基于柔性压敏导电橡胶的触觉传感器

摘要

基于柔性压敏导电橡胶的触觉传感器，其特征是设置传感单元的结构形式为：以柔性电路板为底板，圆片状的柔性压敏导电橡胶置于柔性电路板上，并与柔性电路板上分布的电极电连接，柔性压敏导电橡胶的顶部受力面上覆传力半球；柔性电路板为四电极结构，其中，公共电极A是与圆片状柔性压敏导电橡胶处于同心位置上的中心圆电极，信号电极B、信号电极C和信号电极D为互成120°均匀分布在公共电极A外周同一圆环面上的扇形电极。本发明是一种表面适应性强、可靠性高、信号采集电路简单、制作方便、可用于三维力检测的触觉传感器。

说明书

                            技术领域

本发明属于传感技术领域，更具体地说尤其涉及一种应用于机器人的触觉传感器。

                            背景技术

触觉传感在机器人感觉系统中有非常重要的地位，它具有视觉等其他感觉无法替代的功能。视觉一般须借助光照完成，当光照受限时，与人的感觉一样，触觉的重要性就凸显出来。更为重要的是，触觉能感知物体的一些表面特性和物理性能：软硬度、粗糙度、大小、形状等，根据触觉传感器提供的信息，机器人可以对目标物体进行可靠抓取。触觉传感器的趋势是集成化、小型化和智能化。为准确获取触觉信息及适用于任意形状的表面，要求触觉传感器具有一定的柔性，籍此可以安装在任意形状的表面上以适应不同的机器人应用，并能获取三维接触力信息，使之能更牢固可靠地抓握目标物体。

迄今为止，已有多种工作原理和结构形式的触觉传感器。早期的触觉传感器主要有机械式触觉传感器和弹性式触觉传感器两种，它们不仅体积较大、空间分辨率较低，而且传感器是刚性的，即传感器不能弯曲变形而安装在曲面上，因此它们在机器人技术领域难以得到较为广泛的应用。

随着传感器技术的发展，出现了电容式和光学式等触觉传感器。

电容式触觉传感器在受力时，其中的一个电极会发生微小移动，从而引起电容量的改变，在电容式触觉传感器中由于存在可动电极，其寿命受到影响，可靠性也不高，而且难于获得切向力信息，即不能检测三维力信息。

光学式触觉传感器主要是光纤触觉传感器，光学式触觉传感器的检测系统较为复杂，除了传感器本身外，还需外接照明光纤、微型CCD以及用于图像处理的高速计算机等，因此难以实现小型化。

压敏导电橡胶是在橡胶基体中掺杂有一定量的导电粒子，材料的电阻随着所受到的压力而变化。已有采用在压敏导电橡胶的双面布置电极，实现一维力压力传感。这种形式的传感器有了一定的柔性，但因有一个面上的电极作为工作面直接与被测物体接触，会出现因接触和抓取目标物体可能导致的电子器件及其线路的损坏，传感器工作可靠性因而受到影响。通过对这种一维压力传感器进行层叠设计，设置三层结构用于分别检测三维力信息，但需要对各层之间进行绝缘，多层布线，制作工艺复杂。

                            发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种表面适应性强、可靠性高、信号采集电路简单、制作方便、可用于三维力检测的基于柔性压敏导电橡胶的触觉传感器。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于柔性压敏导电橡胶的触觉传感器的结构特点是设置传感单元的结构形式为：以柔性电路板为底板，圆片状的柔性压敏导电橡胶置于柔性电路板上，并与柔性电路板上分布的电极电连接，柔性压敏导电橡胶的顶部受力面上覆传力半球；柔性电路板为四电极结构，其中，公共电极A是与圆片状柔性压敏导电橡胶处于同心位置上的中心圆电极，信号电极B、信号电极C和信号电极D为互成120均匀分布在中心圆电极外周同一圆环面上的扇形电极。

本发明基于柔性压敏导电橡胶的触觉传感器的结构特点也在于：在检测区域中以传感单元按阵列排布，阵列可以是线阵或面阵，阵列中所有单元的柔性电路板为整体结构。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明传感器结构形式中，柔性压敏导电橡胶与柔性电路板为单面接触，较之“双面电极”的结构形式制作工艺大为简化，接触压力面为压敏导电橡胶面，可以有效地保护电极面，有效提高了传感器工作可靠性。

2、本发明中柔性压敏导电橡胶和柔性电路板均为弹性材料，允许三维力传感器实现弯曲变形，其柔性结构能够可靠地黏附在各种曲面上，实现对三维力的检测，表面适应性强。

3、本发明中柔性电路板的四电极结构充分考虑了不同方向之间的耦合关系，使采样信号数量降低，因而信号采样电路结构可以得到简化。

4、本发明可以通过适当调整中心圆电极的面积，获得不同的检测量程及检测灵敏度，调节范围广。

                                附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中柔性电路板的四电极结构示意图；

图3为本发明中由四电极引出的等效电阻分布示意图。

图中标号：1传力半球、2柔性压敏导电橡胶、3柔性电路板。

以下通过具体实施方式，结合附图对本发明作进一步说明

                              具体实施方式

参见图1，设置传感单元的结构形式为：以柔性电路板3为底板，圆片状的柔性压敏导电橡胶2置于柔性电路板3上，并与柔性电路板3上分布的电极电连接，柔性压敏导电橡胶2的顶部受力面上覆传力半球1；

参见图2，柔性电路板3为四电极结构，其中，公共电极A是与圆片状柔性压敏导电橡胶处于同心位置上的中心圆电极，信号电极B、信号电极C和信号电极D为互成120°均匀分布在中心圆电极外周同一圆环面上的扇形电极。

图3所示，不同位置上的公共电极A和三个信号电极均与柔性压敏导电橡胶电连接，对应形成三个等效电阻R1、R2和R3，并随柔性压敏导电橡胶受力状况的不同发生变化，以此获得对三维力的传感。

具体实施中，在检测区域中以传感单元按阵列排布，阵列可以是线阵或面阵，阵列中所有单元的柔性电路板为整体结构(如图1所示)。

传力半球1采用硬度稍大的树脂材料，比如217^#酚醛树脂，传力半球使用高性能黏合剂粘合在柔性压敏导电橡胶2的顶面；

三维力检测机理：

三维力通过传力半球1集中作用于柔性压敏导电橡胶2，柔性压敏导电橡胶2和柔性电路板3单面接触，由于柔性压敏导电橡胶3的压阻效应以及柔性压敏导电橡胶2与柔性电路板3电极之间的接触电阻，存在有三个等效电阻R1、R2和R3，应变时电阻将发生变化。三个电阻分别经各自的检测电路输出与之对应的电压信号，进而实现对三维力Fx，Fy，Fz的检测。

四电极的大小以及公共电极和信号电极的距离都对应变输出的大小有影响。

当Fx作用时，因受到压应变，电阻R1减小；因受到同等程度的拉应变，电阻R2与R3增大，且每只电阻增大幅度为电阻R1减小幅度的一半。

当Fy作用时，电阻R1保持不变；因受压应变使电阻R2阻值减小；因受同等程度的拉应变，电阻R3按相同的幅度增大。

当Fz作用时，因受到同等程度的压应变，电阻R1、R2和R3的阻值同等减小。

作为后继电路，传感器输出电压信号经过开关选通电路、电压比较放大电路、数据采集转换输入到计算机，经矩阵运算处理，得到Fx，Fy，Fz的相关值。

传感器的标定：

按常规的标定方式，提取和处理检测区域中呈阵列排布的每个传感单元在三维接触力作用下输出的三个电压信号，经过线性解耦得到x、y和z各方向上受力和三个电压信号之间的线性耦合关系，再经过神经网络解耦得到各传感单元之间的耦合关系，实现对传感器的标定。