一种仿人型机器人多指手柔性三维力触觉传感器及其三维力检测系统

摘要

一种仿人型机器人多指手柔性三维力触觉传感器及其三维力检测系统，涉及机器人触觉传感器领域。针对多数触觉传感器只能采集法向力而不能像人手一样可以检测法向力的同时检测力的问题。传感器本体从上至下依次由传力半球层、柔性顶层电极层、具有量子隧道效应的复合材料QTC和柔性底层电极层组成，信号采集电路是由混合信号阵列式可编程的片上系统和模拟多路选择模块构成，上述片上系统包括数字逻辑模块、模拟数字转换模块ADC、数字模拟转换模块DAC、1号模拟信号寄存器、2号模拟信号寄存器、电压放大电路和多路开关；模拟多路选择模块包括1号模拟多路开关和2号模拟多路开关。用于仿人型机器人多指手三维力检测的触觉传感器。

说明书

技术领域

本发明涉及机器人触觉传感器领域。

背景技术

触觉传感器是仿人型机器人多指手获取接触信息不可缺少的手段，根据触觉传感器提 供的信息，仿人型机器人多指手可以对目标物体进行可靠抓取。仿人型机器人多指手在抓 取物体时由于不能获得接触信息而导致的抓取不可靠会带来极大的危险。现有的仿人型机 器人多指手触觉传感器大都只能检测法向力，而不能检测到切向力的大小。但切向力的检 测对抓取的可靠性有着很重要的作用。并且仿人型机器人多指手触觉传感器要求触觉传感 器具有高度柔性和小型化，可以贴服手指表面和集成在仿人型机器人多指手的手指中。

中国科学院合肥智能机械研究所的梅涛等人申请的专利“柔性三维力触觉传感器”，公 开号为CN1796954，公开日为2006年07月05日；

该传感器采用MEMS工艺制作，整体具有柔性，可以检测三维力。但该传感器尺寸较大、 加工工艺复杂、缺乏高度柔性，不适合机器人多指手应用。且专利中未提出信号采集电路， 信号采集电路的性能及尺寸对传感器的应用有很大的影响。

合肥工业大学的黄英等人申请的专利“基于柔性压敏导电橡胶的触觉传感器”，公开号 为CN101231200，公开日为2008年07月30日；

该传感器采用压敏导电橡胶，传感器整体具有高度柔性，可以检测三维力。但是该传 感器采用单层电极层结构，传感器受电极接触面积的影响单个触觉单元的尺寸受到限制， 不适合残疾人假手应用；压敏导电橡胶具有高的迟滞特性、线性度差。且专利中未提出信 号采集电路，信号采集电路的性能及尺寸对传感器的应用有很大的影响。

本专利采用的压敏材料是“具有量子隧道效应的复合材料QTCQuantum Tunneling  Composites，由英国Peratech公司研发”。

QTC的工作原理为：当QTC不受外力施压时，其本体为绝缘体，电阻阻值高达1kΩ； 当QTC受到外力施压时，本体发生压缩形变，压缩区域的金属粒子彼此接近在电场力的作 用下产生隧道电流；当QTC受到的外力增加到某一阈值时，QTC将呈现导电的特性，其电 阻值可达到10Ω。

发明内容

本发明的目的是针对多数触觉传感器只能采集法向力而不能像人手皮肤一样可以检测 法向力的同时检测力的问题，提供的一种仿人型机器人多指手柔性三维力触觉传感器及其 三维力检测系统。

一种仿人型机器人多指手柔性三维力触觉传感器，它从上至下依次由传力半球层、柔 性顶层电极层、具有量子隧道效应的复合材料QTC层和柔性底层电极层组成；

传力半球层上设置有十二个传力半球，所述十二个传力半球呈二行六列的阵列式排列；

柔性顶层电极层为柔性电路板结构，柔性顶层电极层上设置有十二组测量电极和八根 金手指，该八根金手指包括八个管脚，分别是管脚R01、管脚R02、管脚R03、管脚R04、 管脚R05、管脚R06、管脚R07和管脚R08；每组测试电极由四个形状相同的扇形镀金电极 组成，所述扇形镀金电极的圆心角为90度，每组测试电极中的四个扇形镀金电极组成圆形， 该圆形的直径与柔性底层电极层上的圆形电极的直径相同，每组测试电极中的四个扇形镀 金电极分别为电极A、电极B、电极C和电极D，十二组测量电极呈二行六列的阵列式排列；

具有量子隧道效应的复合材料QTC层是由通过室温硫化的绝缘硅橡胶将十二个圆形具 有量子隧道效应的复合材料QTC圆片胶结在一起形成的，该具有量子隧道效应的复合材料 QTC圆片的直径与柔性底层电极层上的圆形电极的直径相同，十二个具有量子隧道效应的 复合材料QTC圆片呈二行六列的阵列式排列；

柔性底层电极层为柔性电路板结构，柔性底层电极层上设置有十二个电极和十二根金 手指，每个电极均为圆形镀金电极，所述十二个电极呈二行六列的阵列式排列；

传力半球层上的十二个传力半球、柔性顶层电极层上的十二组测量电极、具有量子隧 道效应的复合材料QTC层上的十二个具有量子隧道效应的复合材料QTC圆片和柔性底层电 极层上的十二个圆形电极分别一一对应；

并且传力半球层上的一个半球、柔性顶层电极层上的一组电极、具有量子隧道效应的 复合材料QTC层上的一个具有量子隧道效应的复合材料QTC圆片和柔性底层电极层上的一 个圆形电极构成了一个触觉单元，共十二个触觉单元，并且相对应的一个传力半球、一组 电极、一个圆形具有量子隧道效应的复合材料QTC和圆形电极同轴；所述十二个触觉单元 的前三列的六个触觉单元组成第一关节传感单元，后三列的六个触觉单元组成第二关节传 感单元；

柔性顶层电极层上的位于第一行的六组的测试电极中的扇形电极A串联后与柔性顶层 电极层上的第一根金手指R01电气连接；柔性顶层电极层上的位于第一行六组测试电极5 中的扇形电极B串联后与柔性顶层电极层上的第二根金手指R02电气连接；柔性顶层电极 层上的位于第一行六组测试电极中的扇形电极C串联后与柔性顶层电极层上的第三根金手 指R03电气连接；柔性顶层电极层上的位于第一行六组测试电极中的扇形电极D串联后与 柔性顶层电极层上的第四根金手指R04电气连接；柔性顶层电极层上的位于第二行六组测 试电极中的扇形电极A串联后与柔性顶层电极层上的第五根金手指R05电气连接；柔性顶 层电极层上的位于第二行中六组测试电极的扇形电极B串联后与柔性顶层电极层上的第六 根金手指R06电气连接；柔性顶层电极层上的位于第二行中六组测试电极的扇形电极C串 联后与柔性顶层电极层上的第七根金手指R07电气连接；柔性顶层电极层上的位于第二行 中六组测试电极的扇形电极D串联后与柔性顶层电极层上的第八根金手指R08电气连接； 位于同一列上的两个柔性底层电极层中的两个圆形电极串联后与柔性底层电极层上的一根 金手指连接；所述柔性底层电极层上共有六根列金手指，该六根列金手指包括六个管脚， 分别为管脚CO1、管脚CO2、管脚CO3、管脚CO4、管脚CO5和管脚CO6。

一种仿人型机器人多指手柔性三维力触觉传感器的三维力检测系统，它包括一种仿人 型机器人多指手柔性三维力触觉传感器和信号采集电路，它包括一种仿人型机器人多指手 柔性三维力触觉传感器和信号采集电路，信号采集电路是由混合信号阵列式可编程的片上 系统和模拟多路选择模块构成，混合信号阵列式可编程的片上系统包括数字逻辑模块、模 拟数字转换模块ADC、数字模拟转换模块DAC、1号模拟信号寄存器、2号模拟信号寄存器、 电压放大电路和多路开关；模拟多路选择模块包括1号模拟多路开关和2号模拟多路开关；

三维力触觉传感器的管脚CO1、管脚CO2、管脚CO3、管脚CO4、管脚CO5和管脚CO6 的一端分别与混合信号阵列式可编程的片上系统中的多路开关的六个输入端电气连接，多 路开关的一个输出端与电压放大电路的输入端电气连接，电压放大电路模拟信号输出端与 模拟数字转换模块ADC的模拟信号输入端电气连接，模拟数字转换模块ADC的数字信号输 出端与数字逻辑模块的数字信号输入端电气连接；

数字逻辑模块的数字信号输出端与混合信号阵列式可编程的片上系统的数模转换模块 DAC的数字信号输入端电气连接，数模转换模块DAC的数字信号输出端与2号模拟信号 寄存器的数字信号输入端电气连接，2号模拟信号寄存器的基准低电压信号输出端同时与 六个串联的参考电阻的一端电气连接；六个参考电阻的另一端分别与三维力触觉传感器的 管脚CO1、管脚CO2、管脚CO3、管脚CO4、管脚CO5和管脚CO6电气连接；

电压放大电路的输出端与1号模拟信号寄存器的输入端电气连接；1号模拟信号寄存 器的输出端与2号模拟多路开关的输入端电气连接，2号模拟多路开关的八个信号输出端 分别与柔性顶层电极层的八根金手指电气连接；

1号模拟多路开关的输入端与3.3V电源正极电气上连接，该1号模拟多路开关的八个 输出端分别与柔性顶层电极层的八根金手指电气上连接，数字逻辑模块用于控制1号模拟 多路开关的多路开关依次将管脚R01、管脚R02、管脚R03、管脚R04、管脚R05、管脚R06、 管脚R07和管脚R08与3.3V电源正极选通。

本发明具有以下有益效果：

一、本发明的触觉传感器可以同时检测法向力和切向力。

二、本发明的触觉传感器具有整体的柔顺性，可以很好地贴敷在仿人形机器人多指手 手指指尖和基指节的三维仿人形曲面上。

三、由于敏感材料采用的是具有量子隧道效应的复合材料QTC，因此，本发明的触觉 传感器同时具有很好的整体柔顺性和抗冲击性能。

四、本发明的触觉传感器的电极采用分组并联引线的形式，有效降低了触觉传感器的 外接管脚数量。

五、本发明的触觉传感器信号处理电路结构简单、尺寸小。

六、本发明的触觉传感器结构简单、易于制作，有效降低了传感器的加工成本。

附图说明

图1是本发明的俯视图；

图2是本发明的侧视图；

图3是一种仿人型机器人多指手柔性三维力触觉传感器的柔性顶层电极层2的结构示 意图；

图4是一种仿人型机器人多指手柔性三维力触觉传感器的柔性底层电极层4的结构示 意图；

图5是本发明的一个触觉单元的结构示意图；

图6是本发明中柔性顶层电极层2上的一组电极的结构示意图；

图7是一种仿人型机器人多指手柔性三维力触觉传感器的局部侧剖图；

图8是一种仿人型机器人多指手柔性三维力触觉传感器的其三维力检测方法的工作原 理示意图；

图9是本发明的信号采集原理示意图；

图10是本发明信号采集电路示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式为一种仿人型机 器人多指手柔性三维力触觉传感器，它从上至下依次由传力半球层1、柔性顶层电极层2、 具有量子隧道效应的复合材料QTC层3和柔性底层电极层4组成；

传力半球层1上设置有十二个传力半球，所述十二个传力半球呈二行六列的阵列式排 列；

柔性顶层电极层2为柔性电路板结构，柔性顶层电极层2上设置有十二组测量电极5 和八根金手指，该八根金手指包括八个管脚，分别是管脚R01、管脚R02、管脚R03、管脚 R04、管脚R05、管脚R06、管脚R07和管脚R08；每组测试电极5由四个形状相同的扇形 镀金电极组成，所述扇形镀金电极的圆心角为90度，每组测试电极5中的四个扇形镀金电 极组成圆形，该圆形的直径与柔性底层电极层4上的圆形电极的直径相同，每组测试电极 5中的四个扇形镀金电极分别为扇形电极A、扇形电极B、扇形电极C和扇形电极D，十二 组测量电极呈二行六列的阵列式排列；

具有量子隧道效应的复合材料QTC层3是由通过室温硫化的绝缘硅橡胶将十二个具有 量子隧道效应的复合材料QTC圆片胶结在一起形成的，该具有量子隧道效应的复合材料QTC 圆片的直径与柔性底层电极层4上的圆形电极的直径相同，十二个具有量子隧道效应的复 合材料QTC圆片呈二行六列的阵列式排列；

柔性底层电极层4为柔性电路板结构，柔性底层电极层4上设置有十二个电极和十二 根金手指，每个电极均为圆形镀金电极，所述十二个电极呈二行六列的阵列式排列；

传力半球层1上的十二个传力半球、柔性顶层电极层2上的十二组测量电极、具有量 子隧道效应的复合材料QTC层3上的十二个具有量子隧道效应的复合材料QTC圆片和柔性 底层电极层4上的十二个圆形电极分别一一对应；

并且传力半球层1上的一个半球、柔性顶层电极层2上的一组电极、具有量子隧道效 应的复合材料QTC层3上的一个具有量子隧道效应的复合材料QTC圆片和柔性底层电极层 4上的一个圆形电极构成了一个触觉单元，共十二个触觉单元，并且相对应的一个传力半 球、一组电极、一个具有量子隧道效应的复合材料QTC圆片和圆形电极同轴；所述十二个 触觉单元的前三列的六个触觉单元组成第一关节传感单元，后三列的六个触觉单元组成第 二关节传感单元；

柔性顶层电极层2上的位于第一行的六组的测试电极5中的扇形电极A串联后与柔性 顶层电极层2上的第一根金手指R01电气连接；柔性顶层电极层2上的位于第一行六组测 试电极5中的扇形电极B串联后与柔性顶层电极层2上的第二根金手指R02电气连接；柔 性顶层电极层2上的位于第一行六组测试电极5中的扇形电极C串联后与柔性顶层电极层 2上的第三根金手指R03电气连接；柔性顶层电极层2上的位于第一行六组测试电极5中 的扇形电极D串联后与柔性顶层电极层2上的第四根金手指R04电气连接；柔性顶层电极 层2上的位于第二行六组测试电极5中的扇形电极A串联后与柔性顶层电极层2上的第五 根金手指R05电气连接；柔性顶层电极层2上的位于第二行中六组测试电极5的扇形电极 B串联后与柔性顶层电极层2上的第六根金手指R06电气连接；柔性顶层电极层2上的位 于第二行中六组测试电极5的扇形电极C串联后与柔性顶层电极层2上的第七根金手指R07 电气连接；柔性顶层电极层2上的位于第二行中六组测试电极5的扇形电极D串联后与柔 性顶层电极层2上的第八根金手指R08电气连接；位于同一列上的两个柔性底层电极层4 中的两个圆形电极串联后与柔性底层电极层4上的一根金手指连接；所述柔性底层电极层 4上共有六根列金手指，该六根列金手指包括六个管脚，分别为管脚CO1、管脚CO2、管脚 CO3、管脚CO4、管脚CO5和管脚CO6。本传感器整体为十二个触觉单元中前三列为第一组， 剩余为第二组，两组中间连接部分的柔性电路板为上下两端向内凹陷的形状，用以减少弯 曲的阻力，第二组的另一侧与金手指连接部分柔性电路板与两组中间连接的柔性电路板宽 度一致。

具体实施方式二：下面结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一 中的传力半球层1的进一步说明，本实施方式所述的传力半球层1的材料为邵氏45-55A° 的硅橡胶，传力半球层1和柔性顶层电极层2粘合在一起。

具体实施方式三：下面结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一 中的柔性顶层电极层2与柔性底层电极层4中各电极与金手指连接的布线方式的进一步说 明，本实施方式所述的柔性顶层电极层2与柔性底层电极层4中各电极与金手指连接的布 线方式采用并行布线方式。

具体实施方式四：下面结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一 中的柔性顶层电极层2上的每组测试电极5的进一步说明，本实施方式所述的柔性顶层电 极层2上的每组测试电极5的直径为3000μm，相邻两个扇形电极之间的距离为500μm。

具体实施方式五：下面结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式是一种仿人型 机器人多指手柔性三维力触觉传感器的三维力检测系统，它包括一种仿人型机器人多指手 柔性三维力触觉传感器和信号采集电路，信号采集电路是由混合信号阵列式可编程的片上 系统和模拟多路选择模块构成，混合信号阵列式可编程的片上系统包括数字逻辑模块、模 拟数字转换模块ADC、数字模拟转换模块DAC、1号模拟信号寄存器、2号模拟信号寄存器、 电压放大电路7和多路开关；模拟多路选择模块包括1号模拟多路开关和2号模拟多路开 关；

三维力触觉传感器的管脚CO1、管脚CO2、管脚CO3、管脚CO4、管脚CO5和管脚CO6 的一端分别与混合信号阵列式可编程的片上系统中的多路开关的六个输入端电气连接，多 路开关的一个输出端与电压放大电路7的输入端电气连接，电压放大电路7模拟信号输出 端与模拟数字转换模块ADC的模拟信号输入端电气连接，模拟数字转换模块ADC的数字信 号输出端与数字逻辑模块的数字信号输入端电气连接；

数字逻辑模块的数字信号输出端与混合信号阵列式可编程的片上系统的数模转换模块 DAC的数字信号输入端电气连接，数模转换模块DAC的数字信号输出端与2号模拟信号 寄存器的数字信号输入端电气连接，2号模拟信号寄存器的基准低电压信号输出端同时与 六个串联的参考电阻的一端电气连接；六个参考电阻的另一端分别与三维力触觉传感器的 管脚CO1、管脚CO2、管脚CO3、管脚CO4、管脚CO5和管脚CO6电气连接；

电压放大电路7的输出端与1号模拟信号寄存器的输入端电气连接；1号模拟信号寄 存器的输出端与2号模拟多路开关的输入端电气连接，2号模拟多路开关的八个信号输出 端分别与柔性顶层电极层2的八根金手指电气连接；

1号模拟多路开关的输入端与3.3V电源正极电气上连接，该1号模拟多路开关的八个 输出端分别与柔性顶层电极层2的八根金手指电气上连接，数字逻辑模块用于控制1号模 拟多路开关的多路开关依次将管脚R01、管脚R02、管脚R03、管脚R04、管脚R05、管脚 R06、管脚R07和管脚R08与3.3V电源正极选通；当量子隧道效应的复合材料QTC圆片受 压时，其上下电极间的电阻发生变化，在与参考电阻的比较后，输出相应的电压信号；传 感器输出电压信号经混合信号阵列式可编程的片上系统内部构建的多路开关模块和电压放 大电路7后，分两路：一路经模数转换模块转换为数字量，实现触觉信息的采集；另一路 经1号模拟信号输出寄存器和2号模拟开关的选通反馈回管脚R01、管脚R02、管脚R03、 管脚R04、管脚R05、管脚R06、管脚R07和管脚R08中未选通3.3V电源正极的电极，实 现采样电压反馈，削弱阵列式触觉传感器行列扫描电路的回路干扰。

具体实施方式六：下面结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式是对实施方式 五中的混合信号阵列式可编程的片上系统的进一步描述，混合信号阵列式可编程的片上系 统还包括外部数据传输端口，所述外部数据传输端口是SPI串行接口、I²C串行接口或UART 串行接口。

具体实施方式七：下面结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式是对实施方式 五中的混合信号阵列式可编程的片上系统的进一步描述，混合信号阵列式可编程的片上系 统是采用CY8C24423A-24LFXI实现的；

具体实施方式八：下面结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式是对实施方式 五中的模拟多路选择模块的进一步描述，本实施方式所述1号模拟多路开关是采用MAX4781 芯片实现的，2号模拟多路开关是采用ISL43L121双单极单掷常闭型模拟开关实现的。