一種柔性觸覺傳感器及觸覺信息檢測方法

專利名稱：一種柔性觸覺傳感器及觸覺信息檢測方法
技術領域：
本發明涉及機器人傳感器領域，特別涉及一種柔性觸覺傳感器及觸覺信息檢測方法。該傳感器能自適應目標物體的表面形狀，研制成功后可應用于機器人技術領域，能安裝在機械手夾持器表面或機器人手指的指面等位置，“軟接觸”地獲取接觸位置、接觸力的空間分布以及目標物體的局部形狀等觸覺信息，提高抓取和傳送等過程的可靠性，也可安裝在移動式機器人的身體周圍用于避障。
背景技術：
觸覺傳感器是機器人極其重要的傳感器之一，根據觸覺傳感器提供的信息，機器人可對目標物體進行抓取，并可進一步感知它的形狀、軟硬等物理性質。觸覺傳感器的一個重要發展趨勢是要求它具有一定的柔性，即希望它的工作面能像人的皮膚那樣柔軟且富有彈性，藉此通過變形自適應目標物體的表面形狀，增大接觸面，這樣一方面有利于更加牢固可靠地抓握目標物體，另一方面還可以獲取較多的觸覺信息。
早期的觸覺傳感器主要有機械式觸覺傳感器和彈性式觸覺傳感器兩種，它們體積較大，空間分辨率較低，并且采用“硬接觸”工作方式，即傳感器工作面不能產生柔性變形以自適應目標物體的表面形狀，因此它們在機器人技術領域難以得到較為廣泛的應用。
隨著傳感器技術的發展，出現了壓阻式、電容式和光學式三種觸覺傳感器。
壓阻式觸覺傳感器一般采用在彈性體結構中貼應變片的方法，其缺點是傳感器的體積難以進一步縮小，一致性和精度都較差。壓阻式觸覺傳感器還可以采用半導體工藝直接在硅片上制作，其精度和一致性有了很大改善，體積也大大減小，但由于它采用雙面加工工藝制作，因而不能與半導體集成電路工藝完全兼容，其觸覺空間分辨率也難以進一步提高。采用這兩種方法制作的壓阻式觸覺傳感器也是采用“硬接觸”工作方式。
電容式觸覺傳感器在接觸到目標物體時，其中的一個電極會發生移動，從而引起電容量的改變，但它接觸變形較小，基本上不能自適應目標物體的表面形狀，因此屬于“硬接觸”式觸覺傳感器，并且在電容式觸覺傳感器中存在可動電極，其壽命不是很長，可靠性也不是很高。
光學式觸覺傳感器主要是指光纖觸覺傳感器，美國曾制作出一種內置光纖的橢球狀柔性觸覺傳感器，它采用“軟接觸”工作方式，其工作面具有較大的接觸變形，能夠自適應目標物體的表面形狀，不過它僅能通過檢測自身的變形量計算出目標物體的表面形狀，卻不能計算出接觸力的大小及分布，并且光學式觸覺傳感器的系統均較為復雜，除了傳感器本身外，還需外接照明光纖、微型CCD以及用于圖像處理的高速計算機等，因此難以小型化。
除了上述觸覺傳感器以外，國內最近研制出一種基于真空微電子技術的新型觸覺傳感器，它有很高的觸覺空間分辨率和較高的靈敏度，但也是采用“硬接觸”工作方式，接觸變形小，并且存在可動電極，其壽命及長期穩定性還有待改善。
此外，日本研制出一種無線型柔性觸覺傳感器，其敏感單元本身采用無線方式工作，不過需要位于敏感單元底部的線圈陣列通過互感方式為其提供電能，同時取出敏感信號，將其傳遞給與線圈陣列相連的計算機中進行處理。這種傳感器在設計和使用方面均不是很靈活，尺寸過大，僅單個功率接收線圈的直徑就達到22mm，空間分辨率很低，并且敏感元件依賴于其底部的與計算機相連的線圈陣列，因此它并不是一種真正意義上采用無線方式工作的觸覺傳感器。該傳感器目前只制作出原理演示樣機，并未開發出可實用化的產品。

發明內容
鑒于現有各種觸覺傳感器的一些不足之處，本發明目的是提出了一種新的柔性觸覺傳感器及觸覺信息檢測方法，該傳感器具有較高的靈敏度和空間分辨率，其工作面能通過柔性變形自適應目標物體的表面形狀，能夠“軟接觸”地獲取接觸位置、接觸力的空間分布以及目標物體的局部形狀等觸覺信息。
本發明的技術內容是一種柔性觸覺傳感器，由傳感器探頭和信號處理電路這兩部分組成，其特征在于
傳感器探頭主要包括磁性橡膠(1)、彈性夾層(2)、磁敏陣列(3)和玻璃襯底(4)；磁性橡膠(1)位于傳感器探頭的最外層，它作為工作面直接與被測物體接觸，在磁性橡膠(1)工作面上沒有任何電子器件和電極，因而不會出現因接觸和抓取目標物體可能導致的電子器件及其線路損壞情況，因此可靠性較好；磁性橡膠(1)的下面是彈性夾層(2)，它是磁性橡膠(1)和磁敏陣列(3)之間的緩沖層；磁性橡膠(1)和彈性夾層(2)均為柔性材料，在外力作用下較容易變形，但發生變形時磁性橡膠(1)的厚度并不改變，而彈性夾層(2)在厚度方向上可被壓縮，因此彈性夾層(2)為磁性橡膠(1)工作面提供了一個較大的變形空間以自適應被測物體的局部表面形狀，這使得傳感器能夠以“軟接觸”方式工作，因而能有效避免“硬接觸”可能導致的被測物體表面以及傳感器本身的損傷，同時由于磁性橡膠(1)和彈性夾層(2)能產生自適應目標物體被接觸部分表面形狀的受壓變形，因而增大了接觸面積，使得接觸和抓取過程更加可靠，并且還能夠獲取更多的力學信息；彈性夾層(2)的下面是磁敏陣列(3)，陣列中的磁敏單元(5)是采用剛性的硅材料制作而成的磁敏二極管或磁敏三極管，用來檢測磁敏陣列(3)表面附近的磁場強度分布，同霍爾元件相比，磁敏二極管和磁敏三極管具有較高的靈敏度，并且其制作工藝與集成電路工藝兼容，因此集成度較高，即磁敏陣列(3)中的磁敏單元(5)密度較高，因而能實現較高的觸覺空間分辨率；玻璃襯底(4)是一種與硅的熱膨脹系數非常接近的硼硅玻璃材料，位于傳感器探頭的最底層，主要起支撐、隔熱、絕緣作用；玻璃襯底(4)通過靜電封接技術鍵合在磁敏陣列(3)的背面，彈性夾層(2)和磁性橡膠(1)則通過微組裝技術依次安裝在磁敏陣列(3)的正面，磁性橡膠(1)工作面或彈性夾層(2)一旦損傷或失去彈性，可僅對這兩部分單獨進行拆卸更換，不用更換磁敏陣列(3)，因此維護方便，維護成本低廉，但更換磁性橡膠(1)或彈性夾層(2)后需要重新對磁敏陣列(3)的輸出信號進行標定；
所述的柔性觸覺傳感器第二部分信號處理電路主要包括電流放大電路、開關選通電路、A/D和D/A轉換電路、信號比較電路、單片機、存儲器、顯示電路、電源，各電路之間的結構連接關系是傳感器探頭中的磁敏二極管或磁敏三極管信號輸出，連接到信號處理電路中的電流放大電路，信號經該電路放大后輸出連接到帶有開關選通電路的A/D轉換電路和信號比較電路，將放大后的信號轉換為數字量，并輸出連接到單片機、存儲器、顯示電路，由單片機進行處理，完成磁敏單元(5)輸出信號的采集和解釋，并可通過顯示電路顯示、D/A轉換電路輸出連接和存入存儲器；傳感器探頭磁敏陣列(3)中的每個磁敏單元(5)都通過上述方式連接信號處理電路，各個磁敏單元(5)通過開關選通電路進行選擇，依次對磁敏陣列(3)中的每個磁敏單元(5)的輸出信號進行處理，信號處理電路中的所有電路和元件都通過電源供電和導線連接，傳感器探頭和信號處理電路連接組裝在一起。
開關選通電路在單片機的控制下依次提取磁敏陣列(3)中每個磁敏單元(5)的輸出電流信號，經電流放大電路加以放大，再經過A/D轉換后將數據存儲于存儲器中；信號比較電路在單片機的控制下對傳感器接觸目標物體后的輸出信號與接觸目標物體前存儲于存儲器中的信號進行比較，并將比較的結果解釋成一個完整的觸覺信號，再通過D/A轉換電路和顯示電路顯示出觸覺信息。
所述的傳感器的制作方法是1)根據特定應用領域的需求，確定傳感器探頭的工作面尺寸、空間分辨率和靈敏度，其中傳感器探頭的工作面尺寸主要取決于磁敏陣列(3)的平面尺寸；磁敏陣列(3)采用微電子技術制作，其平面尺寸可以很小，但單個磁敏陣列(3)的最大尺寸不超過單個硅片的平面尺寸；小型柔性觸覺傳感器探頭的結構中必須采用小尺寸的磁敏陣列(3)，最小的柔性觸覺傳感器甚至能夠安裝在機器人的指面，為機器人提供非常豐富的觸覺信息；
對于較大的柔性觸覺傳感器，在其探頭的結構中需要采用大尺寸的磁敏陣列(3)，因此在工藝條件許可的前提下可以挑選直徑較大的硅片來制作大尺寸的磁敏陣列(3)，或者通過混合集成的方式將數個磁敏陣列(3)組裝成一個較大的“復合”觸覺敏感陣列，由此制作出的大尺寸柔性觸覺傳感器可安裝在機械臂末端的夾持器表面，用于無損地抓取和傳送較大的物體，同時提供力學反饋控制信號，提高抓取的可靠性；2)根據傳感器探頭的尺寸要求，確定磁敏陣列(3)的平面尺寸，并結合工藝條件確定單個磁敏陣列(3)的尺寸以及是否需要采用混合集成方式組成一個“復合”磁敏陣列(3)；3)根據已選定的磁敏陣列(3)的平面尺寸，確定彈性夾層(2)、磁性橡膠(1)和玻璃襯底(4)的平面尺寸；4)根據空間分辨率的要求確定磁敏單元(5)的最大尺寸，實際制作的磁敏單元(5)可以小于該尺寸以提高空間分辨率；5)根據靈敏度的要求確定磁敏單元(5)是采用磁敏二極管還是采用磁敏三極管，與磁敏二極管相比，磁敏三極管具有更高的靈敏度，但制作工藝更加復雜；當對靈敏度的要求不是很高時，可選用磁敏二極管作為磁敏單元(5)以降低工藝制作難度，當要求傳感器具有較高的觸覺靈敏度時，可選用磁敏三極管作為磁敏單元(5)；當采用磁敏三極管仍然難以達到靈敏度的要求時，在滿足一定的觸覺空間分辨率的前提下，可將數個相鄰的磁敏二極管或磁敏三極管組成一個“復合”磁敏單元(5)，再由這些“復合”磁敏單元(5)構成整個磁敏陣列(3)，采用這種方法能夠檢測出非常微弱的磁場變化，具有很高的觸覺靈敏度；6)根據已選定的磁敏單元(5)的靈敏度，通過理論計算確定彈性夾層(2)的厚度、磁性橡膠(1)的厚度以及磁性橡膠(1)表面附近的最低磁感應強度；7)采用有限元分析方法對磁性橡膠(1)和彈性夾層(2)的受力變形以及磁性橡膠(1)變形后的空間磁場的重新分布進行數值計算，進而完成對磁性橡膠(1)和彈性夾層(2)的材料參數和結構參數的優化設計；
在傳感器探頭中，磁性橡膠(1)工作面、彈性夾層(2)、磁敏陣列(3)和玻璃襯底(4)的制作工藝相互獨立，因而在磁性橡膠(1)和彈性夾層(2)的材料參數和結構參數確定以后，即可同步進行磁性橡膠(1)工作面、彈性夾層(2)、磁敏陣列(3)和玻璃襯底(4)這四部分的單獨制作，全部制作完成后再組裝成傳感器探頭，這有利于提高成品率，同時也使得該傳感器探頭的制作工藝較為靈活；8)采用微電子技術制作磁敏陣列(3)，包括版圖設計、制版、工藝流水、芯片封裝、測試等；9)采用靜電封接技術將磁敏陣列(3)與玻璃襯底(4)鍵合在一起；10)采用微加工技術制作彈性夾層(2)，并將其安裝在磁敏陣列(3)表面；11)選用質地均勻且具有較大柔性的永磁性橡膠材料，將其加工成所需尺寸要求的磁性橡膠(1)工作面，要求磁性橡膠(1)產生的磁力線方向與工作面的法線方向相一致，這樣能夠保證磁敏陣列(3)平面與磁性橡膠(1)的磁極相垂直，從而提高傳感器的靈敏度；對于磁力線方向與橡膠面垂直的磁性橡膠(1)，可以直接將一塊完整的磁性橡膠(1)組裝在彈性夾層(2)表面；對于磁力線方向與橡膠面平行的磁性橡膠(1)，需要先采用微加工技術將其分離成多個同樣大小的磁性橡膠單元(6)，再將這些分立的磁性橡膠單元(6)旋轉90°后均勻地組裝在彈性夾層(2)表面，從而形成一個磁性橡膠單元(6)陣列，其中所有磁性橡膠單元(6)的磁極都垂直于磁敏陣列(3)；12)采用電子線路技術制作信號處理電路，并與傳感器探頭進行連接調試，其中信號處理電路部分包括電源、A/D和D/A轉換電路、開關選通電路、電流放大電路、信號比較電路、單片機、存儲器、顯示電路；13)對傳感器進行標定，即通過信號處理電路依次提取和處理磁敏陣列(3)中每個磁敏單元(5)在傳感器探頭接觸已知目標物體前后的輸出電流信號，并采用神經網絡技術對這些信號進行處理，將其解釋成相應的觸覺信號。
所述的傳感器對觸覺信息進行測定的方法是傳感器探頭的最外層磁性橡膠(1)是一種永磁材料，在其附近空間存在著一定的磁場分布，位于彈性夾層(2)下面的磁敏陣列(3)對外界磁場較為敏感，陣列中每個磁敏單元(5)的工作電流均會隨著磁感應強度的變化而相應改變，因此磁性橡膠(1)產生的磁場影響著每個磁敏單元(5)的工作電流；當傳感器探頭未接觸任何物體時，磁性橡膠(1)和彈性夾層(2)不會發生任何形變，因此磁性橡膠(1)附近的空間磁場分布不變，此時磁敏陣列中所有磁敏單元(5)與磁性橡膠(1)面的垂直距離均保持著初始狀態的固定值，每個磁敏單元(5)處的磁感應強度不變，它們的工作電流也不變；當傳感器探頭與目標物體接觸時，磁性橡膠(1)工作面受力向內凹進變形并壓縮彈性夾層(2)，使得與接觸位置相對應的磁敏單元(5)與磁性橡膠(1)工作面的垂直距離縮短，并導致這些磁敏單元(5)處的磁感應強度增強，從而使得它們的工作電流產生較為顯著的變化，通過檢測磁敏陣列(3)中每個磁敏單元(5)的工作電流變化情況，即可獲取接觸位置、接觸力的空間分布以及目標物體的局部形狀等觸覺信息。
本發明所提出的這種柔性觸覺傳感器具有如下特點1)位于傳感器探頭外側的磁性橡膠(1)和彈性夾層(2)均為柔性材料，因此該傳感器采用“軟接觸”工作方式，能有效避免“硬接觸”可能導致的被測物體表面以及傳感器本身的損傷；2)傳感器探頭接觸目標物體時，磁性橡膠(1)和彈性夾層(2)產生自適應目標物體被接觸部分表面形狀的受壓變形，這不僅增大了接觸面積，使得接觸和抓取過程更加可靠，同時還能夠獲取更多的力學信息；3)傳感器探頭的結構較為簡單，其中磁性橡膠(1)工作面、彈性夾層(2)、磁敏陣列(3)、玻璃襯底(4)的制作工藝相互獨立，可分別單獨制作完成后再組裝成傳感器探頭，這有利于提高成品率，同時也使得該傳感器的加工工藝較為靈活；
4)傳感器探頭中的磁敏單元(5)為磁敏二極管或磁敏三極管，與常用的與霍爾元件相比，磁敏二極管和磁敏三極管具有較高的靈敏度，并且其制作工藝與集成電路工藝兼容，因此集成度較高，即磁敏陣列(3)中的磁敏單元(5)密度較高，因而能實現較高的觸覺空間分辨率；5)與磁敏二極管相比，磁敏三極管具有更高的靈敏度，但制作工藝更加復雜；當對靈敏度的要求不是很高時，可選用磁敏二極管作為磁敏單元(5)以降低工藝制作難度；當要求傳感器具有較高的觸覺靈敏度時，可選用磁敏三極管作為磁敏單元(5)；6)當采用磁敏三極管仍然難以達到靈敏度的要求時，在滿足一定的觸覺空間分辨率的前提下，可將數個相鄰的磁敏二極管或磁敏三極管組成一個“復合”磁敏單元(5)，再由這些“復合”磁敏單元(5)構成整個磁敏陣列(3)，采用這種方法能夠檢測出非常微弱的磁場變化，具有很高的觸覺靈敏度；7)在傳感器探頭的工作面上沒有任何電子器件和電極，因而不會出現因接觸和抓取目標物體可能導致的電子器件及其線路損壞情況，因此可靠性較好；8)磁性橡膠(1)工作面或彈性夾層(2)一旦損傷或失去彈性，可僅對這兩部分單獨進行拆卸更換，不用更換磁敏陣列(3)，因此維護方便，維護成本低廉，但更換磁性橡膠(1)或彈性夾層(2)后需要對傳感器重新進行標定；9)在傳感器探頭的設計中，要求磁性橡膠(1)產生的磁力線垂直穿過磁性橡膠(1)平面，這樣能夠保證磁敏陣列(3)平面與磁性橡膠(1)的磁極相垂直，從而提高傳感器的靈敏度；對于磁力線方向與橡膠面垂直的磁性橡膠(1)，可以直接將一塊完整的磁性橡膠(1)組裝在彈性夾層(2)表面；對于磁力線方向與橡膠面平行的磁性橡膠(1)，則需要先采用微加工技術將橡膠面分離成多個同樣大小的磁性橡膠單元(6)，將這些分立的磁性橡膠單元(6)旋轉90°后組裝成一個新的磁性橡膠單元(6)陣列，再將該陣列安裝在彈性夾層(2)表面，其中所有磁性橡膠單元(6)的磁極都正對著磁敏陣列(3)；10)傳感器探頭的工作面大小主要取決于磁敏陣列(3)的平面尺寸；磁敏陣列(3)采用微電子技術制作，其尺寸可以很小，也可以較大；小型柔性觸覺傳感器的結構中必須采用非常豐富的觸覺信息；單個磁敏陣列(3)的最大尺寸取決于硅片的尺寸，在工藝條件許可的前提下可以挑選直徑較大的硅片來制作大尺寸的磁敏陣列(3)，甚至還可以通過混合集成的方式將數個磁敏陣列(3)組裝成一個更大的觸覺敏感陣列，再選擇相應尺寸的磁性橡膠(1)、彈性夾層(2)和玻璃襯底(4)，即可制作出較大尺寸的柔性觸覺傳感器，可安裝在機械臂末端的夾持器表面，用于無損地抓取和傳送較大的物體，同時提供力學反饋控制信號，提高抓取的可靠性。
本發明的有益效果是采用本專利所提出的設計方法，能夠制作出一種新型柔性觸覺傳感器，它具有較高的靈敏度和空間分辨率，其工作面通過柔性變形自適應目標物體的表面形狀，能夠“軟接觸”地獲取接觸位置、接觸力的空間分布以及目標物體的局部形狀等觸覺信息；這種傳感器具有不同的規格尺寸，可形成一種系列，以滿足不同領域的應用需求；該傳感器研制成功后可直接用于機器人技術領域，能安裝在機器人手指的指面或機械手夾持器表面，提高抓取和傳送等過程的可靠性，也可安裝在移動式機器人的身體周圍用于避障。


圖1是具有完整磁性橡膠工作面的新型柔性觸覺傳感器探頭結構示意圖；圖2是工作面由分立磁性橡膠單元組成的新型柔性觸覺傳感器探頭結構示意圖；圖3是信號處理電路連接示意圖。
圖中1.磁性橡膠(磁力線垂直于橡膠平面)，2.彈性夾層，3.磁敏陣列，4.玻璃襯底，5.磁敏單元，6.磁性橡膠單元(磁極方向垂直于彈性夾層和磁敏陣列)，AMP.電流放大電路，MUX.開關選通電路，A/D.A/D轉換電路，D/A.D/A轉換電路，CP.信號比較電路，MCU.單片機，RAM.存儲器，DISPLAY.顯示電路，POWER.電源。
具體實施例方式
本發明所提出的柔性觸覺傳感器由傳感器探頭和信號處理電路這兩部分組成。傳感器探頭的結構有兩種，分別示于圖1和圖2。這兩種傳感器探頭都主要包括磁性橡膠1、彈性夾層2、磁敏陣列3和玻璃襯底4。磁性橡膠1位于傳感器探頭的最外層，它作為工作面直接與被測物體接觸。在磁性橡膠1工作面上沒有任何電子器件和電極，因而不會出現因接觸和抓取目標物體可能導致的電子器件及其線路損壞情況，因此可靠性較好。磁性橡膠1的下面是彈性夾層2，它是磁性橡膠1和磁敏陣列3之間的緩沖層。磁性橡膠1和彈性夾層2均為柔性材料，在外力作用下較容易變形，但發生變形時磁性橡膠1的厚度并不改變，而彈性夾層2在厚度方向上可被壓縮，因此彈性夾層2為磁性橡膠1工作面提供了一個較大的變形空間以自適應被測物體的局部表面形狀，這使得傳感器能夠以“軟接觸”方式工作，因而能有效避免“硬接觸”可能導致的被測物體表面以及傳感器本身的損傷。此外由于磁性橡膠1和彈性夾層2能產生自適應目標物體被接觸部分表面形狀的受壓變形，因而增大了接觸面積，使得接觸和抓取過程更加可靠，并且還能夠獲取更多的力學信息。
在彈性夾層2的下面是磁敏陣列3，陣列中的磁敏單元5是采用剛性的硅材料制作而成的磁敏二極管或磁敏三極管，用來檢測磁敏陣列3表面附近的磁場強度分布。同霍爾元件相比，磁敏二極管和磁敏三極管具有較高的靈敏度，并且其制作工藝與集成電路工藝兼容，因此集成度較高，即磁敏陣列3中的磁敏單元5密度較高，因而能實現較高的觸覺空間分辨率。
玻璃襯底4是一種與硅的熱膨脹系數非常接近的硼硅玻璃材料，位于傳感器探頭的最底層，主要起支撐、隔熱、絕緣作用。玻璃襯底4通過靜電封接技術鍵合在磁敏陣列3的背面，彈性夾層2和磁性橡膠1則通過微組裝技術依次安裝在磁敏陣列3的正面。磁性橡膠1工作面或彈性夾層2一旦損傷或失去彈性，可僅對這兩部分單獨進行拆卸更換，不用更換磁敏陣列3，因此維護方便，維護成本低廉。
圖3是信號處理電路連接示意圖。信號處理電路主要包括電流放大電路(AMP)、開關選通電路(MUX)、A/D轉換電路(A/D)和D/A轉換電路(D/A)、信號比較電路(CP)、單片機(MCU)、存儲器(RAM)、顯示電路(DISPLAY)、電源(POWER)，各電路之間的結構連接關系是傳感器探頭中的磁敏二極管或磁敏三極管信號輸出，連接到信號處理電路中的電流放大電路(AMP)，信號經該電路放大后輸出連接到帶有開關選通電路(MUX)的A/D轉換電路(A/D)和信號比較電路(CP)，將放大后的信號轉換為數字量，并輸出連接到單片機(MCU)、存儲器(RAM)、顯示電路(DISPLAY)，由單片機(MCU)進行處理，完成磁敏單元5輸出信號的采集和解釋，并可通過顯示電路(DISPLAY)顯示、D/A轉換電路(D/A)輸出連接和存入存儲器(RAM)；
傳感器探頭磁敏陣列3中的每個磁敏單元5都通過上述方式連接信號處理電路，各個磁敏單元5通過開關選通電路(MUX)進行選擇，依次對磁敏陣列3中的每個磁敏單元5的輸出信號進行處理，信號處理電路中的所有電路和元件都通過電源(POWER)供電和導線連接，傳感器探頭和信號處理電路連接組裝在一起。
開關選通電路(MUX)在單片機的控制下依次提取磁敏陣列3中每個磁敏單元5的輸出電流信號，經電流放大電路(AMP)加以放大，再經過A/D轉換電路(A/D)后將數據存儲于存儲器(RAM)中，在信號比較電路(CP)和單片機(MCU)的控制下對傳感器接觸目標物體后的輸出信號與接觸目標物體前存儲于存儲器(RAM)中的信號進行比較，并將比較的結果解釋成一個完整的觸覺信號，再通過D/A轉換電路(D/A)和顯示電路(DISPLAY)顯示出觸覺信息。
該柔性觸覺傳感器的研制過程如下1)根據特定應用領域的需求，確定傳感器探頭的工作面尺寸、空間分辨率和靈敏度，其中傳感器探頭的工作面尺寸主要取決于磁敏陣列3的平面尺寸；磁敏陣列3采用微電子技術制作，其平面尺寸可以很小，但單個磁敏陣列3的最大尺寸不超過單個硅片的平面尺寸；小型柔性觸覺傳感器探頭的結構中必須采用小尺寸的磁敏陣列3，最小的柔性觸覺傳感器甚至能夠安裝在機器人的指面，為機器人提供非常豐富的觸覺信息；對于較大的柔性觸覺傳感器，在其探頭的結構中需要采用大尺寸的磁敏陣列3，因此在工藝條件許可的前提下可以挑選直徑較大的硅片來制作大尺寸的磁敏陣列3，或者通過混合集成的方式將數個磁敏陣列3組裝成一個較大的“復合”觸覺敏感陣列，由此制作出的大尺寸柔性觸覺傳感器可安裝在機械臂末端的夾持器表面，用于無損地抓取和傳送較大的物體，同時提供力學反饋控制信號，提高抓取的可靠性；2)根據傳感器探頭的尺寸要求，確定磁敏陣列3的平面尺寸，并結合工藝條件確定單個磁敏陣列3的尺寸以及是否需要采用混合集成方式組成一個“復合”磁敏陣列3；3)根據已選定的磁敏陣列3的平面尺寸，確定彈性夾層2、磁性橡膠1和玻璃襯底4的平面尺寸；4)根據空間分辨率的要求確定磁敏單元5的最大尺寸，實際制作的磁敏單元5可以小于該尺寸以提高空間分辨率；5)根據靈敏度的要求確定磁敏單元5是采用磁敏二極管還是采用磁敏三極管，與磁敏二極管相比，磁敏三極管具有更高的靈敏度，但制作工藝更加復雜；當對靈敏度的要求不是很高時，可選用磁敏二極管作為磁敏單元5以降低工藝制作難度，當要求傳感器具有很高的觸覺靈敏度時，可選用磁敏三極管作為磁敏單元5；當采用磁敏三極管仍然難以達到靈敏度的要求時，在滿足一定的觸覺空間分辨率的前提下，可將數個相鄰的磁敏二極管或磁敏三極管組成一個“復合”磁敏單元5，再由這些“復合”磁敏單元5構成整個磁敏陣列3，采用這種方法能夠檢測出非常微弱的磁場變化，具有很高的觸覺靈敏度；6)根據已選定的磁敏單元5的靈敏度，通過理論計算確定彈性夾層2的厚度、磁性橡膠1的厚度以及磁性橡膠1表面附近的最低磁感應強度；7)采用有限元分析方法對磁性橡膠1和彈性夾層2的受力變形以及磁性橡膠1變形后的空間磁場的重新分布進行數值計算，進而完成對磁性橡膠1和彈性夾層2的材料參數和結構參數的優化設計；8)采用微電子技術制作磁敏陣列3，包括版圖設計、制版、工藝流水、芯片封裝、測試等；9)采用靜電封接技術將磁敏陣列3與玻璃襯底4鍵合在一起；10)采用微加工技術制作彈性夾層2，并將其安裝在磁敏陣列3表面；11)選用質地均勻且具有較大柔性的永磁性橡膠材料，將其加工成所需尺寸要求的磁性橡膠1工作面，要求磁性橡膠1產生的磁力線方向與工作面的法線方向相一致，這樣能夠保證磁敏陣列3平面與磁性橡膠1的磁極相垂直，從而提高傳感器的靈敏度；對于磁力線方向與橡膠面垂直的磁性橡膠1，可以直接將一塊完整的磁性橡膠1組裝在彈性夾層2表面；對于磁力線方向與橡膠面平行的磁性橡膠1，需要先采用微加工技術將其分離成多個同樣大小的磁性橡膠單元6，再將這些分立的磁性橡膠單元6旋轉90°后均勻地組裝在彈性夾層2表面，從而形成一個磁性橡膠單元6陣列，其中所有磁性橡膠單元6的磁極都垂直于磁敏陣列3；12)采用電子線路技術制作信號處理電路，并與傳感器探頭進行連接調試，其中信號處理電路部分包括電源、A/D和D/A轉換電路、開關選通電路、電流放大電路、信號比較電路、單片機、存儲器、顯示電路；13)對傳感器進行標定，即通過信號處理電路依次提取和處理磁敏陣列3中每個磁敏單元5在傳感器探頭接觸已知目標物體前后的輸出電流信號，并采用神經網絡技術對這些信號進行處理，將其解釋成相應的觸覺信號。
經過標定的柔性觸覺傳感器即可用來對未知目標物體進行檢測。由于傳感器探頭最外層磁性橡膠1是一種永磁材料，因此在其附近空間存在著一定的磁場分布；位于彈性夾層2下面的磁敏陣列3對外界磁場較為敏感，陣列中每個磁敏單元5的工作電流均會隨著磁感應強度的變化而相應改變，因此磁性橡膠1產生的磁場影響著每個磁敏單元5的工作電流。
當傳感器探頭未接觸任何物體時，磁性橡膠1和彈性夾層2不會發生任何形變，因此磁性橡膠1附近的空間磁場分布不變，此時磁敏陣列中所有磁敏單元5與磁性橡膠1面的垂直距離均保持著初始狀態的固定值，每個磁敏單元5處的磁感應強度不變，它們的工作電流也不變。
當傳感器探頭與目標物體接觸時，磁性橡膠1工作面受力向內凹進變形并壓縮彈性夾層2，使得與接觸位置相對應的磁敏單元5與磁性橡膠1工作面的垂直距離縮短，并導致這些磁敏單元5處的磁感應強度增強，從而使得它們的工作電流產生較為顯著的變化。通過檢測磁敏陣列3中每個磁敏單元5的工作電流變化情況，即可無損地獲取接觸位置、接觸力的空間分布以及目標物體的局部形狀等觸覺信息，該信息可被用來感知外部環境，或者為更加可靠地抓取和傳送目標物體提供觸覺信息反饋。
權利要求
1.一種柔性觸覺傳感器，由傳感器探頭和信號處理電路這兩部分組成，其特征在于所述的第一部分傳感器探頭主要包括磁性橡膠(1)、彈性夾層(2)、磁敏陣列(3)和玻璃襯底(4)；磁性橡膠(1)位于傳感器探頭的最外層，它作為工作面直接與被測物體接觸，在磁性橡膠(1)工作面上沒有任何電子器件和電極，因而不會出現因接觸和抓取目標物體可能導致的電子器件及其線路損壞情況；磁性橡膠(1)的下面是彈性夾層(2)，它是磁性橡膠(1)和磁敏陣列(3)之間的緩沖層；磁性橡膠(1)和彈性夾層(2)均為柔性材料，在外力作用下較容易變形，但發生變形時磁性橡膠(1)的厚度并不改變，而彈性夾層(2)在厚度方向上可被壓縮，因此彈性夾層(2)為磁性橡膠(1)工作面提供了一個較大的變形空間以自適應被測物體的局部表面形狀，這使得傳感器能夠以“軟接觸”方式工作，能有效避免“硬接觸”可能導致的被測物體表面以及傳感器本身的損傷，同時由于磁性橡膠(1)和彈性夾層(2)能產生自適應目標物體被接觸部分表面形狀的受壓變形，增大了接觸面積，使得接觸和抓取過程更加可靠，并且還能夠獲取更多的力學信息；彈性夾層(2)的下面是磁敏陣列(3)，陣列中的磁敏單元(5)是采用剛性的硅材料制作而成的磁敏二極管或磁敏三極管，用來檢測磁敏陣列(3)表面附近的磁場強度分布，同霍爾元件相比，磁敏二極管和磁敏三極管具有較高的靈敏度，其制作工藝與集成電路工藝兼容，集成度較高，能實現較高的觸覺空間分辨率；玻璃襯底(4)是一種與硅的熱膨脹系數非常接近的硼硅玻璃材料，位于傳感器探頭的最底層，主要起支撐、隔熱、絕緣作用；玻璃襯底(4)通過靜電封接技術鍵合在磁敏陣列(3)的背面，彈性夾層(2)和磁性橡膠(1)則通過微組裝技術依次安裝在磁敏陣列(3)的正面，磁性橡膠(1)工作面或彈性夾層(2)一旦損傷或失去彈性，可僅對這兩部分單獨進行拆卸更換，不用更換磁敏陣列(3)，但更換磁性橡膠(1)或彈性夾層(2)后需要重新對磁敏陣列(3)的輸出信號進行標定；所述的柔性觸覺傳感器第二部分信號處理電路主要包括電流放大電路、開關選通電路、A/D和D/A轉換電路、信號比較電路、單片機、存儲器、顯示電路、電源，各電路之間的結構連接關系是傳感器探頭陣列中的磁敏二極管或磁敏三極管信號輸出，連接到信號處理電路中的電流放大電路，信號經該電路放大后輸出連接到帶有開關選通電路的A/D轉換電路和信號比較電路，將放大后的信號轉換為數字量，并輸出連接到單片機、存儲器、顯示電路，由單片機進行處理，完成磁敏單元(5)輸出信號的采集和解釋，并可通過顯示電路顯示、D/A轉換電路輸出連接和存入存儲器；傳感器探頭磁敏陣列(3)中的每個磁敏單元(5)都通過上述方式連接信號處理電路，各個磁敏單元(5)通過開關選通電路進行選擇，依次對磁敏陣列(3)中的每個磁敏單元(5)的輸出信號進行處理，信號處理電路中的所有電路和元件都通過電源供電和導線連接，傳感器探頭和信號處理電路連接組裝在一起。
2.根據權利要求1所述的一種柔性觸覺傳感器對觸覺信息檢測的方法，其特征在于柔性觸覺傳感器對觸覺信息檢測的方法包括傳感器制作方法和傳感器對觸覺信息的測定方法，所述的傳感器制作方法如下(1)根據特定應用領域的需求，確定傳感器探頭的工作面尺寸、空間分辨率和靈敏度，其中傳感器探頭的工作面尺寸主要取決于磁敏陣列(3)的平面尺寸；磁敏陣列(3)采用微電子技術制作，其平面尺寸可以很小，但單個磁敏陣列(3)的最大尺寸不超過單個硅片的平面尺寸；小型柔性觸覺傳感器探頭的結構中必須采用小尺寸的磁敏陣列(3)，最小的柔性觸覺傳感器甚至能夠安裝在機器人的指面，為機器人提供豐富的觸覺信息；對于較大的柔性觸覺傳感器，在其探頭的結構中需要采用大尺寸的磁敏陣列(3)，因此在工藝條件許可的前提下可以挑選直徑較大的硅片來制作大尺寸的磁敏陣列(3)，或者通過混合集成的方式將數個磁敏陣列(3)組裝成一個較大的“復合”觸覺敏感陣列，由此制作出的大尺寸柔性觸覺傳感器可安裝在機械臂末端的夾持器表面，用于無損地抓取和傳送較大的物體，同時提供力學反饋控制信號，提高抓取的可靠性；(2)根據傳感器探頭的尺寸要求，確定磁敏陣列(3)的平面尺寸，并結合工藝條件確定單個磁敏陣列(3)的尺寸以及是否需要采用混合集成方式組成一個“復合”磁敏陣列(3)；(3)根據已選定的磁敏陣列(3)的平面尺寸，確定彈性夾層(2)、磁性橡膠(1)和玻璃襯底(4)的平面尺寸；(4)根據空間分辨率的要求確定磁敏單元(5)的最大尺寸，實際制作的磁敏單元(5)可以小于該尺寸以提高空間分辨率；(5)根據靈敏度的要求確定磁敏單元(5)是采用磁敏二極管還是采用磁敏三極管，與磁敏二極管相比，磁敏三極管具有更高的靈敏度，但制作工藝更加復雜；當對靈敏度的要求不是很高時，可選用磁敏二極管作為磁敏單元(5)以降低工藝制作難度，當要求傳感器具有很高的觸覺靈敏度時，可選用磁敏三極管作為磁敏單元(5)；當采用磁敏三極管仍然難以達到靈敏度的要求時，在滿足一定的觸覺空間分辨率的前提下，可將數個相鄰的磁敏二極管或磁敏三極管組成一個“復合”磁敏單元(5)，再由這些“復合”磁敏單元(5)構成整個磁敏陣列(3)，采用這種方法能夠檢測出非常微弱的磁場變化，具有很高的觸覺靈敏度；(6)根據已選定的磁敏單元(5)的靈敏度，通過理論計算確定彈性夾層(2)的厚度、磁性橡膠(1)的厚度以及磁性橡膠(1)表面附近的最低磁感應強度；(7)采用有限元分析方法對磁性橡膠(1)和彈性夾層(2)的受力變形以及磁性橡膠(1)變形后的空間磁場的重新分布進行數值計算，進而完成對磁性橡膠(1)和彈性夾層(2)的材料參數和結構參數的優化設計；在傳感器探頭中，磁性橡膠(1)工作面、彈性夾層(2)、磁敏陣列(3)和玻璃襯底(4)的制作工藝相互獨立，因而在磁性橡膠(1)和彈性夾層(2)的材料參數和結構參數確定以后，即可同步進行磁性橡膠(1)工作面、彈性夾層(2)、磁敏陣列(3)和玻璃襯底(4)這四部分的單獨制作，全部制作完成后再組裝成傳感器探頭，這有利于提高成品率，同時也使得該傳感器探頭的制作工藝較為靈活；(8)采用微電子技術制作磁敏陣列(3)，包括版圖設計、制版、工藝流水、芯片封裝、測試等；(9)采用靜電封接技術將磁敏陣列(3)與玻璃襯底(4)鍵合在一起；(10)采用微加工技術制作彈性夾層(2)，并將其安裝在磁敏陣列(3)表面；(11)選用質地均勻且具有較大柔性的永磁性橡膠材料，將其加工成所需尺寸要求的磁性橡膠(1)工作面，要求磁性橡膠(1)產生的磁力線方向與工作面的法線方向相一致，這樣能夠保證磁敏陣列(3)平面與磁性橡膠(1)的磁極相垂直，從而提高傳感器的靈敏度；對于磁力線方向與橡膠面垂直的磁性橡膠(1)，可以直接將一塊完整的磁性橡膠(1)組裝在彈性夾層(2)表面；對于磁力線方向與橡膠面平行的磁性橡膠(1)，需要先采用微加工技術將其分離成多個同樣大小的磁性橡膠單元(6)，再將這些分立的磁性橡膠單元(6)旋轉90°后均勻地組裝在彈性夾層(2)表面，從而形成一個磁性橡膠單元(6)陣列，其中所有磁性橡膠單元(6)的磁極都垂直于磁敏陣列(3)；(12)采用電子線路技術制作信號處理電路，并與傳感器探頭進行連接調試，其中信號處理電路部分包括電源、A/D和D/A轉換電路、開關選通電路、電流放大電路、信號比較電路、單片機、存儲器、顯示電路；(13)對傳感器進行標定，即通過信號處理電路依次提取和處理磁敏陣列(3)中每個磁敏單元(5)在傳感器探頭接觸已知目標物體前后的輸出電流信號，并采用神經網絡技術對這些信號進行處理，將其解釋成相應的觸覺信號；柔性觸覺傳感器具有較高的靈敏度和空間分辨率，其工作面能通過柔性變形自適應目標物體的表面形狀，能夠“軟接觸”地獲取接觸位置、接觸力的空間分布以及目標物體的局部形狀等觸覺信息；所述的傳感器對觸覺信息測定的方法是傳感器探頭的最外層磁性橡膠(1)是一種永磁材料，在其附近空間存在著一定的磁場分布，位于彈性夾層(2)下面的磁敏陣列(3)對外界磁場較為敏感，陣列中每個磁敏單元(5)的工作電流均會隨著磁感應強度的變化而相應改變，因此磁性橡膠(1)產生的磁場影響著每個磁敏單元(5)的工作電流；當傳感器探頭未接觸任何物體時，磁性橡膠(1)和彈性夾層(2)不會發生任何形變，因此磁性橡膠(1)附近的空間磁場分布不變，此時磁敏陣列中所有磁敏單元(5)與磁性橡膠(1)面的垂直距離均保持著初始狀態的固定值，每個磁敏單元(5)處的磁感應強度不變，它們的工作電流也不變；當傳感器探頭與目標物體接觸時，磁性橡膠(1)工作面受力向內凹進變形并壓縮彈性夾層(2)，使得與接觸位置相對應的磁敏單元(5)與磁性橡膠(1)工作面的垂直距離縮短，并導致這些磁敏單元(5)處的磁感應強度增強，從而使得它們的工作電流產生較為顯著的變化，通過檢測磁敏陣列(3)中每個磁敏單元(5)的工作電流變化情況，即可獲取接觸位置、接觸力的空間分布以及目標物體的局部形狀等觸覺信息。
全文摘要
一種柔性觸覺傳感器及觸覺信息檢測方法。該傳感器由磁性橡膠工作面、彈性夾層、磁敏陣列、玻璃襯底和信號處理電路組成，其磁性橡膠工作面和彈性夾層能通過柔性變形自適應目標物體的表面形狀，同時引起磁場空間分布的改變，進而改變了磁敏陣列中各磁敏單元的輸出電流。通過神經網絡技術標定出磁敏陣列中各磁敏單元的輸出電流與磁性橡膠變形量之間的定量關系，可以獲取傳感器與未知物體發生“軟接觸”時的接觸位置、接觸力的空間分布以及目標物體的局部形狀等觸覺信息。該柔性觸覺傳感器可應用于機器人技術領域，能安裝在機械手夾持器表面或機器人手指的指面等位置，提高抓取和傳送等過程的可靠性，也可安裝在移動式機器人的身體周圍用于避障。
文檔編號B25J13/08GK1539604SQ20031010620
公開日2004年10月27日 申請日期2003年11月1日 優先權日2003年11月1日
發明者孔德義, 梅濤, 汪小華, 張正勇, 張濤, 路巍, 王銳, 倪林, 陳茅, 陶永春, 張成梅, 胡圣軍 申請人:中國科學院合肥智能機械研究所