非勻強電場型機器人觸覺傳感器及其檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于傳感技術領域，特別涉及一種用于檢測碰撞接觸位置的非勻強電場型 機器人觸覺傳感器及其檢測方法。
【背景技術】
[0002] 機器人觸覺傳感技術是實現機器人智能化的關鍵技術之一。通過檢測機器人碰撞 時的表面受力位置，機器人得到環境中障礙物的方位信息，可制定相應的安全決策，從而直 接降低碰撞力的大小且避免二次碰撞。隨著MEMS技術的不斷發展以及各種敏感材料的出 現，為機器人觸覺傳感器的研究、設計和制作提供了良好的基礎。
[0003] 專利（CN101059380)發明了一種柔性電容式觸覺傳感器，可貼附在任意表面同時 感受法向力和切向力的大小，但是采用陣列結構，敏感材料的制備工藝較復雜，陣列各不同 部分由于生產流程、制作工藝技術的非同一性，對同一個傳感器陣列的不同部分的特性也 會出現非均一性，對非規則曲面的測量誤差過大。專利（CN203965077)發明了一種柔性薄 膜觸覺傳感器，采用靜電誘導的方法在基體上制作成對柔順電極層，形成三明治結構柔性 薄膜，具有可剪裁為任意形狀，撓性好等特點，但其復合薄膜電極的工藝制作過程需要控制 的因素較多，難以保證每次制造的電極都能符合要求。相比之下，本發明采用非陣列式柔性 結構，采用常規方法即可實現材料和結構配件的制備，不存在材料制備的工藝復雜和不均 一性等問題，良好的柔性同樣可以貼附在任意表面，對非規則曲面的測量不會存在誤差過 大等問題。
【發明內容】
[0004] 有鑒于此，本發明的目的是提供一種非勻強電場型機器人觸覺傳感器及其檢測方 法，當機器人與人同處于同一環境時，為防止機器人與人發生碰撞，或為實現人與機器人協 同作業，可把本觸覺傳感器貼附于機器人表面。該傳感器采用非陣列層式結構，所用的材料 均具有柔性，能夠大面積覆蓋在機器人表面并能夠有效地檢測碰撞位置，具有體積小，結構 簡單，成本低，較高的柔性等特點。
[0005] 本發明采用以下方案實現：一種非勻強電場型機器人觸覺傳感器，包括上柔性層、 網狀隔層以及下柔性層，所述上柔性層與下柔性層均由一導電面和一絕緣面貼合組成，且 所述導電面作為上柔性層與下柔性層的內表面，所述上柔性層與下柔性層的導電面分別直 接貼附于所述網狀隔層的上下兩面；所述下柔性層的導電面為矩形，在矩形導電面的兩組 對角上各設有一點電極，一組對角上的兩個頂點的電極分別為A +與A ;另一組對角上的兩 個頂點的電極分別為B+與B。
[0006] 進一步地，所述絕緣面作為上柔性層與下柔性層的外表面，且所述絕緣面為高分 子薄膜基材；所述絕緣面上噴涂有一層具有一定導電率的用以形成所述上柔性層與下柔性 層的導電面的半導體介質。
[0007] 進一步地，在所述上柔性層與下柔性層的外表面均貼附一層粘彈性保護膜。
[0008] 本發明中所述非勻強電場型機器人觸覺傳感器在檢測機器人與環境障礙物之間 的碰撞接觸位置時，采用如下步驟： 步驟Sl :在下柔性層導電面的對角電極A+與A之間施加一偏置直流電壓 lias，形成一 A電場； 步驟S2 :按壓觸覺傳感器中上柔性層絕緣面的任一位置，使所述上柔性層與下柔性層 的導電面接觸，得到一接觸點； 步驟S3:所述上柔性層的導電面作為接觸點的引出線，連接至一信號采集器，獲取電 壓值; 步驟S4 :去除所述下柔性層導電面上電極A+與A之間施加的m，把偏置直流電壓：^施 加到所述下柔性層導電面的另一組對角電極B+與B之間，形成一 B電場； 步驟S5:將所述上柔性層的導電面作為接觸點的引出線，連接至所述信號采集器，獲 取電壓值#?Ρ; 步驟S6 :松開按壓位置，按壓位置處的接觸點坐標（X，y)可通過聯立下式求解而得：
其中，是經修正辨識的常系數，m為施加在對角電極上的電壓值，魏，賄分別為接觸 點在A、B兩個電場中的電勢值；a，b分別為所述下柔性層導電面的長和寬。
[0009] 與現有技術相比，本發明有益效果體現在：1、本發明結構采用的材料均具有柔性， 滿足人工皮膚柔性的要求，能夠大面積覆蓋在機器人體表，其結構尺寸不受限制，能夠按實 際需要制作；2、引線少，結構簡單，工藝流程簡單，成本大大降低；3、在點電極對上加偏置 直流電壓，電極自身的導電性和電極與導電面的貼附方式對測量結果的影響很小，可以忽 略不計。
【附圖說明】
[0010] 圖1是本發明非勻強電場型機器人觸覺傳感器結構簡圖，圖中標號1為上柔性層 的絕緣面，2為上柔性層的導電面，3為網狀隔層，4為下柔性層的導電面，5為下柔性層的絕 緣面，6為點電極。
[0011] 圖2為本發明中上柔性層結構，圖中標號1為絕緣面，2為導電面。
[0012] 圖3是本發明中下柔性層結構，圖中標號4為導電面，5為絕緣面，6為點電極。
[0013] 圖4是本發明受壓時的結構截面圖，圖中標號11為上柔性層，3為網狀隔層，22為 下柔性層。
[0014] 圖5是本發明位置測量原理圖。
[0015]
【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖及實施例對本發明做進一步說明。
[0017] 本實施例提供一種非勻強電場型機器人觸覺傳感器，如圖1-4所示，包括上柔性 層11、網狀隔層3以及下柔性層22,所述上柔性層與下柔性層均由一導電面和一絕緣面組 成，且所述導電面作為上柔性層與下柔性層的內表面，所述上柔性層與下柔性層的導電面1 和4分別直接貼附于所述網狀隔層的上下兩面；所述下柔性層的導電面為矩形，在矩形導 電面的兩組對角上各設有一點電極6,一組對角上的兩點電極分別為A +與A ;另一組對角上 的兩點電極分別為B+與B。
[0018] 在本實施例中，所述絕緣面作為上柔性層與下柔性層的外表面，且所述絕緣面2 和5為高分子薄膜基材；在所述絕緣面上通過噴涂一層具有一定導電率的半導體介質，則 可形成所述上柔性層與下柔性層的導電面1和4。
[0019] 在本實施例中，在所述上柔性層與下柔性層的外表面均可貼附一層粘彈性保護 膜，用于保護傳感器免受破損。
[0020] 整個傳感器的結構沒有尺寸限制，可以按照實際用途來制造傳感器的大小。特別 的，在本實施例中，所述上柔性層與下柔性層的導電面材料為石墨紙，點電極直接焊在石 墨紙兩組對角上，絕緣面為高分子薄膜基材。中間網狀隔層采用聚乙烯分子材料，厚度為 0.25mm,網格邊長為2mm。粘彈性保護膜為1mm厚度的硅膠材料。
[0021] 基于本發明所述的機器人觸覺傳感器，如果在下柔性層矩形導電面一組對角電極 之間施加一偏置電壓，依據