[發明專利]一種基于指點桿的多通道觸覺傳感器及相應的控制方法

有效

• 申請號: 201710963503.2
• 申請日: 2017-10-16
• 公開（公告）號: CN107807741B
• 公開（公告）日: 2020-08-14
• 發明（設計）人: 韓勇;熊振華;吳建華
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06F3/0338
• 分類號: G06F3/0338
• 代理公司: 上海旭誠知識產權代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

本發明公開了一種基于指點桿的多通道觸覺傳感器，涉及機器人工程領域，通過集成多個指點桿來實現多通道觸覺傳感器，包括多個指點桿、連接指點桿的母板以及外置無線收發器，其中指點桿和母板通過間距為一毫米的八管腳FPC卡座連接，母板的主控芯片并通過片多路選擇器選擇要通信的一個指點桿，主控芯片將這些數據按預定格式打包，并通過無線模塊nRF24L01+發送到上位機，上位機負責后續的信號處理，其中基于指點桿的多通道觸覺傳感器可以最多連接八個指點桿，最大支持十六個自由度，通信周期可以控制在一百毫秒以內，應用場合廣泛，可用于多自由度控制手柄的設計、機器人末端抓手的設計等。

技術領域

本發明涉及一種多通道觸覺傳感器，具體涉及基于指點桿的多通道觸覺傳感器。

背景技術

觸覺是自然界多數生物從外界環境獲取信息的重要形式之一，廣義的觸覺是指接觸、壓迫、滑動、溫度、濕度等的綜合，而狹義的觸覺則單指接觸面上的力覺，其嚴謹的概念包括接觸覺、壓覺和滑覺。觸覺對于虛擬現實技術中臨場感程度和交互性具有十分重要的現實意義。

觸覺傳感器是用于機器人中模仿觸覺功能的傳感器。其研究始于上世紀七十年代，在四十多年的發展歷程中，國內外的科研人員在傳感器工作機理的研究、敏感材料的開發、傳感器的結構設計、觸覺圖像的處理等多方面都做了大量的工作，并取得了巨大的成就。觸覺傳感器按功能可分為接觸覺傳感器、力—力矩覺傳感器、壓覺傳感器和滑覺傳感器等。

現階段工業機器人的挑戰主要集中在交互性、協作性和安全性等方面。讓機械臂如何感知周圍的環境是應對這些挑戰的關鍵。而觸覺或者力傳感器是讓機器人從重復勞作進化到有一定自主性的不可或缺的部分。傳統的觸覺或者力傳感器多是兩通道或者3通道的，而在機器人面對復雜非結構化的壞境時，這時遠遠不夠的。因此開發一種低成本、高可擴展性的多通道觸覺傳感器是非常有必要的。

美國專利申請號為5,521,596，發明名稱為“Analog input device located inthe primary typing area of a keyboard(位于鍵盤主要打字區的模擬輸入裝置)”，提出一種鼠標控制技術，該技術通過感受手指施加的力量轉化為鼠標坐標的輸出，它的力傳感器件是應變片，可以識別兩個相互正交方向的力的大小，但是該裝置只有兩個通道，即x,y通道。雖然在鼠標應用中取得成功，但是無法應用到通道要求更高的工業機器人領域。

Daniel M.Vogt等人在《IEEE Sensors Journal》,2013,13(10)公開了一篇文獻“Design and characterization of a soft multi-axis force sensor using embeddedmicrofluidic channels(使用嵌入式微流管道的軟體多軸力傳感器的設計)”。文中利用微流管道導電特性設計了一個三軸軟體力傳感器，并且還研究了各設計參數對傳感器效果的影響，但是這樣的設計存在輸出通道少、輸出范圍小、技術應用不成熟等缺點。

U.Kim等人在《IEEE/ASME Transactions on Mechatronics》，2016,PP(99)公開了一篇文獻“A novel six-axis force/torque sensor for robotic applications(應用在機器人領域的一種新型六軸力/力矩傳感器)”里設計了一種基于電容變化的六軸力/力矩傳感器，該設計具有結構緊湊、成本低廉等優點，但是它的輸出范圍小、可擴展性差、信號通道之間串擾大等缺點限制了它的大范圍應用。

因此，本領域技術人員致力于尋找一種高性價比的解決方案，構建一種結構簡單、實用性強、可擴展性強、信號通道串擾小的可應用于機器人上的多通道多維度觸覺傳感器，以此來實現高分辨率，高度靈活，可以無限的自由定制的工業機器人，例如典型的力控制設備等。

發明內容