[发明专利]一种高灵敏五自由度阵列式触觉传感器

说明书

本发明涉及一种高灵敏五自由度阵列式触觉传感器，它由三层印刷电路板和两层电介质层基于“三明治结构”堆叠而成，可独立感知作用于触觉传感器的正压力、剪切力和力矩。本发明将正压力感应层进行阵列式拓展，基于多层印制电路板技术与合理PCB布线布局设计，解决阵列印发的大量走线布线困难与诱发干扰问题，实现触觉传感器空间力高分辨率检测。本发明将触觉传感器的传感单元与检测电路集成于一体，消除导线传输过程产生的寄生电容，降低噪声影响，检测电路为传感器单元提供AD转换、有源屏蔽与数据交互。本发明的高灵敏五自由度传感器既能实现多自由度空间力的解耦测量，还实现了高空间分辨率的空间力分布信息检测，同时保证各维力的极高灵敏度检测。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种触觉传感器，尤其是一种基于电容传导方式的高灵敏五自由度阵列式触觉传感器。

背景技术

目前机器人已广泛应用于工业自动化制造，并且它们的应用开始多样化，例如开发人形机器人以帮助人们进行日常活动，并协助人们执行诸如交换对象的任务。为了保证智能机器人能够安全地在未知非结构化的日常环境中工作，要求机器人获取周围环境对象的详细信息，而详细信息可通过不同感应源获取，如视觉和触觉。视觉反馈虽然已被广泛地用于机器人的定位和形状识别中，但其易受视线阻碍或灯光偏暗影响；相较之下，触觉反馈可为机器人提供力和接触信息，使其更易适应未知多样性的环境，如人类可依靠全身覆盖的皮肤感知系统接收大千世界的材质与形状信息，因此触觉传感器对于机器人系统与外部世界安全地交互并精确地操纵物体是至关重要的。

为了应对各式各样的外界激励，机器人需要具备正压力、剪切力、扭矩和弯曲等各种信息的感知能力。目前在触觉传感器研究历程中，已然突破了三自由度力检测，实现六自由度力和力矩的检测。但就单个六自由度力和力矩触觉传感器而言，只局限于单接触点的检测，而忽略了整体接触区域的检测，无法为机器人提供关于触觉的空间分布的信息，实现设备与接触物体精确稳定的接触。为了为机器人提供触觉完备精确的空间分布信息，国内外学者针对触觉传感阵列开展了系列研究。

目前，国内外在触觉传感阵列方面的研究现况中，为了提高阵列传感的空间分辨率，提出从拓展触觉传感器的阵列数与实现阵列单元的微型化两个方向进行设计，但该两个措施势必引起阵列引出信号线骤增导致布线困难与杂散电容干扰产生，导致现有的阵列式传感器难以突破更高分辨率。同时，目前研究现状中，阵列式触觉传感器配备的阵列式扫描电路普遍存在体积大、大阵列规模扫描电路测量速度慢、不易于阵列数可拓展等问题，有待进一步研究。

目前，现有多自由度触觉传感器在多维力测量上，普遍存在切向灵敏度低于正向载荷测量灵敏度的问题，而对于触觉传感器来说，灵敏度是衡量触觉传感器的重要指标灵敏度，并且各向测量灵敏度不同级问题的存在，会阻碍触觉传感器对于空间多维力独立检测的实现。

目前，现有的触觉传感器与检测电路大多是分离的，会导致在信号传播途中干扰信号的增加，并且破坏传感器的整体性；同时对于目前应用广泛的电容式触觉传感器，很难实现微型化，因为电容触觉传感器微型化导致自身电容变小，使其易受寄生电容的影响，信噪比低，抗干扰的能力弱，不满足传感器的基本要求，无法为机器人提供可靠的载荷分布与力矩检测数据，致使其控制机构无法及时做出正确的判断。

综上所述，现有的多维触觉传感器存在局限于单点检测、各向测量灵敏度不同级且灵敏度有待提升、易受寄生电容的影响与存在干扰信号等问题，将导致所服务的机器人无法准确地获取接触物的空间分布信息，致使其控制机构无法及时地做出正确的判断，保证不了智能机器人安全地在未知非结构化的日常环境中工作。因此要求多维触觉传感器实现阵列式、高灵敏度、微型化与集成化的特征。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高灵敏五自由度阵列式触觉传感器，能够克服以往触觉传感器切向检测灵敏度低于正向检测灵敏度的不足之处，实现高灵敏度空间力检测，同时在满足微型化和集成化的条件下保证具备信噪比高、低噪声、重复性良好、滞后性低等传感器的优良特性。