基于平行极板电容的新型柔性接近觉传感器

摘要

机器人在目标识别、定位与跟踪以及运动避障和目标抓取中，需要获取与目标物的接近距离、接近方向以及目标物的特征信息以希望实现软抓取。目前具有距离感知能力的传感器有视觉传感器、距离觉传感器和接近觉传感器，视觉传感器能够感知几十厘米到几百米范围内的对象物，距离觉传感器能够感知几十厘米到数米范围内的对象物，而接近觉传感器能够感知的对象物在距离传感器几毫米到几厘米的范围内，很好的弥补了视觉和距离觉传感器无法感知近距离范围内对象物的缺点。现有的接近觉传感器在测距的同时无法判断物体的接近方向和识别物体的属性以及实现柔性化。针对上述问题，本文提出了一种基于平行极板电容的柔性接近觉传感器，该传感器采用了驱动电极和感应电极位于同一平面上且数量不对等和感应电极对称分布在驱动电极的四周的结构，使得传感器在检测目标物接近距离的同时可判断接近方向和识别物体的属性。同时，该传感器采用了柔性衬底和MEMS制作工艺，使得传感器具有柔性化的特征。
　　本文首先论述了接近觉传感器的研究背景和意义并调研了接近觉传感器的国内外发展现状，在此基础上提出了新型的基于平行极板电容的柔性接近觉传感器；然后建立了基于平行极板电容的电路模型，分析了基于平行极板电容的检测对象物接近距离和判断对象物接近方向的测量原理，研究了对象物属性（非极性、弱极性、极性、导电性）在近距离范围内引起电容激增的原理，并通过COMSOL有限元仿真验证了电容器极板间的电场分布；选取了传感器的基底材料和衬底厚度，通过灵敏度分析确定了实验中对接近物体的测量范围，论述了不同尺寸的保护环对灵敏度的影响，并设计制作出新型结构的柔性接近觉传感器；最后分析和设计了测量实验，并通过实验验证了该新型柔性接近觉传感器在检测物体接近距离的同时可判断物体的接近方向和识别物体属性的理论研究，并对比了传感器在柔性化时的不同弯曲方式和不同弯曲直径下的输出电容值差异，及对传感器的误差、重复性和迟滞进行计算。研究结果表明，本文设计的接近觉传感器在实现柔性化的同时可检测1mm~40mm范围内对象物的接近距离并判断对象物的四个接近方向，以及可识别物体的极性、弱极性和非极性及导电性，该传感器的误差为1.492％、重复性误差为1.05%、迟滞为3.358%。该新型柔性接近觉传感器在智能机器人发展中有重要的指导意义和应用前景。

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第一章 绪论

1.1选题背景及研究意义

1.2国内外相关工作进展

1.3本文主要工作、结构及创新点

第二章 基于平行极板电容的柔性传感器的工作原理

2.1基于平行极板电容的传感器工作原理

2.2基于平行极板电容的传感器模型仿真

2.3本章小结

第三章 基于平行极板电容的柔性传感器的设计与实现

3.1衬底的选取和厚度的设计

3.2传感器测量范围的确定

3.3传感器保护环的确定

3.4传感器的结构设计和实现

3.5本章小结

第四章 基于平行极板电容的柔性传感器的实验测量与分析

4.1实验设计

4.2实验结果

4.3实验分析

4.4本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

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