[發明專利]一種仿人型機器人多指手柔性三維力觸覺傳感器及其三維力檢測系統

有效

• 申請號: 201210193314.9
• 申請日: 2012-06-13
• 公開（公告）號: CN102706489A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 張庭;姜力;劉宏;楊大鵬;樊紹巍
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01L1/18
• 分類號: G01L1/18;B25J13/08
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 牟永林

技術領域

本發明涉及機器人觸覺傳感器領域。

背景技術

觸覺傳感器是仿人型機器人多指手獲取接觸信息不可缺少的手段，根據觸覺傳感器提供的信息，仿人型機器人多指手可以對目標物體進行可靠抓取。仿人型機器人多指手在抓取物體時由于不能獲得接觸信息而導致的抓取不可靠會帶來極大的危險。現有的仿人型機器人多指手觸覺傳感器大都只能檢測法向力，而不能檢測到切向力的大小。但切向力的檢測對抓取的可靠性有著很重要的作用。并且仿人型機器人多指手觸覺傳感器要求觸覺傳感器具有高度柔性和小型化，可以貼服手指表面和集成在仿人型機器人多指手的手指中。

中國科學院合肥智能機械研究所的梅濤等人申請的專利“柔性三維力觸覺傳感器”，公開號為CN1796954，公開日為2006年07月05日；

該傳感器采用MEMS工藝制作，整體具有柔性，可以檢測三維力。但該傳感器尺寸較大、加工工藝復雜、缺乏高度柔性，不適合機器人多指手應用。且專利中未提出信號采集電路，信號采集電路的性能及尺寸對傳感器的應用有很大的影響。

合肥工業大學的黃英等人申請的專利“基于柔性壓敏導電橡膠的觸覺傳感器”，公開號為CN101231200，公開日為2008年07月30日；

該傳感器采用壓敏導電橡膠，傳感器整體具有高度柔性，可以檢測三維力。但是該傳感器采用單層電極層結構，傳感器受電極接觸面積的影響單個觸覺單元的尺寸受到限制，不適合殘疾人假手應用；壓敏導電橡膠具有高的遲滯特性、線性度差。且專利中未提出信號采集電路，信號采集電路的性能及尺寸對傳感器的應用有很大的影響。

本專利采用的壓敏材料是“具有量子隧道效應的復合材料QTCQuantum?Tunneling?Composites，由英國Peratech公司研發”。

QTC的工作原理為：當QTC不受外力施壓時，其本體為絕緣體，電阻阻值高達1kΩ；當QTC受到外力施壓時，本體發生壓縮形變，壓縮區域的金屬粒子彼此接近在電場力的作用下產生隧道電流；當QTC受到的外力增加到某一閾值時，QTC將呈現導電的特性，其電阻值可達到10Ω。

發明內容

本發明的目的是針對多數觸覺傳感器只能采集法向力而不能像人手皮膚一樣可以檢測法向力的同時檢測力的問題，提供的一種仿人型機器人多指手柔性三維力觸覺傳感器及其三維力檢測系統。

一種仿人型機器人多指手柔性三維力觸覺傳感器，它從上至下依次由傳力半球層、柔性頂層電極層、具有量子隧道效應的復合材料QTC層和柔性底層電極層組成；

傳力半球層上設置有十二個傳力半球，所述十二個傳力半球呈二行六列的陣列式排列；

柔性頂層電極層為柔性電路板結構，柔性頂層電極層上設置有十二組測量電極和八根金手指，該八根金手指包括八個管腳，分別是管腳R01、管腳R02、管腳R03、管腳R04、管腳R05、管腳R06、管腳R07和管腳R08；每組測試電極由四個形狀相同的扇形鍍金電極組成，所述扇形鍍金電極的圓心角為90度，每組測試電極中的四個扇形鍍金電極組成圓形，該圓形的直徑與柔性底層電極層上的圓形電極的直徑相同，每組測試電極中的四個扇形鍍金電極分別為電極A、電極B、電極C和電極D，十二組測量電極呈二行六列的陣列式排列；

具有量子隧道效應的復合材料QTC層是由通過室溫硫化的絕緣硅橡膠將十二個圓形具有量子隧道效應的復合材料QTC圓片膠結在一起形成的，該具有量子隧道效應的復合材料QTC圓片的直徑與柔性底層電極層上的圓形電極的直徑相同，十二個具有量子隧道效應的復合材料QTC圓片呈二行六列的陣列式排列；

柔性底層電極層為柔性電路板結構，柔性底層電極層上設置有十二個電極和十二根金手指，每個電極均為圓形鍍金電極，所述十二個電極呈二行六列的陣列式排列；

傳力半球層上的十二個傳力半球、柔性頂層電極層上的十二組測量電極、具有量子隧道效應的復合材料QTC層上的十二個具有量子隧道效應的復合材料QTC圓片和柔性底層電極層上的十二個圓形電極分別一一對應；

并且傳力半球層上的一個半球、柔性頂層電極層上的一組電極、具有量子隧道效應的復合材料QTC層上的一個具有量子隧道效應的復合材料QTC圓片和柔性底層電極層上的一個圓形電極構成了一個觸覺單元，共十二個觸覺單元，并且相對應的一個傳力半球、一組電極、一個圓形具有量子隧道效應的復合材料QTC和圓形電極同軸；所述十二個觸覺單元的前三列的六個觸覺單元組成第一關節傳感單元，后三列的六個觸覺單元組成第二關節傳感單元；