[发明专利]一种六自由度触觉传感器及其解耦设计方法

说明书

本发明公开了一种六自由度触觉传感器及其解耦设计方法。触觉传感器基于电容传导机理，由剪切力感应单元、扭转感应单元、正压力阵列感应单元组成，可同时感知剪切、空间载荷、扭矩等丰富的多维度信息。本发明以交叉轴灵敏度作为衡量解耦精度标准，以指导传感器结构设计，巧妙地实现各维度力/力矩信息分解到三个分立感应单元，降低解耦难度及提高解耦精度，可独立表征六自由度力/力矩分量。与此同时，通过构造双叉指电极结构和疏松网格状电介质结构，使传感器实现超高灵敏度测量。本发明降低了传感器多维度测量的耦合度与解耦难度，显著提高了解耦效率，实现了六维力/力矩的解耦表征。

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及其解耦设计方法，尤其是一种基于电容传导方式的六自由度触觉传感器。

背景技术

触觉传感技术在机器人特别是仿生机器人、服务机器人等应用领域起着非常重要的作用，拥有触觉感知能力可使机器人准确敏感地感知外部环境，进而灵活自如地运动，实现与人安全自然的接触交互。随着机器人传感技术的飞速发展，国内外学者纷纷开展对触觉传感器的研究。

仅靠单维触觉传感器不足以向机器人提供丰富的触觉感知信息，为了保证机器人实现安全可靠地抓取目标、准确识别物体表面纹理、控制机械手与目标之间相对滑动等操作，这就要求触觉传感器可同时获取多维力信息，包括剪切力、空间载荷、扭转、剥落力矩等。

目前，研制的触觉传感器基本具备了三轴触觉传感功能，同时为了实现对多维力的精准测量，解决多轴力/力矩之间的串扰效应，国内外学者纷纷提出了基于多种传导机理的多维力触觉感知及解耦方案。

意大利那不勒斯大学的Naples等人提出了一种基于光学测量原理的六自由度力/力矩触觉传感器，并利用神经网络建立传感器电压输出与六轴力/力矩之间映射关系的方案，实现重构力/力矩分量，但这种触觉传感器的精度高度依赖于神经网络训练数据的全面性，易受噪声干扰。日本的Yoshiyuki Hata等人研制了一种四翘翘板电极结构的全差分电容式3轴力触觉传感器，通过分析正压力与法向力引起四组电容的变化差异，建立了传感器解耦矩阵，实现了剪切力与正压力检测。中国科学院合肥物质科学研究院的胡广宇等人申请的专利(CN106482874A)公开了一种正四面体式三维力柔性触觉传感器阵列，利用将三维力作用分解到四面体的三个下侧面上，降低了电阻数据的耦合度，提高解耦效率。上述两例研究中通过设计传感器巧妙结构，解决剪切力与正压力力耦合作用，但仅实现了三维力检测，无法满足触觉传感器对多维力信息同时获取的迫切需求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种新型的六自由度触觉传感器及解耦设计方法，降低解耦难度及提高解耦精度，实现六维力/力矩同时检测，同时保证结构紧凑，微型化和高度集成化。

本发明为解决技术问题，采用如下的技术方案：

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；三个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感应阵列单元分层堆叠排列，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；

所述的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；所述的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；所述的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；

所述的剪切感应单元的每份电容器中上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，以在每两根相邻的电容极板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；

所述的上极板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，所述的下极板双叉指状电极由两份感应梳齿电极啮合组成；