CN211729207U - 一种柔性指尖接触传感器 - Google Patents

Abstract

一种柔性指尖接触传感器，旨在解决现有技术中指尖接触传感器无法检测空间作用力且制造成本较高，导致无法实现商业化大规模应用的技术问题。本实用新型包括用以检测压力变化的霍尔传感器，霍尔传感器布设在传感器固定轴上，霍尔传感器包括第一传感器组和第二传感器组，传感器固定轴的一端设有用以安装第一传感器组的第一安装槽，传感器固定轴的周面上设有用以安装第二传感器组的第二安装槽，传感器固定轴的另一端设有用以安装机械手的安装孔，第一传感器组和第二传感器组的引脚通过布置在传感器固定轴上的导通件相连，传感器固定轴的外周面上设有防护层，防护层上设有橡胶磁贴，防护层远离传感器固定轴的一侧设有成型层。

Description

一种柔性指尖接触传感器

技术领域

本实用新型涉及仿生机器人或多灵巧手技术领域，特别是涉及一种柔性指尖接触传感器。

背景技术

在操纵和探索任务期间，通常需要机械手对未知物体和障碍物进行有效响应。在传统的工业应用中，机器人对末端执行器的控制是通过将仿真对象和环境的数据模型嵌入到控制算法中实现的，故机械手只能操纵已知的物体，并在结构化的环境中工作，这意味着它们对意外事件的反应较慢，如果没有详细的操作环境模型，则接触力的实时测量对于机器人能否有效安全地执行任务至关重要。触觉感知是机器人自主灵巧手操作的重要组成部分，它提供了机械手与物体接触点的作用力和表面特性等信息。尽管压力传感器有多种类型并且已经商业化，但是普通的压力传感器往往只能提取单点的作用力信息，无法对机器人感知环境提供帮助。近年来针对该问题，不少学者提出了阵列式的架构，即采用多个压力传感器进行阵列布置，从而可以实现对多点作用力的信息提取，进而获取受力点的位置和作用力大小，这为仿人类触觉打下了基础。不过需要注意的是机械手在操作过程中，指尖往往是受到空间作用力而不单单是平面作用力，虽然国内外的科研工作者设计了各种各样的柔性触觉传感器，但是它们大都处于实验研究阶段，产品化的柔性触觉传感器不多，广泛应用于机器人的柔性触觉传感器更少。当下，高端的指尖传感器已被许多研制高灵巧性机械手的厂商广泛采用，但是，这些指尖传感器的占了机械手很大一部分成本。

申请号为CN201710382607.4的中国专利公开了一种多阵列的指尖触觉交互装置，该装置通过串口线与机器人连接，包括布设在一块柔软电路板上的电容式多阵列传感器、设有I2C通信接口的主控板以及设有数模接口和I2C通信接口的数据采样芯片；所述电容式多阵列传感器包括上感应极板、下感应极板以及固定于上、下感应极板间的若干个柔性微针，上、下感应极板之间通过填充的等离子的化学键键合；其中，所述电容式多阵列传感器的上、下感应极板直接与数据采样芯片的数模接口连接，所述数据采样芯片和主控板之间通过I2C通信接口连接。

上述专利所采用的传感器为电容式传感器，在较小的区域可形成较多的触觉感应点，体积较小，接线简单、测量稳定；但是，所述交互装置无法对空间力进行检测且制造成本较高，不适用于商业化的大规模应用。

发明内容

本实用新型为了克服现有技术中指尖接触传感器无法检测空间作用力且制造成本较高，导致无法实现商业化大规模应用的技术问题，提供一种柔性指尖接触传感器，所述传感器可实现对空间作用力的检测且制造成本较低，为后续多灵巧手实现灵巧操作打下基础。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案。

一种柔性指尖接触传感器，包括用以检测压力变化的霍尔传感器，霍尔传感器布设在传感器固定轴上，霍尔传感器包括第一传感器组和第二传感器组，传感器固定轴的一端设有用以安装第一传感器组的第一安装槽，传感器固定轴的周面上设有用以安装第二传感器组的第二安装槽，传感器固定轴的另一端设有用以安装机械手的安装孔，第一传感器组和第二传感器组的引脚通过布置在传感器固定轴上的导通件相连，传感器固定轴的外周面上设有防护层，霍尔传感器和导通件均位于传感器固定轴和防护层之间，防护层上设有橡胶磁贴，防护层远离传感器固定轴的一侧设有成型层，防护层和成型层均由铂催化硅橡胶制成。现有技术中，低成本的柔性触觉传感器大都只能检测平面上的作用力变化，即只能检测x方向和y方向的作用力变化，而无法对z方向的作用力变化进行检测，但是，由于我们处于四维空间且与三维物体发生交互，故而对于仿生学科而言，实现z方向上作用力变化的检测意味着仿生模拟相似度的维度跃迁；当下，可对空间中x、y及z方向上作用力同步检测的柔性触觉传感器大都成本较高，不适用于商业化的大规模应用。本实用新型提供一种柔性指尖接触传感器，传感器固定轴的端面上设有第一传感器组，传感器固定轴的周面上设有第二传感器组，传感器固定轴的外周面上套设有防护层，防护层由铂催化硅橡胶制成，防护层上设有橡胶磁贴，当柔性指尖接触传感器表面受到压力作用后，防护层被挤压变形，与防护层相连的橡胶磁贴同步发生位移变化，固定在传感器固定轴上的霍尔传感器无位移变化，故而橡胶磁贴的位移变化会引起霍尔传感器的表面磁场力大小发生改变，进而改变霍尔传感器的模拟量输出值，进一步的，第二传感器组用以检测空间中x、y方向的作用力，第一传感器组用以检测空间中z方向的作用力，由于霍尔传感器采用阵列架构布置，故而可以识别外力的作用区域。本实用新型所述的柔性指尖接触传感器通过霍尔传感器、橡胶磁贴以及由铂催化硅橡胶制成的防护层的配合实现空间作用力的检测，由于组成构件均为常见的元器件或材料，故而制造成本较低。

作为优选，传感器固定轴包括本体和安装件，本体和安装件均呈柱状，安装件与本体同轴布置且安装件的直径小于本体的直径，安装件的周面上设有定位孔，所述安装孔位于安装件远离本体的一端且沿安装件的轴向延伸，安装孔的内壁面呈螺纹状。传感器固定轴包括本体和安装件，本体用以安装霍尔传感器，安装件用以与机械手相连，安装件的周面上设有定位孔。

作为优选，本体的周面上设有均与第二安装槽相交的第一环形槽和第二环形槽，第二环形槽位于第一环形槽远离第一传感器组的一侧且与第一环形槽间隔排布，导通件包括第一导通件和第二导通件，第一导通件固定在第一环形槽内，第二导通件固定在第二环形槽内。第一安装槽和第二安装槽分别用以安装第一传感器组和第二传感器组，传感器包括引脚，本体的周面上设有均与第二安装槽相交的第一环形槽和第二环形槽，将第一导通件固定在第一环形槽内，将第二导通件固定在第二环形槽内，然后将引脚与第一导通件或第二导通件焊接，最后将导线与第一导通件及第二导通件相连；通过上述设计，不需要将导线与引脚逐一对应相连，所述柔性指尖接触传感器的装配安装方式得到有效简化。

作为优选，引脚包括电源引脚、接地引脚和信号引脚，电源引脚与第一导通件焊接相连，接地引脚与第二导通件焊接相连，信号引脚沿本体轴向朝靠近安装件的一端延伸，信号引脚上套设有用以与导通件绝缘分隔的热缩管。信号引脚上套设有用以与导通件绝缘分隔的热缩管，从而保证信号传输的稳定性。

作为优选，沿传感器固定轴长度方向布置的导线连通第一导通件和第二导通件，导线包括第一导线和第二导线，第一导线和第二导线沿本体的径向对称排布。

作为优选，第一安装槽和第二安装槽均为T型槽，T型槽包括水平槽和用以对引脚进行限位的竖直槽，竖直槽沿传感器固定轴的长度方向布置，第一安装槽的水平槽位于本体远离安装件的一端，第一安装槽的竖直槽和第二安装槽的竖直槽沿本体的长度方向错位排布。第一安装槽的竖直槽和第二安装槽的竖直槽沿本体的长度方向错位排布，第一传感器组和第二传感器组在安装过程中同样错位排布，在节约安装面积的同时实现霍尔传感器布置的集成化。

作为优选，铂催化硅橡胶选用Smooth-On EcoFlex 0030。Smooth-On EcoFlex0030型号的铂催化硅橡胶固化后非常柔软，抗拉撕性能好，具有很好的弹性以及伸长率，可伸长数倍而不会撕裂，并能够不变形的回弹到原来尺寸；选用上述铂催化硅橡胶可保证防护层和成型层多次变形后仍可复位至原形状，柔性指尖接触传感器的耐久性和使用寿命大幅提升。

作为优选，第一传感器组和第二传感器组中霍尔传感器的数目均为4个，橡胶磁贴包括第一磁贴组和第二磁贴组，防护层的端面上设有用以封装第一磁贴组的第一矩形槽，防护层的周面上设有用以封装第二磁贴组的第二矩形槽，第一矩形槽和第二矩形槽均沿防护层的厚度方向贯通。

作为优选，呈环状的第一导通件和第二导通件均由铜材料制备。

综上所述，本实用新型具有如下有益效果：（1）所述传感器可实现对空间作用力的检测且制造成本较低，可适用于大规模的商业化应用；（2）第一传感器组和第二传感器组在安装过程中同样错位排布，在节约安装面积的同时实现霍尔传感器布置的集成化；（3）防护层和成型层多次变形后仍可复位至原形状，柔性指尖接触传感器的耐久性和使用寿命大幅提升；（4）采用柔性硅胶亲肤，与人体皮肤特性具有良好的一致性，同时也能对传感器内部的电路起到绝缘作用；（5）制作简单，可以通过选择不同磁力的橡胶磁贴、调节橡胶磁贴相对霍尔传感器表面的距离来调节指尖接触传感器的量程和灵敏度。

附图说明

图1是本实用新型中传感器固定轴结构示意图。

图2是本实用新型中霍尔传感器安装示意图。

图3是本实用新型中防护层的示意图。

图4是本实用新型中成型层的示意图。

图5是本实用新型的总装图。

图中：

橡胶磁贴1，第一传感器组2，第二传感器组3，第一安装槽4，第二安装槽5，导通件6，防护层7，成型层8，本体9，安装件10，定位孔11，第一环形槽12，第二环形槽13，第一导通件14，第二导通件15，电源引脚16，接地引脚17，信号引脚18，热缩管19，导线20，第一矩形槽21，第二矩形槽22。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，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实用新型中的具体含义。

实施例：

如图1至图5所示，一种柔性指尖接触传感器，包括用以检测压力变化的霍尔传感器1，其特征在于，霍尔传感器布设在传感器固定轴上，霍尔传感器包括第一传感器组2和第二传感器组3，传感器固定轴的一端设有用以安装第一传感器组的第一安装槽4，传感器固定轴的周面上设有用以安装第二传感器组的第二安装槽5，传感器固定轴的另一端设有用以安装机械手的安装孔，第一传感器组和第二传感器组的引脚通过布置在传感器固定轴上的导通件6相连，传感器固定轴的外周面上设有防护层7，霍尔传感器和导通件均位于传感器固定轴和防护层之间，防护层上设有橡胶磁贴1，防护层远离传感器固定轴的一侧设有成型层8；传感器固定轴包括本体9和安装件10，本体和安装件均呈柱状，安装件与本体同轴布置且安装件的直径小于本体的直径，安装件的周面上设有定位孔11，所述安装孔位于安装件远离本体的一端且沿安装件的轴向延伸，安装孔的内壁面呈螺纹状；本体的周面上设有均与第二安装槽相交的第一环形槽12和第二环形槽13，第二环形槽位于第一环形槽远离第一传感器组的一侧且与第一环形槽间隔排布，导通件包括第一导通件14和第二导通件15，第一导通件固定在第一环形槽内，第二导通件固定在第二环形槽内；引脚包括电源引脚16、接地引脚17和信号引脚18，电源引脚与第一导通件焊接相连，接地引脚与第二导通件焊接相连，信号引脚沿本体轴向朝靠近安装件的一端延伸，信号引脚上套设有用以与导通件绝缘分隔的热缩管19；沿传感器固定轴长度方向布置的导线20连通第一导通件和第二导通件，导线包括第一导线和第二导线，第一导线和第二导线沿本体的径向对称排布；第一安装槽和第二安装槽均为T型槽，T型槽包括水平槽和用以对引脚进行限位的竖直槽，竖直槽沿传感器固定轴的长度方向布置，第一安装槽的水平槽位于本体远离安装件的一端，第一安装槽的竖直槽和第二安装槽的竖直槽沿本体的长度方向错位排布；防护层和成型层均由铂催化硅橡胶制成，铂催化硅橡胶选用Smooth-On EcoFlex 0030；第一传感器组和第二传感器组中霍尔传感器的数目均为4个，橡胶磁贴包括第一磁贴组和第二磁贴组，防护层的端面上设有用以封装第一磁贴组的第一矩形槽21，防护层的周面上设有用以封装第二磁贴组的第二矩形槽22，第一矩形槽和第二矩形槽均沿防护层的厚度方向贯通；呈环状的第一导通件和第二导通件均由铜材料制备。

如图2所示的位置关系，传感器固定轴自左上至右下依次包括本体和安装件，本体和安装件均呈圆柱状，本体与安装件同轴布置，本体的直径大于安装件的直径，本体的上端面上设有第一安装槽，第一安装槽为T型槽，T型槽的水平槽位于本体的上端面上，T型槽的竖直槽位于本体的周面上，第一安装槽的数目为四个且沿本体的周向等夹角布置，相邻两个第一安装槽之间的夹角为90°，第一传感器组布置在第一安装槽中，其中，霍尔传感器的检测元件位于水平槽中，霍尔传感器的引脚沿本体的轴向延伸且位于竖直槽中；本体的周面上设有第二安装槽，第二安装槽的数目为四个且沿本体的周向等夹角布置，第二安装槽为T型槽，第一安装槽与第二安装槽沿本体的周向间隔布置，第一安装槽和第二安装槽沿本体轴向错位排布，第二安装槽的水平槽的下方依次设有第一环形槽和第二环形槽，第一环形槽和第二环形槽间隔布置，第一环形槽中设有铜制的第一导通件，第二环形槽中设有铜制的第二导通件，第一传感器组和第二传感器组的电源引脚均与第一导通件焊接相连，第一传感器组和第二传感器组的接地引脚均与第二导通件焊接相连，导线沿传感器固定轴的长度方向布置且与第一导通件和第二导通件相连；传感器固定轴的外周面上套设有由铂催化硅橡胶制成的防护层，防护层上与T型槽的水平槽相对应的位置分别设有第一矩形槽和第二矩形槽，第一矩形槽位于防护层的端面上，第二矩形槽位于防护层的周面上，第一矩形槽中封装有第一磁贴组，第二矩形槽中封装有第二磁贴组，防护层外套设有由铂催化硅橡胶制成的成型层。

Claims (9)

1.一种柔性指尖接触传感器，包括用以检测压力变化的霍尔传感器，其特征在于，霍尔传感器布设在传感器固定轴上，霍尔传感器包括第一传感器组和第二传感器组，传感器固定轴的一端设有用以安装第一传感器组的第一安装槽，传感器固定轴的周面上设有用以安装第二传感器组的第二安装槽，传感器固定轴的另一端设有用以安装机械手的安装孔，第一传感器组和第二传感器组的引脚通过布置在传感器固定轴上的导通件相连，传感器固定轴的外周面上设有防护层，霍尔传感器和导通件均位于传感器固定轴和防护层之间，防护层上设有橡胶磁贴，防护层远离传感器固定轴的一侧设有成型层，防护层和成型层均由铂催化硅橡胶制成。

2.根据权利要求1所述的一种柔性指尖接触传感器，其特征在于，传感器固定轴包括本体和安装件，本体和安装件均呈柱状，安装件与本体同轴布置且安装件的直径小于本体的直径，安装件的周面上设有定位孔，所述安装孔位于安装件远离本体的一端且沿安装件的轴向延伸，安装孔为螺纹孔。

3.根据权利要求2所述的一种柔性指尖接触传感器，其特征在于，本体的周面上设有均与第二安装槽相交的第一环形槽和第二环形槽，第二环形槽位于第一环形槽远离第一传感器组的一侧且与第一环形槽间隔排布，导通件包括第一导通件和第二导通件，第一导通件固定在第一环形槽内，第二导通件固定在第二环形槽内。

4.根据权利要求3所述的一种柔性指尖接触传感器，其特征在于，引脚包括电源引脚、接地引脚和信号引脚，电源引脚与第一导通件焊接相连，接地引脚与第二导通件焊接相连，信号引脚沿本体轴向朝靠近安装件的一端延伸，信号引脚上套设有用以与导通件绝缘分隔的热缩管。

5.根据权利要求3所述的一种柔性指尖接触传感器，其特征在于，沿传感器固定轴长度方向布置的导线连通第一导通件和第二导通件，导线包括第一导线和第二导线，第一导线和第二导线沿本体的径向对称排布。

6.根据权利要求2所述的一种柔性指尖接触传感器，其特征在于，第一安装槽和第二安装槽均为T型槽，T型槽包括水平槽和用以对引脚进行限位的竖直槽，竖直槽沿传感器固定轴的长度方向布置，第一安装槽的水平槽位于本体远离安装件的一端，第一安装槽的竖直槽和第二安装槽的竖直槽沿本体的长度方向错位排布。

7.根据权利要求1所述的一种柔性指尖接触传感器，其特征在于，铂催化硅橡胶选用Smooth-On EcoFlex 0030。

8.根据权利要求1所述的一种柔性指尖接触传感器，其特征在于，第一传感器组和第二传感器组中霍尔传感器的数目均为4个，橡胶磁贴包括第一磁贴组和第二磁贴组，防护层的端面上设有用以封装第一磁贴组的第一矩形槽，防护层的周面上设有用以封装第二磁贴组的第二矩形槽，第一矩形槽和第二矩形槽均沿防护层的厚度方向贯通。

9.根据权利要求3所述的一种柔性指尖接触传感器，其特征在于，呈环状的第一导通件和第二导通件均由铜材料制备。

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