[发明专利]一种六自由度触觉传感器及其解耦设计方法

权利要求书

1.一种六自由度触觉传感器，包括剪切感应单元、扭转感应单元和正压力阵列感应单元；其特征在于：所述剪切感应单元、扭转感应单元和正压力阵列感应单元感应机理均基于电容传导，其中，剪切感应单元和正压力阵列感应单元分层堆叠排列，扭转感应单元设置在剪切感应单元中心，与剪切感应单元同层排列；

所述剪切感应单元包括四份双叉指状电极结构电容器，作为水平X/Y向力检测模块，其中两份电容器的极板呈横向分布，两份呈纵向分布；所述扭转感应单元为一个圆环状电容器，作为Z向扭矩检测模块，其中上层极板为正弦曲线替代外圆构成的圆环接地极，下层极板为八等分的圆环感应极；所述正压力阵列感应单元包括2×2阵列排布的4份矩形电容器，作为垂直Z向力和X/Y向力矩检测模块。

2.根据权利要求1所述的一种六自由度触觉传感器，其特征在于：所述剪切感应单元中，每份电容器中上极板和下极板形状结构一致，均为双叉指状，且对齐时要求有小量的偏移，以在指状感应电极之间产生一对差分信号，实现触觉传感器在剪切力方向的超高灵敏度检测；

所述上极板的双叉指状电极由一份接地梳齿电极和一份有源屏蔽梳齿电极啮合组成，所述的下极板的双叉指状电极由两份指状感应电极啮合组成。

3.根据权利要求1所述的一种六自由度触觉传感器，其特征在于：所述扭转感应单元中，下层极板划分为八等分，每等份对应于上层极板的一个周期的正弦曲线，可提高感测扭转力矩的灵敏度；同时每等份又均分为4份电极，不相邻的两份电极形成一对差分信号；

所述的上层极板为正弦曲线围成的圆环接地极，其中正弦曲线圆环也等分为8个周期。

4.根据权利要求1所述的一种六自由度触觉传感器，其特征在于：所述正压力阵列感应单元中，4份矩形电容器的上极板是关于触觉传感器的中心以2×2形式对称排列的4片矩形感应极，而下极板合并为一块大矩形接地极板。

5.根据权利要求1所述的一种六自由度触觉传感器，其特征在于：所述正压力阵列感应单元的电介质层为疏松网格状。

6.一种如权利要求1所述的六自由度触觉传感器的解耦设计方法，其特征在于，解耦设计方法包含以下步骤：

步骤1，正压力阵列感应单元的下极板面积略大于上极板的外围面积，保证剪切力与扭转作用时上极板移动不会超过下极板的边界，消除剪切力和扭矩对正压力阵列感应单元的影响；

步骤2，扭转感应单元设计为球对称的正弦圆环结构，可解耦剪切力，与此同时通过检测所述的扭转感应单元输出的4路电容信号，并计算每两份电容的差分值，可消除正压力作用引起的共模信号，仅输出作用于触觉传感器的Z轴扭矩作用引起的电容变化；

步骤3，通过检测所述的剪切感应单元的四份双叉指状电极结构电容器输出的差分信号，获得与正压力解耦且与X/Y向剪切力和Z轴扭矩相关的电容变化，再将所述电容变化值减去经扭转感应单元电容变化换算为电容变化值，得到X/Y向剪切力引起的电容变化，即解耦扭矩与正压力作用。