[發明專利]一種高靈敏五自由度陣列式觸覺傳感器

有效

• 申請號: 201810224704.5
• 申請日: 2018-03-19
• 公開（公告）號: CN108680287B
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 楚中毅;蘇琳;孫俊;宋婷;朱康武
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01L1/14
• 分類號: G01L1/14
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;鄧治平

本發明涉及一種高靈敏五自由度陣列式觸覺傳感器，它由三層印刷電路板和兩層電介質層基于“三明治結構”堆疊而成，可獨立感知作用于觸覺傳感器的正壓力、剪切力和力矩。本發明將正壓力感應層進行陣列式拓展，基于多層印制電路板技術與合理PCB布線布局設計，解決陣列印發的大量走線布線困難與誘發干擾問題，實現觸覺傳感器空間力高分辨率檢測。本發明將觸覺傳感器的傳感單元與檢測電路集成于一體，消除導線傳輸過程產生的寄生電容，降低噪聲影響，檢測電路為傳感器單元提供AD轉換、有源屏蔽與數據交互。本發明的高靈敏五自由度傳感器既能實現多自由度空間力的解耦測量，還實現了高空間分辨率的空間力分布信息檢測，同時保證各維力的極高靈敏度檢測。

技術領域

本發明屬于傳感器技術領域，涉及一種觸覺傳感器，尤其是一種基于電容傳導方式的高靈敏五自由度陣列式觸覺傳感器。

背景技術

目前機器人已廣泛應用于工業自動化制造，并且它們的應用開始多樣化，例如開發人形機器人以幫助人們進行日常活動，并協助人們執行諸如交換對象的任務。為了保證智能機器人能夠安全地在未知非結構化的日常環境中工作，要求機器人獲取周圍環境對象的詳細信息，而詳細信息可通過不同感應源獲取，如視覺和觸覺。視覺反饋雖然已被廣泛地用于機器人的定位和形狀識別中，但其易受視線阻礙或燈光偏暗影響；相較之下，觸覺反饋可為機器人提供力和接觸信息，使其更易適應未知多樣性的環境，如人類可依靠全身覆蓋的皮膚感知系統接收大千世界的材質與形狀信息，因此觸覺傳感器對于機器人系統與外部世界安全地交互并精確地操縱物體是至關重要的。

為了應對各式各樣的外界激勵，機器人需要具備正壓力、剪切力、扭矩和彎曲等各種信息的感知能力。目前在觸覺傳感器研究歷程中，已然突破了三自由度力檢測，實現六自由度力和力矩的檢測。但就單個六自由度力和力矩觸覺傳感器而言，只局限于單接觸點的檢測，而忽略了整體接觸區域的檢測，無法為機器人提供關于觸覺的空間分布的信息，實現設備與接觸物體精確穩定的接觸。為了為機器人提供觸覺完備精確的空間分布信息，國內外學者針對觸覺傳感陣列開展了系列研究。

目前，國內外在觸覺傳感陣列方面的研究現況中，為了提高陣列傳感的空間分辨率，提出從拓展觸覺傳感器的陣列數與實現陣列單元的微型化兩個方向進行設計，但該兩個措施勢必引起陣列引出信號線驟增導致布線困難與雜散電容干擾產生，導致現有的陣列式傳感器難以突破更高分辨率。同時，目前研究現狀中，陣列式觸覺傳感器配備的陣列式掃描電路普遍存在體積大、大陣列規模掃描電路測量速度慢、不易于陣列數可拓展等問題，有待進一步研究。

目前，現有多自由度觸覺傳感器在多維力測量上，普遍存在切向靈敏度低于正向載荷測量靈敏度的問題，而對于觸覺傳感器來說，靈敏度是衡量觸覺傳感器的重要指標靈敏度，并且各向測量靈敏度不同級問題的存在，會阻礙觸覺傳感器對于空間多維力獨立檢測的實現。

目前，現有的觸覺傳感器與檢測電路大多是分離的，會導致在信號傳播途中干擾信號的增加，并且破壞傳感器的整體性；同時對于目前應用廣泛的電容式觸覺傳感器，很難實現微型化，因為電容觸覺傳感器微型化導致自身電容變小，使其易受寄生電容的影響，信噪比低，抗干擾的能力弱，不滿足傳感器的基本要求，無法為機器人提供可靠的載荷分布與力矩檢測數據，致使其控制機構無法及時做出正確的判斷。

綜上所述，現有的多維觸覺傳感器存在局限于單點檢測、各向測量靈敏度不同級且靈敏度有待提升、易受寄生電容的影響與存在干擾信號等問題，將導致所服務的機器人無法準確地獲取接觸物的空間分布信息，致使其控制機構無法及時地做出正確的判斷，保證不了智能機器人安全地在未知非結構化的日常環境中工作。因此要求多維觸覺傳感器實現陣列式、高靈敏度、微型化與集成化的特征。

發明內容

本發明的目的在于提供一種高靈敏五自由度陣列式觸覺傳感器，能夠克服以往觸覺傳感器切向檢測靈敏度低于正向檢測靈敏度的不足之處，實現高靈敏度空間力檢測，同時在滿足微型化和集成化的條件下保證具備信噪比高、低噪聲、重復性良好、滯后性低等傳感器的優良特性。