一種扇面形機器人觸覺傳感器及其檢測方法與流程
2023-09-16 08:07:20
本發明屬於傳感技術領域，涉及可包覆於機器人連杆上用於檢測接觸位置的一種扇面形機器人觸覺傳感器及其檢測方法。
背景技術：
觸覺是機器人實現與環境直接作用的必需媒介，可以確保機器人與外部環境有可靠的物理與信息交互。藉助於觸覺傳感器感知到的外界信息可以為人機互動提供必需的參考，也可以為機器人的安全性控制策略提供碰撞的有關情況。
觸覺傳感器要求具有柔韌性能靈活包覆於機器人外表面，且要求有智能性能夠模擬人體皮膚檢測到接觸覺和接觸位置等信息。目前，陣列式的觸覺傳感器研究較為成熟，但由於陣列式的結構導致觸覺傳感單元間的檢測盲區很難避免，且在大面積包覆使用中需要集成數量龐大的傳感器單元，這在某種程度上影響了其實時性和可靠性。與之相對的非陣列式觸覺傳感器結構上統一、檢測區域連續更適用於大面積包覆使用且其信號處理電路簡單、製作工藝簡單，但一體化的包覆方式要求傳感器本身形狀與機器人包覆部位的形狀要相似甚至一致。
技術實現要素：
鑑於此，本發明的目的是提出一種扇面形機器人觸覺傳感器及其檢測方法，實現包覆於機器人連杆上用於檢測接觸位置。
本發明解決技術問題所採用的方案是：一種扇面形機器人觸覺傳感器，包括上柔性層、網狀隔層以及下柔性層，所述上柔性層、網狀隔層以及下柔性層均為扇面形；所述上柔性層與下柔性層均由一導電面和一絕緣面貼合組成，並且導電面作為上柔性層與下柔性層的內表面，絕緣層作為上柔性層與下柔性層的外表面；上柔性層的導電面與下柔性層的導電面分別貼附於所述網狀隔層的上下兩面；所述上柔性層導電面的前後兩弧線分別設有弧邊電極，所述下柔性層導電面的左右兩端線分別設有線狀電極。
進一步的，所述絕緣面為高分子薄膜基材，所述絕緣面上噴塗有一層具有一定導電率用以形成所述上柔性層與下柔性層的導電面的半導體介質。
進一步的，所述弧邊電極和線狀電極的電導率均大於所述上柔性層與下柔性層的導電面上半導體介質的電導率的10倍以上。
進一步的，所述上柔性層與下柔性層的外表面均貼附有一層粘彈性保護膜。
本發明還提供一種如上述所述的扇面形機器人觸覺傳感器的檢測方法，將觸覺傳感器包覆於機器人連杆上用於檢測接觸位置，接觸位置的檢測包括以下步驟：
步驟s1：在下柔性層導電面的兩端線的兩個線狀電極之間施加一偏置直流電壓u0；
步驟s2：按壓觸覺傳感器中上柔性層絕緣面的任一位置，使所述上柔性層與下柔性層的導電面接觸，得到一接觸點；
步驟s3：將所述上柔性層的導電面作為接觸點的引出線，連接至一信號採集器，獲取電壓值uθ；
步驟s4：去除所述下柔性層的偏置直流電壓u0，把偏置直流電壓u0施加到所述上柔性層導電面的兩弧邊電極之間；
步驟s5：將所述下柔性層的導電面作為接觸點的引出線，連接至所述信號採集器，獲取電壓值ur；
步驟s6：鬆開按壓位置，並按照下式計算按壓位置處的接觸點坐標(r,θ)，
其中，u0為施加在線狀電極和弧線電極之間的偏置直流電壓值，ur和uθ分別為所述信號採集器採集到的接觸點的電壓值，r1和r2分別為扇面形的小圓弧半徑和大圓弧半徑，n為扇面形的圓心角。
與現有技術相比，本發明有以下有益效果：
(1)本發明針對性解決了非陣列式觸覺傳感器關於機器人圓臺狀連杆的包覆問題；
(2)本發明結構採用的材料均具有柔性，滿足機器人觸覺傳感器柔性的要求，能夠大面積覆蓋在機器人體表，其結構尺寸不受限制，能夠按實際需要製作；
(3)本發明的傳感器信號提取與處理簡單，最大程度上地減少了後期數據處理的壓力，保證了傳感器的實時性；
(4)製作流程簡單，所需材料無特殊要求，能夠在市面上直接購買到，成本大大降低。
附圖說明
下面結合附圖對本發明專利進一步說明。
圖1為本發明實施例的機器人觸覺傳感器的結構示意圖；
圖2是本發明實施例的機器人觸覺傳感器受壓時的結構截面圖；
圖3是本發明實施例的機器人觸覺傳感器接觸位置檢測方法的r坐標測量原理圖。
圖4是本發明實施例的機器人觸覺傳感器接觸位置檢測方法的θ坐標測量原理圖。
圖5是本發明實施例觸覺傳感器接觸位置檢測方法的測量原理圖。
圖中：1-上柔性層絕緣面，11-上柔性層，22-下柔性層，2-上柔性層導電面，3-弧邊電極，4-網狀隔層，5-下柔性層導電面，6-線狀電極，7-下柔性層絕緣面，t1-時間節點1，t2-時間節點2，為r方向上施加偏置直流電壓正極，rgnd為r方向上施加偏置直流電壓負極，為θ方向上施加偏置直流電壓正極，θgnd為θ方向上施加偏置直流電壓負極。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明進一步說明。
如圖1～2所示，本實施例的一種扇面形機器人觸覺傳感器，包括上柔性層11、網狀隔層4以及下柔性層22，所述上柔性層11、網狀隔層4以及下柔性層22均為扇面形；所述上柔性層11與下柔性層22均由一導電面和一絕緣面貼合組成，並且導電面作為上柔性層11與下柔性層22的內表面，絕緣層作為上柔性層11與下柔性層22的外表面；上柔性層導電面2與下柔性層導電面5分別貼附於所述網狀隔層4的上下兩面；所述上柔性層導電面2的前後兩弧線分別設有弧邊電極3，所述下柔性層導電面5的左右兩端線分別設有線狀電極6。所述上柔性層絕緣面1和下柔性層絕緣面7作為外表面，起到絕緣防護作用。
從上述可知，本發明的有益效果在於：本發明為扇面形的非陣列式觸覺傳感器，能夠大面積地包覆在機器人圓臺狀的連杆表面來檢測接觸位置，結構尺寸不受限制，可以按照實際需要製作，適用性廣。
在本實施例中，所述絕緣面為高分子薄膜基材，所述絕緣面上噴塗有一層具有一定導電率用以形成所述上柔性層11與下柔性層22的導電面的半導體介質。本發明的觸覺傳感器所採用的材料均具有柔性，能夠大面積地包覆在機器人表面來檢測接觸位置。
在本實施例中，為了使弧邊電極3和線狀電極6的阻性對電場產生儘可能少的影響，所述弧邊電極3和線狀電極6的電導率均大於所述上柔性層11與下柔性層22的導電面上半導體介質的電導率的10倍以上。
在本實施例中，所述上柔性層11與下柔性層22的外表面均貼附有一層粘彈性保護膜。通過粘彈性薄膜膜用於保護觸覺傳感器免受刮擦損傷，
本發明提供的機器人觸覺傳感器的結構尺寸沒有限制，可以按照實際用途來製造傳感器的大小。本發明的觸覺傳感器的柔性層的導電面材料為石墨紙，弧邊電極3和線狀電極6採用鋁箔，電極與導電面的銜接處使用導電膠布粘貼，增強導電性能，絕緣面採用高分子薄膜基材。中間網狀隔層4採用聚乙烯分子材料，厚度為0.25mm,網格邊長為2mm。粘彈性保護膜為1mm厚度的矽膠材料。
如圖3-5所示，本發明還提供一種如上述所述的扇面形機器人觸覺傳感器的檢測方法，將觸覺傳感器包覆於機器人連杆上用於檢測接觸位置，接觸位置的檢測包括以下步驟：
步驟s1：在下柔性層導電面5的兩端線的兩個線狀電極6之間施加一偏置直流電壓u0；
步驟s2：按壓觸覺傳感器中上柔性層11絕緣面的任一位置，使所述上柔性層11與下柔性層22的導電面接觸，得到一接觸點；
步驟s3：將所述上柔性層11的導電面作為接觸點的引出線，連接至一信號採集器，獲取電壓值uθ；
步驟s4：去除所述下柔性層22的偏置直流電壓u0，把偏置直流電壓u0施加到所述上柔性層導電面2的兩弧邊電極3之間；
步驟s5：將所述下柔性層22的導電面作為接觸點的引出線，連接至所述信號採集器，獲取電壓值ur；
步驟s6：鬆開按壓位置，並按照下式計算按壓位置處的接觸點坐標(r，θ)，
其中，u0為施加在線狀電極6和弧線電極之間的偏置直流電壓值，ur和uθ分別為所述信號採集器採集到的接觸點的電壓值，r1和r2分別為扇面形的小圓弧半徑和大圓弧半徑，n為扇面形的圓心角。
本發明提供的觸覺傳感器根據要包覆的圓臺狀連杆來確定扇面形的參數，如果在上柔性層導電面2弧邊電極3施加一偏置電壓，依據本發明觸覺傳感器的結構則會在上柔性層導電面2內產生恆定電場，基於恆定電場的基本性質可知，電勢值與位置有關係，因此，如果能夠測得某點的電勢值，即可進一步求得該點在導電面的極徑坐標r，同樣也可以在下導電層上產生電場來測得該點在導電面的極角坐標θ。由極徑坐標與極角坐標，則可以確定接觸點在導電面上的坐標點。
本發明可以在上柔性層11和下柔性層22的兩個導電面上分時產生兩個維度上的恆定電場來測得位置坐標。上柔性層11的導電面和下柔性層22的導電面通過網狀隔層4隔開的目的，是當一導電層施加偏置電壓時，另一導電層起到引出接觸點電勢信號的作用。
如圖2所示，當在機器人觸覺傳感器表面施加外力時，上上柔性層11的導電面和下柔性層22的導電面在接觸位置連通，以扇面形的圓心建立極坐標系，位置檢測就是檢測接觸位置r和θ坐標值的過程：
r方向坐標值測量過程如圖3所示，在上柔性層11的導電面的電極上施加一偏置電壓u0，下柔性層22的導電面作為測量面，用於測出接觸位置的電勢值ur，從而可求得r坐標值：式中，u0為施加在弧線電極之間的偏置直流電壓值，ur為直接測得的接觸點的電壓值，r1和r2分別為所述扇面形的小圓弧半徑和大圓弧半徑。
θ方向位置測量過程如圖4所示，撤掉上柔性層導電面2的偏置電壓，在下柔性層22的導電面的電極上施加一偏置電壓u0，上柔性層導電面2作為測量面，用於測出接觸位置的電勢值uθ，從而可求得θ坐標值：式中，u0為施加在線狀電極6之間的偏置直流電壓值，uθ為直接測得的接觸點的電壓值，n為扇面形的圓心角。
接觸點位置測量過程如圖5所示，聯立r方向和θ方向求得的位置坐標，即可求得接觸點的位置坐標。
綜上所述，本發明提供的一種扇面形機器人觸覺傳感器及其檢測方法，用於檢測接觸位置，結構簡單，成本低。
上列較佳實施例，對本發明的目的、技術方案和優點進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。