非均匀电场型机器人触觉传感器及其检测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种用于检测碰撞接触位置的非均匀电场型机器人触觉传感器及其检测方法。
【背景技术】
[0002] 机器人触觉传感技术是实现机器人智能化的关键技术之一。通过检测机器人发生碰撞时表面受力位置，机器人可获得环境中障碍物的位置信息并做出相应的安全决策，从而直接降低碰撞力的大小，避免二次碰撞。随着MEMS技术的不断发展和各种敏感材料的出现，为机器人触觉传感器的研究、设计和制造提供了良好的基础。
[0003] 专利（）发明了一种柔性电容式触摸传感器，该传感器可以贴附在任意表面，同时感应法向力和切向力的大小。但是，该传感器采用阵列结构，敏感材料的制备工艺相对复杂，由于阵列不同部分的生产工艺和制造工艺技术的不一致性，导致同一传感器阵列不同部分的特性也会不均匀，对不规则表面的测量误差过大。专利（）发明了一种柔性薄膜触摸传感器，该传感器采用静电感应法在基板上制作一对柔性电极层，形成三明治结构的柔性薄膜，具有可以切割成任意形状、柔韧性好的特点。但是，复合薄膜电极的制作过程需要控制的因素较多，很难保证每次制作的电极都能满足要求。 相比之下，本发明采用非阵列柔性结构，可以利用常规方法实现材料及结构附件的制备，不存在工艺复杂、材料制备不均匀等问题；良好的柔性还可以附着于任意表面，不会存在对不规则表面测量误差过大等问题。
【发明概要】
[0004] 鉴于此，本发明的目的在于提供一种非均匀电场型机器人触觉传感器及其检测方法。当机器人与人处于同一环境中时，为了防止机器人与人发生碰撞，或者实现人与机器人的协同操作，可将触觉传感器贴附在机器人表面。该传感器采用非阵列层结构，所用材料均为柔性材料，可在机器人表面大面积覆盖，能有效检测碰撞位置。具有体积小、结构简单、成本低、柔性强等特点。
[0005] 本发明是这样实现的：一种非均匀电场型机器人触觉传感器，包括上柔性层、网状夹层和下柔性层，其中，上柔性层和下柔性层均由导电面和绝缘面粘合而成，导电面作为上柔性层和下柔性层的内表面，上柔性层和下柔性层的导电面分别直接贴在网状夹层的上下表面上；下柔性层的导电面为矩形，在矩形导电面的两组对角上分别设置有点电极，一组对角上两个顶点的电极分别为A+和A；另一组对角上两个顶点的电极分别为B+和B。
[0006] 进一步地， 所述绝缘面作为上柔性层和下柔性层的外表面， 所述绝缘面为聚合物薄膜基材； 在所述绝缘面上喷涂具有一定导电性的半导体介质， 形成上柔性层和下柔性层的导电面。
[0007] 进一步的， 所述上柔性层和下柔性层的外表面均贴附有一层粘弹性的保护膜。
[0008] 本发明的非均匀电场型机器人触觉传感器在检测机器人与环境障碍物碰撞接触位置时，采用如下步骤： 步骤S1：在下柔性层导电面上的对角电极A+、A之间施加偏置直流电压ias，形成A电场； 步骤S2：按压触觉传感器中上柔性层绝缘面的任意位置，使上柔性层与下柔性层导电面接触，得到接触点； 步骤S3：以上柔性层导电面作为接触点的引出线连接至信号收集器，得到电压值； 步骤S4：除去下柔性层导电面上的上电极A+、A之间施加的m，将偏置直流电压ias施加至下柔性层导电面的另一组对角电极B+、B，形成B电场； 步骤S5：利用上部柔性层的导电面作为接触点的引出线与信号收集器连接，得到电压值#?Ρ；步骤S6：释放按压位置，通过求解以下方程组可得到按压位置处的接触点坐标(x，y)：
其中，为修正辨识后的常数系数，m为加在对角电极上的电压值，Wei和bribe分别为接触点在两个电场A、B中的电位值；a、b分别为下柔性层导电表面的长度和宽度。
[0009] 与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几个方面：1、本发明结构所采用的材料均为柔性材料，满足人造皮肤的柔性要求，可大面积覆盖在机器人表面，结构尺寸不受限制，可根据实际需要制作；2、引线较少，结构简单，工艺流程简单，成本大大降低；3、在点电极对上施加偏置直流电压，电极本身的电导率以及电极与导电表面的贴附方式对测量结果影响很小，可以忽略不计。
【附图的简要说明】
图1为本发明的非均匀电场型机器人触觉传感器的结构示意图，其中，标号1为上柔性层绝缘面，2为上柔性层导电面，3为网状屏障，4为下柔性层导电面，5为下柔性层绝缘面，6为点电极。
[0011]图2为本发明的上部柔性层结构示意图，其中，标号1为绝缘表面，标号2为导电表面。
图3为本发明的下柔性层结构示意图，其中，4为导电面，5为绝缘面，6为点电极。
4为本实用新型结构受压时的剖面示意图，其中匀强电场，标号11为上柔性层，3为网状阻隔层，22为下柔性层。
图5为本发明的位置测量示意图。
[0015]
【详细方式】
具体实施方式下面结合附图及实施例对本发明进一步说明。
[0017] 本实施例提供了一种非均匀电场型机器人触觉传感器，如图1-4所示，包括上柔性层11、网状阻隔层3和下柔性层22，其中，上柔性层和下柔性层均由导电面和绝缘面构成，导电面作为上柔性层和下柔性层的内表面，上柔性层和下柔性层的导电面1、4分别直接贴在网状阻隔层的上下表面上；下柔性层的导电面为矩形，在矩形导电面的两组对角上分别设置有点电极6，其中一组对角上的两个点电极分别为A+、A；另一组对角上的两个点电极分别为B+、B。
[0018] 本实施例中，绝缘面作为上柔性层和下柔性层的外表面，绝缘面2、5为聚合物薄膜基材；通过在绝缘面上喷涂一层具有一定导电性的半导体介质，即可形成上柔性层和下柔性层的导电面1、4。
[0019] 本实施例中， 可以在上柔性层和下柔性层的外表面贴附一层粘弹性的保护膜， 以保护传感器不受损坏。
整个传感器的结构没有尺寸限制，可根据实际用途制作传感器的尺寸。具体地，本实施例中，上柔性层和下柔性层的导电面材为石墨纸，点电极直接焊接在两组对角石墨纸上，绝缘面为聚合物薄膜基底。中间网格夹层采用厚度为0.25mm、网格边长为2mm的聚乙烯分子材料。粘弹性保护膜为厚度为1mm的硅胶材料。
[0021] 根据本发明的机器人触觉传感器，若在下柔性层的矩形导电表面上的一组对角电极之间施加偏置电压匀强电场，则根据