柔性三維力觸覺傳感器的製作方法
2023-06-08 14:55:41 2
專利名稱：柔性三維力觸覺傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及機器人非視覺傳感器領域，特別涉及一種柔性三維力觸覺傳感器。
背景技術：
觸覺傳感器是機器人獲取觸覺信息不可缺少的手段，根據觸覺傳感器提供的信息，機器人可對目標物體進行可靠抓取，並可進一步感知它的大小、形狀、輕重、軟硬等物理特性。觸覺傳感器的發展趨勢是集成化、小型化和智能化，一個集成的傳感器陣列包含多個傳感單元，每個傳感單位都能獨立獲取外界信息，而多個傳感單元的有機融合則可實現單個傳感單元無法實現的功能。為準確獲取觸覺信息及適用於任意形狀的表面，還要求觸覺傳感器具有一定的柔性，藉此可以安裝在任意形狀的表面上以適應不同的機器人應用，並能獲取三維接觸力信息，使之能更牢固可靠地抓握目標物體。
早期的觸覺傳感器主要有機械式觸覺傳感器和彈性式觸覺傳感器兩種，它們不僅體積較大，空間解析度較低，而且傳感器是「剛性」的，即傳感器不能彎曲變形而安裝在曲面上，因此它們在機器人技術領域難以得到較為廣泛的應用。
隨著傳感器技術的發展，出現了電容式和光學式等觸覺傳感器。
電容式觸覺傳感器在受力時，其中的一個電極會發生微小移動，從而引起電容量的改變，在電容式觸覺傳感器中由於存在可動電極，其壽命受到影響，可靠性也不高，而且難於獲得切向力信息，即不能檢測三維力信息。
光學式觸覺傳感器主要是光纖觸覺傳感器，光學式觸覺傳感器的檢測系統較為複雜，除了傳感器本身外，還需外接照明光纖、微型CCD以及用於圖像處理的高速計算機等，因此難以實現小型化。
以上各種傳感器都難於實現集成化、小型化和智能化的要求。
發明內容
鑑於現有各種觸覺傳感器的不足，本發明目的是為克服現有技術中的不足之處(上述各種方案的局限性)，提出了一種結構簡單、使用更方便的柔性三維力觸覺傳感器。
本發明的技術方案是一種柔性三維力觸覺傳感器，包括傳感器上的壓敏電阻(11)和與其電連接的處理電路(8)，其特徵在於所說傳感器為三維力傳感器(4)，所說三維力傳感器(4)形成三隻以上呈矩形的三維力敏感陣列(12)，三維力敏感陣列(12)置於彈性基底(7)與柔性電路板(2)之間；所說三維力傳感器(4)呈E形膜(9)，E形膜(9)上的彈性應變膜(10)的中部置有傳力柱(3)，所說壓敏電阻(11)置於彈性應變膜(10)上，壓敏電阻(11)分別有Fx1、Fx2、Fy1、FY2、Fz1、Fz2、Fz3、Fz4，其中，所說壓敏電阻Fx1、Fx2與壓敏電阻Fy1、FY2間互呈90度設置，所說壓敏電阻Fx1、Fx2旁置有壓敏電阻Fz1、Fz4，所說傳力柱(3)旁的彈性應變膜(10)上置有壓敏電阻Fz2、Fz3，所說壓敏電阻Fz1、Fz2、Fz3、Fz4與所說壓敏電阻Fx1、Fx2平行設置；E型膜(9)中的彈性應變膜(10)上分布著8個壓敏電阻(11)，分別對X、Y、Z三個方向的力Fx、Fy、Fz敏感；所說傳力柱(3)與彈性保護層(1)接觸，所說E形膜(9)與彈性基底(7)相連接，三維力傳感器(4)與彈性保護層(1)間置有柔性電路板(2)，所說柔性電路板(2)上開有供傳力柱(3)穿過的孔。
三維力敏感陣列(12)為呈4×4陣列設置的16隻三維力傳感器(4)。
E形膜(9)與彈性基底(7)之間留有微小間隙(6)，且E形膜(9)之間置有柔性填充材料(5)。
壓敏電阻(11)即Fx1、Fx2、Fy1、FY2、Fz1、Fz2、Fz3、Fz4為矽P型摻雜電阻。
作為技術方案的進一步改進，所述的柔性三維力觸覺傳感器可以彎曲90度。其檢測三維力的空間解析度可達5mm，檢測三維力的下限可達0.1N。
本發明相對於現有技術的有益效果是其一、由於三維力傳感器(4)採用單晶矽材料並通過MEMS工藝技術製造，因此每個三維力敏感單元尺寸較小，因而能實現較高的觸覺空間解析度，並且檢測精度高。
其二、彈性保護層(1)位於三維力傳感器的最外層，它作為工作面直接與被測物體接觸，在彈性保護層(1)上沒有任何電子器件和電極，因而不會出現因接觸和抓取目標物體可能導致的電子器件及其線路損壞情況，因此可靠性較高。
其三、彈性保護層(1)和柔性電路板(2)以及彈性基底(7)均為彈性材料，能有效吸收衝擊力，因此能保護三維力傳感器(4)形成的三維力敏感陣列(12)在較大的外力衝擊下不被破壞，大大提高了傳感器的可靠性。
其四、彈性基底(7)與E型膜(9)之間留有微小間隙(6)，當被測力超過極限量程時，間隙(6)變為零，能起到過載保護作用。
其五、三維力的量程及靈敏度由E形膜(9)的大小與厚度和位於它上面的彈性保護層(1)的材料控制，調節範圍廣。
其六、E型膜(9)上壓敏電阻(11)的分布充分考慮了不同方向之間的耦合關係，使得各個方向之間的耦合幾乎為零。
其七、三維力傳感器(4)中每個三維力敏感單元之間有足夠的間隙允許三維力敏感陣列(12)實現彎曲變形，整個柔性三維力傳感器形成的三維力敏感陣列(12)能夠可靠地粘附在各種曲面上，實現對三維力的檢測。
下面結合附圖對本發明所述的柔性三維力觸覺傳感器結構作進一步的說明。
圖1(a)是柔性三維力觸覺傳感器的橫截面結構示意圖；圖1(b)是三維力陣列(12)的結構示意圖；圖2(a)是E形膜(9)的橫截面結構示意圖；圖2(b)是壓敏電阻(11)分布的結構示意圖。
1為彈性保護層；2為柔性電路板；3為傳力柱；4為三維力傳感器；5為柔性填充材料；6為間隙；7為彈性基底；8為信號處理電路；9為E形膜；10為彈性應變膜；11為壓敏電阻；12為三維力敏感陣列。
具體實施方法 在圖1和圖2中柔性三維力觸覺傳感器由起支撐作用的彈性基底7、三維力傳感器4形成的三維力敏感陣列12及柔性填充材料5、柔性電路板2和起保護作用的彈性保護層1組成，成為一個結構緊密的三維力傳感部件。
柔性三維力觸覺傳感器的結構與功能特徵在於彈性保護層1位於柔性三維力觸覺傳感器的最外層，起保護與電絕緣作用；彈性保護層1的下面是柔性電路板2，它提供三維力敏感陣列12與信號處理電路8之間的電氣連接；柔性電路板2的下面是三維力敏感陣列12及其之間的柔性填充材料5，三維力敏感陣列12由若干三維力敏感單元組成，實現從力信息到電信號的轉換，三維力敏感單元之間有足夠的間隙允許三維力敏感陣列12實現彎曲變形，每個三維力敏感單元的E型膜9中央製作一個傳力柱3，傳力柱3穿過柔性電路板2與彈性保護層1之間輕微接觸，所述的E型膜9中的彈性應變膜10上分布著8個壓敏電阻11，分別對X、Y、Z三個方向的力Fx、Fy、Fz敏感；三維力敏感陣列12的下面是彈性基底7，在彈性基底7與E型膜9之間留有微小間隙6實現過載保護。
所述的信號處理電路8的功能是將柔性三維力觸覺傳感器輸出的電壓信號進行放大、轉換並輸出到計算機進行處理，其特徵在於信號的選通。柔性三維力觸覺傳感器與信號處理電路8可以互換。
所述的彈性基底7、柔性填充材料5和彈性保護層1均由樹脂材料製成以實現柔性的要求。
所述的三維力敏感陣列12採用單晶矽材料通過MEMS工藝技術製作而成。
柔性三維力觸覺傳感器的設計根據特定應用場合的需求，如要求的空間解析度、三維力的量程、傳感器靈敏度、檢測精度、要求彎曲變形的程度等指標，確定柔性三維力觸覺傳感器的尺寸大小和三維力傳感器4的尺寸大小以及它們之間的間隙。三維力的量程及靈敏度由E形膜9及彈性應變膜10的大小與厚度和彈性保護層1的厚度決定，根據有限元分析的結果，決定壓敏電阻11的分布。
本發明所述的柔性三維力觸覺傳感器可通過如下製作採用MEMS工藝技術製作三維力敏感陣列12，包括標準的半導體平面工藝及微機械加工工藝；傳力柱3用剛性材料採用MEMS工藝或金屬加工工藝製作；採用標準的柔性電路板製作技術製作柔性電路板2；採用鍵合技術或高性能黏合劑把三維力傳感器4中每個三維力敏感單元粘合在彈性基底7上面，柔性電路板2和三維力敏感陣列12中每個三維力敏感單元則通過倒裝焊進行電氣連接，彈性保護層1通過高性能黏合劑粘合在柔性電路板2上面；採用電子線路技術製作信號處理電路8，並與柔性電路板2進行連接，其中信號處理電路部分包括開關選通電路、電壓比較放大電路、數據採集卡等；
最後，對三維力敏感陣列12進行標定，即通過信號處理電路8依次提取和處理三維力敏感陣列12中每個三維力敏感單元在三維接觸力作用下對應的輸出信號，並採用神經網絡技術對這些信號進行處理。
依據上述設計方法以及製作工藝製備的柔性三維力觸覺傳感器可以彎曲90度。其檢測三維力的空間解析度可達5mm，檢測三維力的下限可達0.1N。
對三維力傳感器4中的三維接觸力信息進行檢測的機理如下三維接觸力通過傳力柱3集中作用在E形膜9的中心，E形膜9將作用力轉變成應變。E形膜9上分布了八個壓敏電阻，由於半導體的壓阻效應，當壓敏電阻11受到應變時電阻將發生變化。這八個壓敏電阻組成三個檢測電橋，分別對三維力Fx，Fy，Fz進行檢測。彈性基底7與E形膜9之間有一微小間隙6，當被測力超過極限量程時間隙為零，可起到過載保護作用。
E形膜9中壓敏電阻11的分布位置決定了受到的應變的大小和各個方向之間的耦合程度。壓敏電阻Rx1，Rx2沿X軸方向布置，並連成電橋。
當Fx作用時，Rx1受到壓應變，電阻減小，而Rx2受到拉應變，電阻增大，這時檢查電橋輸出改變。當Fy作用時，Rx1，Rx2近似在中性層上和對稱分布，受到的應變近似為零，並且大小近似相等，這時電橋輸出為零。
當Fz作用時，由於結構對稱，Rx1，Rx2受到的應變相等，即兩個電阻變化相等，這時電橋輸出為零。可見電阻Rx1，Rx2組成的電橋只對Fx敏感。
電阻Ry1，Ry2沿Y軸分布，並連成電橋。同理，其只對Fy敏感。
電阻Rz1，Rz2，Rz3，Rz4沿X軸分布在E形膜9中央凸臺的根部和膜片邊緣的根部，並連成電橋。
當Fz作用時，Rz2和Rz3受到壓應變，電阻減小。而Rz1，Rz4受到拉應變，電阻增大，這時電橋輸出改變。而Fx或Fy作用時，電橋輸出均為零。
權利要求
1.一種柔性三維力觸覺傳感器，包括傳感器上的壓敏電阻(11)和與其電連接的處理電路(8)，其特徵在於所說傳感器為三維力傳感器(4)，所說三維力傳感器(4)形成三隻以上呈矩形的三維力敏感陣列(12)，三維力敏感陣列(12)置於彈性基底(7)與柔性電路板(2)之間；所說三維力傳感器(4)呈E形膜(9)，E形膜(9)上彈性應變膜(10)的中部置有傳力柱(3)，所說的壓敏電阻(11)置於彈性應變膜(10)上，壓敏電阻(11)分別有Fx1、Fx2、Fy1、FY2、Fz1、Fz2、Fz3、Fz4，其中，所說壓敏電阻Fx1、Fx2與壓敏電阻Fy1、FY2間互呈90度設置，所說壓敏電阻Fx1、Fx2旁置有壓敏電阻Fz1、Fz4，所說傳力柱(3)旁的彈性應變膜(10)上置有壓敏電阻Fz2、Fz3，所說壓敏電阻Fz1、Fz2、Fz3、Fz4與所說壓敏電阻Fx1、Fx2平行設置，即E型膜(9)中的彈性應變膜(10)上分布著8個壓敏電阻(11)，分別對X、Y、Z三個方向的力Fx、Fy、Fz敏感；所說傳力柱(3)與彈性保護層(1)接觸，所說E形膜(9)與彈性基底(7)相連接，三維力傳感器(4)與彈性保護層(1)間置有柔性電路板(2)，所說柔性電路板(2)上開有供傳力柱(3)穿過的孔。
2.根據權利要求1所述的柔性三維力觸覺傳感器，其特徵是三維力敏感陣列(12)為呈4×4陣列設置的16隻三維力傳感器(4)。
3.根據權利要求1所述的柔性三維力觸覺傳感器，其特徵是E形膜(9)與彈性基底(7)之間留有微小間隙(6)，且E形膜(9)之間置有柔性填充材料(5)。
4.根據權利要求1所述的柔性三維力觸覺傳感器，其特徵是壓敏電阻(11)為矽P型摻雜電阻。
全文摘要
本發明公開了一種柔性三維力觸覺傳感器，包括傳感器上的壓敏電阻(11)和與其電連接的處理電路(8)，柔性三維力觸覺傳感器由起支撐作用的彈性基底(7)、三維力敏感陣列(12)及柔性填充材料(5)、柔性電路板(2)和起保護作用的彈性保護層(1)組成，成為一個結構緊密的三維力傳感部件。彈性基底(7)、柔性填充材料(5)和彈性保護層(1)均由樹脂材料製成以實現柔性要求。彈性應變膜(10)上分布的壓敏電阻(11)，分別對X、Y、Z三個方向的力Fx、Fy、Fz敏感；三維力敏感陣列(12)採用單晶矽材料通過MEMS工藝技術製作而成。該柔性三維力觸覺傳感器能夠可靠地粘附在各種曲面上，實現對三維力的檢測，廣泛地用於機器人技術。
文檔編號B25J13/08GK1796954SQ200410065900
公開日2006年7月5日 申請日期2004年12月22日 優先權日2004年12月22日
發明者梅濤, 單建華, 張正勇, 孫磊, 倪林, 陳士榮, 張東風, 陶永春, 孔德義, 孟慶虎 申請人:中國科學院合肥智能機械研究所