非匀强电场型机器人触觉传感器及其检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于传感技术领域，特别涉及一种用于检测碰撞接触位置的非匀强电场型 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。通过检测机器人碰撞 时的表面受力位置，机器人得到环境中障碍物的方位信息，可制定相应的安全决策，从而直 接降低碰撞力的大小且避免二次碰撞。随着MEMS技术的不断发展以及各种敏感材料的出 现，为机器人触觉传感器的研究、设计和制作提供了良好的基础。
[0003] 专利（CN101059380)发明了一种柔性电容式触觉传感器，可贴附在任意表面同时 感受法向力和切向力的大小，但是采用阵列结构，敏感材料的制备工艺较复杂，阵列各不同 部分由于生产流程、制作工艺技术的非同一性，对同一个传感器阵列的不同部分的特性也 会出现非均一性，对非规则曲面的测量误差过大。专利（CN203965077)发明了一种柔性薄 膜触觉传感器，采用静电诱导的方法在基体上制作成对柔顺电极层，形成三明治结构柔性 薄膜，具有可剪裁为任意形状，挠性好等特点，但其复合薄膜电极的工艺制作过程需要控制 的因素较多，难以保证每次制造的电极都能符合要求。相比之下，本发明采用非阵列式柔性 结构，采用常规方法即可实现材料和结构配件的制备，不存在材料制备的工艺复杂和不均 一性等问题，良好的柔性同样可以贴附在任意表面，对非规则曲面的测量不会存在误差过 大等问题。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种非匀强电场型机器人触觉传感器及其检测方 法，当机器人与人同处于同一环境时，为防止机器人与人发生碰撞，或为实现人与机器人协 同作业，可把本触觉传感器贴附于机器人表面。该传感器采用非阵列层式结构，所用的材料 均具有柔性，能够大面积覆盖在机器人表面并能够有效地检测碰撞位置，具有体积小，结构 简单，成本低，较高的柔性等特点。
[0005] 本发明采用以下方案实现：一种非匀强电场型机器人触觉传感器，包括上柔性层、 网状隔层以及下柔性层，所述上柔性层与下柔性层均由一导电面和一绝缘面贴合组成，且 所述导电面作为上柔性层与下柔性层的内表面，所述上柔性层与下柔性层的导电面分别直 接贴附于所述网状隔层的上下两面；所述下柔性层的导电面为矩形，在矩形导电面的两组 对角上各设有一点电极，一组对角上的两个顶点的电极分别为A +与A ;另一组对角上的两 个顶点的电极分别为B+与B。
[0006] 进一步地，所述绝缘面作为上柔性层与下柔性层的外表面，且所述绝缘面为高分 子薄膜基材；所述绝缘面上喷涂有一层具有一定导电率的用以形成所述上柔性层与下柔性 层的导电面的半导体介质。
[0007] 进一步地，在所述上柔性层与下柔性层的外表面均贴附一层粘弹性保护膜。
[0008] 本发明中所述非匀强电场型机器人触觉传感器在检测机器人与环境障碍物之间 的碰撞接触位置时，采用如下步骤： 步骤Sl :在下柔性层导电面的对角电极A+与A之间施加一偏置直流电压 lias，形成一 A电场； 步骤S2 :按压触觉传感器中上柔性层绝缘面的任一位置，使所述上柔性层与下柔性层 的导电面接触，得到一接触点； 步骤S3:所述上柔性层的导电面作为接触点的引出线，连接至一信号采集器，获取电 压值; 步骤S4 :去除所述下柔性层导电面上电极A+与A之间施加的m，把偏置直流电压：^施 加到所述下柔性层导电面的另一组对角电极B+与B之间，形成一 B电场； 步骤S5:将所述上柔性层的导电面作为接触点的引出线，连接至所述信号采集器，获 取电压值#?Ρ; 步骤S6 :松开按压位置，按压位置处的接触点坐标（X，y)可通过联立下式求解而得：
其中，是经修正辨识的常系数，m为施加在对角电极上的电压值，魏，贿分别为接触 点在A、B两个电场中的电势值；a，b分别为所述下柔性层导电面的长和宽。
[0009] 与现有技术相比，本发明有益效果体现在：1、本发明结构采用的材料均具有柔性， 满足人工皮肤柔性的要求，能够大面积覆盖在机器人体表，其结构尺寸不受限制，能够按实 际需要制作；2、引线少，结构简单，工艺流程简单，成本大大降低；3、在点电极对上加偏置 直流电压，电极自身的导电性和电极与导电面的贴附方式对测量结果的影响很小，可以忽 略不计。
【附图说明】
[0010] 图1是本发明非匀强电场型机器人触觉传感器结构简图，图中标号1为上柔性层 的绝缘面，2为上柔性层的导电面，3为网状隔层，4为下柔性层的导电面，5为下柔性层的绝 缘面，6为点电极。
[0011] 图2为本发明中上柔性层结构，图中标号1为绝缘面，2为导电面。
[0012] 图3是本发明中下柔性层结构，图中标号4为导电面，5为绝缘面，6为点电极。
[0013] 图4是本发明受压时的结构截面图，图中标号11为上柔性层，3为网状隔层，22为 下柔性层。
[0014] 图5是本发明位置测量原理图。
[0015]
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0017] 本实施例提供一种非匀强电场型机器人触觉传感器，如图1-4所示，包括上柔性 层11、网状隔层3以及下柔性层22,所述上柔性层与下柔性层均由一导电面和一绝缘面组 成，且所述导电面作为上柔性层与下柔性层的内表面，所述上柔性层与下柔性层的导电面1 和4分别直接贴附于所述网状隔层的上下两面；所述下柔性层的导电面为矩形，在矩形导 电面的两组对角上各设有一点电极6,一组对角上的两点电极分别为A +与A ;另一组对角上 的两点电极分别为B+与B。
[0018] 在本实施例中，所述绝缘面作为上柔性层与下柔性层的外表面，且所述绝缘面2 和5为高分子薄膜基材；在所述绝缘面上通过喷涂一层具有一定导电率的半导体介质，则 可形成所述上柔性层与下柔性层的导电面1和4。
[0019] 在本实施例中，在所述上柔性层与下柔性层的外表面均可贴附一层粘弹性保护 膜，用于保护传感器免受破损。
[0020] 整个传感器的结构没有尺寸限制，可以按照实际用途来制造传感器的大小。特别 的，在本实施例中，所述上柔性层与下柔性层的导电面材料为石墨纸，点电极直接焊在石 墨纸两组对角上，绝缘面为高分子薄膜基材。中间网状隔层采用聚乙烯分子材料，厚度为 0.25mm,网格边长为2mm。粘弹性保护膜为1mm厚度的硅胶材料。
[0021] 基于本发明所述的机器人触觉传感器，如果在下柔性层矩形导电面一组对角电极 之间施加一偏置电压，依据