电路、数据采集电路、微控制器、第一信号输出电路与第二信号输出电路。其中组合阵列传感器用于将测量接触力信号转换为电信号，由39个力测量单元呈环状均匀分布在基底上，每一个力测量单元分配一个惠斯登电路实现测量信号的线性变换；并且通过温度敏感元件实现力信号测量环境的温度数据采集；信号调理电路实现信号的放大与滤波功能；数据采集电路通过分时与片选方式实现微控制器对所测量的触觉力信号与温度信号的数字量采集；微控制器完成了数据采集与数据融合，实现真实接触力值输出。应变片的粘贴要求较高的技术工艺，该发明专利没有公布水深压强对力敏感元件影响的数据融合方法，不同的数据处理方式对力信号的结果造成很大影响。

因此，亟待一种能消除水压强对触觉力测量的干扰、实现水下环境精确触觉力测量的触觉力传感器。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种差压式结构的触觉力传感器。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种差压式结构的触觉力传感器，包括壳体，还包括设于壳体内的力测量元件和两个分别连接于壳体上下两端部的柔性触头，所述柔性触头为空心设置且其内部充满用于将上侧或下侧水压强信号导引至力测量元件的硅油。

优选的，所述力测量元件为传感器芯体，力测量元件上设有连通孔和导引管，所述连通孔用于将壳体上端柔性触头内部的硅油引至力测量元件上表面，所述导引管与壳体下端柔性触头内部连通且用于将壳体下端柔性触头内部的硅油引至力测量元件下表面。

优选的，所述柔性触头为外径为25mm的半球形，所述壳体为中空的圆柱形，壳体的长度为31.5mm，外径为25mm，最小内径为12.3mm，壳体、两个柔性触头组合成胶囊型，上端柔性触头的顶端与下端柔性触头的底端之间的距离为54.5mm。

优选的，所述柔性触头和力测量元件之间设有用于将其连通的连接件。

优选的，所述连接件为空心设置，连接件的外壁上设有环形的卡接槽，柔性触头的内壁上设有与卡接槽相匹配且卡接的卡接块。

优选的，所述柔性触头与连接件连接，所述连接件与壳体螺纹连接，壳体上设有用于对连接件和壳体的连接处进行密封的密封圈。

优选的，连接件上沿周向均匀设有若干个内径为2mm、深度为4mm的支点孔。

优选的，所述力测量元件连接有导线。

优选的，壳体的内壁设有台阶孔和内螺孔，台阶孔内设有用于保护力测量元件的环形的聚四氟乙烯垫，壳体内螺纹连接有用于压紧聚四氟乙烯垫并固定力测量元件的滑环，壳体上设有用于引出导线的直径为3mm的引出孔。

优选的，壳体上沿周向均匀设有若干个内径为3mm的连接孔。

本发明还包括能够使一种差压式结构的触觉力传感器正常使用的其它组件，均为本领域的常规技术手段。另外，本发明中未加限定的装置或组件均采用本领域中的常规技术手段。

本发明通过硅油将上下侧水压强及触觉力信号导引至力测量元件，通过机械结构消除水压强对触觉力产生的影响，保证水静态压强矢量叠加下的触觉力测量的准确性，具有线性度高、灵敏度高等特点。

附图说明

图1是本实施例的立体结构示意图。

图2是本实施例的侧视图。

图3是图2的F-F向剖视图。

图4是本实施例中壳体的轴向剖视图。

图5是本实施例中连接件的结构示意图。

图6是本实施例中连接件的轴向剖视图。

图7是本实施例中力测量元件的结构示意图。

图8是本实施例中硅杯的侧视图。

图9是本实施例中惠斯登电桥测压与测温的原理电路图。

图10是本实施例中基于STM32微控制器的触觉力传感器数据融合电路示意图。

图11是本实施例中基于CH340G芯片的USB接口电路图。

图12是本实施例中BP网络数据融合示意图。

图中：1、壳体；2、力测量元件；3、柔性触头；4、连通孔；5、导引管；6、连接件；7、卡接块；8、密封圈；9、支点孔；10、导线；11、聚四氟乙烯垫；12、滑环；13、连接孔；14、环氧树脂AB胶；15、卡接槽。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

参见图1-7，一种差压式结构的触觉力传感器，包括壳体1、设于壳体1内的力测量元件2和两个分别连接于壳体1上下两端部的柔性触头3，所述柔性触头3为空心设置且其内部充满用于将上侧或下侧水压强信号导引至力测量元件2的硅油。

本实施例中，壳体1对柔性触头3及力测量元件2起支撑与固定作用。柔性触头3为感知外部触觉力与水压强信号的部件，其仿照人体皮肤感知外界力信号原理，通过自身形变将外部触觉力以及水压强信号转换为内部硅油的压强信号，实现信号的转换与传递。柔性触头3可以很好得将外部力信号通过内部硅油无损失传递至力测量元件2，进而实现触觉力信号的测量。

所述力测量元件2为传感器芯体，力测量元件2上设有连通孔4和导引管5，所述连通孔4用于将壳体1上端柔性触头3内部的硅油引至力测量元件2上表面，所述导引管5与壳体1下端柔性触头3内部连通且用于将壳体1下端柔性触头3内部的硅油引至力测量元件2下表面。

本实施例中，壳体1上端的柔性触头3用于测量触觉力信号和上侧水压强信号，下端柔性触头3用于感知下侧水压强信号；传感器芯体选用现有技术中的硅杯式压阻传感器芯体，其设计为差压式结构，连通孔4设于其顶部中央，导引管5设于其底部，下端柔性触头3内部充满硅油，硅油可以通过导引管5引流至硅杯的下表面，即在硅杯表面实现上下表面水压强差值的测量。

通过硅油将上下侧水压强及触觉力信号导引至力测量元件2，通过机械结构消除水压强对触觉力产生的影响，保证水静态压强矢量叠加下的触觉力测量的准确性。

所述柔性触头3为外径为25mm的半球形，所述壳体1为中空的圆柱形，壳体1的长度为31.5mm，外径为25mm，最小内径为12.3mm，壳体1、两个柔性触头3组合成胶囊型，上端柔性触头3的顶端与下端柔性触头3的底端之间的距离为54.5mm。

本实施例中，柔性触头3的成分是丁晴橡胶与硅胶混合物，柔性触头质软，不会对接触的物体表面造成伤害，且可保留半球状的柔性并在外力及水压强环境下具有形变特征；传感器芯体安装于壳体1的最小内径位置(即内径为12.3mm的位置)，传感器芯体与壳体1之间填充环氧树脂AB胶以实现其在壳体1上的固定，传感器芯体将壳体1内部分隔成上腔体和下腔体，两个腔体内部以及柔性触头3内部充满硅油；为了实现内部硅油的充满并保证传感器芯体上下两个腔体的初始压强相等，传感器芯体和两个柔性触头3的连接装配在硅油环境中完成，在硅油中装配实现硅油的充满，不会产生气泡造成输出不准，装配过程中将多余的硅油排出至壳体1外部，实现本装置在零点输出近似零压强信号。

所述柔性触头3和力测量元件2之间设有用于将其连通的连接件6。连接件6位于柔性触头3和壳体1之间，两个柔性触头3、两个连接件6和壳体1共同组合成胶囊型

所述连接件6为空心设置，连接件6的外壁上设有环形的卡接槽15，柔性触头3的内壁上设有与卡接槽相匹配且卡接的卡接块7。

所述柔性触头3与连接件6连接，所述连接件6与壳体1螺纹连接，壳体1上设有用于对连接件6和壳体1的连接处进行密封的密封圈8。连接件6采用304不锈钢材质制成，一端与空心的半球形的柔性触头3连接，另一端壳体1螺纹连接，并配合密封圈8实现密封。

柔性触头3通过硫化工艺与连接件6粘接固定，具有密封性好、耐腐蚀性的特点；空心的连接件6与壳体1螺纹连接，具有大的公差，可以实现安装过程中内部填充的多余硅油的排出。

连接件6上沿周向均匀设有若干个内径为2mm、深度为4mm的支点孔9。本实施例中，支点孔9设有两个，可作为柔性触头3与壳体1螺纹连接时的施力支点。

所述力测量元件2连接有导线10。

本实施例中硅杯式压阻传感器芯体实质为一个硅杯芯体，硅杯底部是整个力测量元件2的核心，包括四个应变元件，四个应变元件组成硅杯弹性体。应变元件的制造过程是在单晶硅表面溅射保护膜(如SiO₂和Si₃N₄)，应变元件的位置由保护膜的光刻工艺决定，然后真空溅射力敏感材料保护膜(Ti)和力敏材料(如Au)，通过剥离和清洗力敏材料以及阳极键合技术，完成应变元件的制作。在单晶硅的底部，通过光刻和各向异性腐蚀液体(如KOH)蚀刻，形成硅杯的腔体，完成整个硅杯设计。

参见图8～9，硅杯弹性体上的四个应变元件通过导线10被引到外部，形成一个惠斯登电桥，将电桥阻值变化转换为电压变化，避免了应变计与杯底间的粘合剂，提高了传感器的灵敏性能。图8中，L为硅杯底部边长尺寸，T为硅杯高度，此处硅杯尺寸为L×L×T＝4.3mm×4.3mm×0.39mm。图9中，将四个力敏感电阻构成惠斯登电桥，实现高灵敏度信号输出，U_in为供电电压输入，V_AB为惠斯登电桥电压输出，由于硅杯式半导体材料对温度敏感，所以惠斯登电桥可以等效为一个温度灵敏电阻，通过串联对温度影响较小的精密电阻R₀，测量R₀电压V_BC实现传感器温度测量。

参见图10～11，由于本装置输出为一个电压信号，需要进行标定实现真实触觉力值输出，且由于硅杯式压阻传感器芯体容易受温度影响而产生温度漂移，因此选择温度作为输入参量，和本装置输出的触觉力电压信号作为数据融合标定信号，再对温度信号和触觉力电压信号利用现有技术进行处理即可得出精准的触觉力信息。

具体的，参见图10，本实施例采用以下方法对输入参量和电压信号进行处理。

本装置输出的触觉力电压信号、温度信号通过信号调理后供STM32微控制器采集，STM32微控制器通过A/D转换后实现数据获取后，通过内部BP网络形式的数据结构的计算，获取标准力值；其中信号调理电路实现信号的放大与滤波功能，微控制器内部BP网络为在上位机训练好的权值及阈值已知的神经网络，实质为实现触觉力、温度、水深到标准触觉力映射关系的标定函数；BP网络欲实现正确的映射关系，必须通过采集数据和标准触觉力数据的训练，训练过程在上位机MATLAB神经网络工具箱实现；通过串口通信实现上位机对STM32的触觉力、温度信号的采集，记录所加载标准力值；构成BP网络训练的数据序列，在MATLAB上BP网络训练获取BP网络的权值与阈值，通过串口通讯发送到STM32微控制器实现在线标定；STM32微控制器根据通讯协议利用串口同步通信实现BP网络权值与阈值的接收，保证BP网络在线标定实现。

利用STM32微控制器自带的ADC模块直接实现A/D转换，直接将二路信号经过信号调理后输入到STM32微控制器模数转换通道，能减小设计的传感器标定电路板体积。STM32F103ZET6内部外设资源丰富，有两个ADC模块，采用12位逐次逼近式模拟转换器，可实现16路外部模拟信号采集。并且具有采样和保持功能，利用库函数编程可以将转换结果存放到相应的寄存器中。D/A转换功能实现和A/D转换类似。

为了消除温度对触觉力信号产生的影响以及实现精准的触觉力值输出，采用了基于STM32微控制器的传感器数据采集电路及BP网络数据融合标定算法，构建了四层BP网络，触觉力电压信号、温度信号作为网络输入，真实触觉力值作为网络输出训练网络，训练好的神经网络发送至STM32微控制器实现触觉力传感器的标定。

参见图11，串口通讯通过芯片CH340G实现，CH340G实现了STM32微控制器TTL电平和USB总线电平的转换，易于实现上位机USB接口信号的采集，TXD、RXD连接STM32微控制器的I/O口，USB_D+，USB_D-实现USB总线输出。

参见图12，打开Matlab nntool神经网络工具箱，创建一个四层的网络。第一层为输入层，为2个神经元，表示温度、标准力加载下传感器输出采样值，输入为2个变量的归一化数值。第一隐含层为10个神经元，第二隐含层为8个神经元，输出层为一个神经元，映射为加载标准力的归一化值。输入层、隐含层、输出层各层的激励函数均为tansig函数。通过建立多隐含层神经网络结构，通过BP网络的自组织、自推理能力离线训练实现由输入到输出信号的非线性映射，获取基于BP网络权值与阈值的数据拟合函数。

本实施例中，差压式触觉力信号以力测量元件2阻值变化为测量方法，通过构成惠斯登电桥实现信号输出。差压式结构消除了水静态压强影响，实现了触觉力信号测量，具有精度高、灵敏度高等特点。

壳体1的内壁设有台阶孔和内螺孔，台阶孔内设有用于保护力测量元件2的环形的聚四氟乙烯垫11，壳体1内螺纹连接有用于压紧聚四氟乙烯垫11并固定力测量元件2的滑环12，壳体1上设有用于引出导线10的直径为3mm的引出孔。

本实施例中，聚四氟乙烯垫11的作用是保护传感器芯体、防止其被滑环12压坏；滑环12与壳体1螺纹连接，将滑环12旋转移动至聚四氟乙烯垫11位置从而将传感器芯体压紧固定；引出孔将力测量元件2上的导线10引出至壳体1外部。

壳体1上沿周向均匀设有若干个内径为3mm的连接孔13。本实施例中，连接孔13设有四个，用于本装置与其他设备的安装与连接。

为了保证密封性及防腐蚀性，导引管5与壳体1之间的间隙、导线10与通孔内壁之间的间隙内均灌注有环氧树脂AB胶14。

以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种差压式结构的触觉力传感器，包括壳体，其特征在于：还包括设于壳体内的力测量元件和两个分别连接于壳体上下两端部的柔性触头，所述柔性触头为空心设置且其内部充满用于将上侧或下侧水压强信号导引至力测量元件的硅油。

2.根据权利要求1所述的一种差压式结构的触觉力传感器，其特征在于：所述力测量元件为传感器芯体，力测量元件上设有连通孔和导引管，所述连通孔用于将壳体上端柔性触头内部的硅油引至力测量元件上表面，所述导引管与壳体下端柔性触头内部连通且用于将壳体下端柔性触头内部的硅油引至力测量元件下表面。

3.根据权利要求1所述的一种差压式结构的触觉力传感器，其特征在于：所述柔性触头为外径为25mm的半球形，所述壳体为中空的圆柱形，壳体的长度为31.5mm，外径为25mm，最小内径为12.3mm，壳体、两个柔性触头组合成胶囊型，上端柔性触头的顶端与下端柔性触头的底端之间的距离为54.5mm。

4.根据权利要求1所述的一种差压式结构的触觉力传感器，其特征在于：所述柔性触头和力测量元件之间设有用于将其连通的连接件。

5.根据权利要求4所述的一种差压式结构的触觉力传感器，其特征在于：所述连接件为空心设置，连接件的外壁上设有环形的卡接槽，柔性触头的内壁上设有与卡接槽相匹配且卡接的卡接块。

6.根据权利要求4所述的一种差压式结构的触觉力传感器，其特征在于：所述柔性触头与连接件连接，所述连接件与壳体螺纹连接，壳体上设有用于对连接件和壳体的连接处进行密封的密封圈。

7.根据权利要求4所述的一种差压式结构的触觉力传感器，其特征在于：连接件上沿周向均匀设有若干个内径为2mm、深度为4mm的支点孔。

8.根据权利要求1所述的一种差压式结构的触觉力传感器，其特征在于：所述力测量元件连接有导线。

9.根据权利要求8所述的一种差压式结构的触觉力传感器，其特征在于：壳体的内壁设有台阶孔和内螺孔，台阶孔内设有用于保护力测量元件的环形的聚四氟乙烯垫，壳体内螺纹连接有用于压紧聚四氟乙烯垫并固定力测量元件的滑环，壳体上设有用于引出导线的直径为3mm的引出孔。

10.根据权利要求1所述的一种差压式结构的触觉力传感器，其特征在于：壳体上沿周向均匀设有若干个内径为3mm的连接孔。

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