[发明专利]一种仿人型机器人多指手柔性三维力触觉传感器及其三维力检测系统

说明书

技术领域

本发明涉及机器人触觉传感器领域。

背景技术

触觉传感器是仿人型机器人多指手获取接触信息不可缺少的手段，根据触觉传感器提供的信息，仿人型机器人多指手可以对目标物体进行可靠抓取。仿人型机器人多指手在抓取物体时由于不能获得接触信息而导致的抓取不可靠会带来极大的危险。现有的仿人型机器人多指手触觉传感器大都只能检测法向力，而不能检测到切向力的大小。但切向力的检测对抓取的可靠性有着很重要的作用。并且仿人型机器人多指手触觉传感器要求触觉传感器具有高度柔性和小型化，可以贴服手指表面和集成在仿人型机器人多指手的手指中。

中国科学院合肥智能机械研究所的梅涛等人申请的专利“柔性三维力触觉传感器”，公开号为CN1796954，公开日为2006年07月05日；

该传感器采用MEMS工艺制作，整体具有柔性，可以检测三维力。但该传感器尺寸较大、加工工艺复杂、缺乏高度柔性，不适合机器人多指手应用。且专利中未提出信号采集电路，信号采集电路的性能及尺寸对传感器的应用有很大的影响。

合肥工业大学的黄英等人申请的专利“基于柔性压敏导电橡胶的触觉传感器”，公开号为CN101231200，公开日为2008年07月30日；

该传感器采用压敏导电橡胶，传感器整体具有高度柔性，可以检测三维力。但是该传感器采用单层电极层结构，传感器受电极接触面积的影响单个触觉单元的尺寸受到限制，不适合残疾人假手应用；压敏导电橡胶具有高的迟滞特性、线性度差。且专利中未提出信号采集电路，信号采集电路的性能及尺寸对传感器的应用有很大的影响。

本专利采用的压敏材料是“具有量子隧道效应的复合材料QTCQuantum Tunneling Composites，由英国Peratech公司研发”。

QTC的工作原理为：当QTC不受外力施压时，其本体为绝缘体，电阻阻值高达1kΩ；当QTC受到外力施压时，本体发生压缩形变，压缩区域的金属粒子彼此接近在电场力的作用下产生隧道电流；当QTC受到的外力增加到某一阈值时，QTC将呈现导电的特性，其电阻值可达到10Ω。

发明内容

本发明的目的是针对多数触觉传感器只能采集法向力而不能像人手皮肤一样可以检测法向力的同时检测力的问题，提供的一种仿人型机器人多指手柔性三维力触觉传感器及其三维力检测系统。

一种仿人型机器人多指手柔性三维力触觉传感器，它从上至下依次由传力半球层、柔性顶层电极层、具有量子隧道效应的复合材料QTC层和柔性底层电极层组成；

传力半球层上设置有十二个传力半球，所述十二个传力半球呈二行六列的阵列式排列；

柔性顶层电极层为柔性电路板结构，柔性顶层电极层上设置有十二组测量电极和八根金手指，该八根金手指包括八个管脚，分别是管脚R01、管脚R02、管脚R03、管脚R04、管脚R05、管脚R06、管脚R07和管脚R08；每组测试电极由四个形状相同的扇形镀金电极组成，所述扇形镀金电极的圆心角为90度，每组测试电极中的四个扇形镀金电极组成圆形，该圆形的直径与柔性底层电极层上的圆形电极的直径相同，每组测试电极中的四个扇形镀金电极分别为电极A、电极B、电极C和电极D，十二组测量电极呈二行六列的阵列式排列；

具有量子隧道效应的复合材料QTC层是由通过室温硫化的绝缘硅橡胶将十二个圆形具有量子隧道效应的复合材料QTC圆片胶结在一起形成的，该具有量子隧道效应的复合材料QTC圆片的直径与柔性底层电极层上的圆形电极的直径相同，十二个具有量子隧道效应的复合材料QTC圆片呈二行六列的阵列式排列；

柔性底层电极层为柔性电路板结构，柔性底层电极层上设置有十二个电极和十二根金手指，每个电极均为圆形镀金电极，所述十二个电极呈二行六列的阵列式排列；

传力半球层上的十二个传力半球、柔性顶层电极层上的十二组测量电极、具有量子隧道效应的复合材料QTC层上的十二个具有量子隧道效应的复合材料QTC圆片和柔性底层电极层上的十二个圆形电极分别一一对应；

并且传力半球层上的一个半球、柔性顶层电极层上的一组电极、具有量子隧道效应的复合材料QTC层上的一个具有量子隧道效应的复合材料QTC圆片和柔性底层电极层上的一个圆形电极构成了一个触觉单元，共十二个触觉单元，并且相对应的一个传力半球、一组电极、一个圆形具有量子隧道效应的复合材料QTC和圆形电极同轴；所述十二个触觉单元的前三列的六个触觉单元组成第一关节传感单元，后三列的六个触觉单元组成第二关节传感单元；