[发明专利]传感器装置

说明书

技术领域

本发明涉及传感器装置。更具体地讲，本发明涉及一种适于感测作用在其表面上的压力和力的传感器装置。

背景技术

传感感知(sensory perception)在机器人技术中扮演越来越重要的角色。利用传感感知，可取的是获得尽可能多的关于环境的信息，以确保机器人做出最佳响应。在机器人技术中，最常见的任务是抓取、定位和物体重定位。迄今为止所使用的方法在物体的位置和取向已知的良好建模的环境中确实可行。机器人臂和抓取装置变得越来越普遍，该事实必然导致期望将它们应用于尽可能广阔的领域，并且也应用于未定的环境中。未来机器人技术的目标是机器人应该具有类似于人类的能力并且为其提供帮助。为此，必不可少的是机器人应该类似于人地、有技巧且安全地处置与任务有关的物体(例如，门把手、杯子、按钮、眼镜等)。

在与各种物体交互的过程中，主要信息通过触觉感知来产生。这种交互可不仅在手指上，而且在机器人的整个表面上传输重要信息，因此研究者未来的目标是将传感器扩展至机器人的完整表面，创造一种人造皮肤。

J.Tegin和J.Wikander在“Tactile sensing in intelligent robotic manipulation–a review”(Industrial Robot:an International Journal，第32卷，第1期，第64–70页(2005年))中给出了关于常用传感器和压力传感器装置的概述。总之，可以说目前的传感器装置具有刚性表面和结构。物体与传感器装置之间建立的接触在大多数情况下是点状接触，特别是在刚性物体的情况下。点状接触的极大缺点是能够获得的关于给定物体与其表面的信息很少，并且抓取的稳定性也降低。

在具有弹性表面的压力传感器装置的情况下，作为施加抓取力的结果，传感器装置的表面适应物体的表面，从而增加了抓取的稳定性，并且可从更大的表面收集关于物体的表面和材料特性的信息。在许多现有技术的解决方案中，尝试了利用柔性材料覆盖刚性结构的传感器装置。

另一重要任务(其中这些方法不太有利)是确定压力的方向和位置。(从施加在例如一根手指上的力)感测触觉感知的方向在确定表面的滑动和特性中尤其重要。

在US2010/0253650A1中，公开了这样一种光学压力传感器装置，其具有柔性圆顶(即，覆盖层)，并且其另外具有光反射层以将光发射元件的信号向光检测元件反射。这种方法的缺点是传感器装置的能够以适当精度检测作用于其上的力的分量的有用表面受到光发射元件的发射角度以及光检测元件的视角的限制。这种方法的另一缺点在于由于容易压缩，所以它仅能够测量相对小的值范围内的力。

在US4,704,909中，公开了一种还具有光学实施方式的压力传感器装置，其中在刚性表面(实际上是传感器装置的平坦外壳)下方应用弹性环。

在US4,635,479和US4,747,313中，公开了一种具有由刚性材料制成的圆顶形压力传感器表面的压力传感器装置。在US4,405,197中，公开了一种具有弹性压力传感器表面的基于光学原理的压力传感器装置。

为确定压力的分量而设计的许多其它三维传感器装置是已知的。它们中的大多数基于MEMS(微机电)技术，例如US2009/0320611A1中所公开的传感器装置。通常，这些传感器装置极其易于损坏，并且具有小的传感器表面，这实际上使它们适用于测量点状作用的力。

另一种熟知且广泛使用的解决方案是通过CCD或CMOS相机应用光学压力测量。这种情况下的操作的基本原理是能够被相机良好检测的各种标记被置于相机上方的弹性材料上，标记距相机的距离由于材料变形(外力)而改变。可基于相机照片检测距离的改变(因此，表面变形率)，即，可计算出作用于表面上的力。这种实现方式公开于以下研究中：P.Lang，“Optical tactile sensors for medical palpation”(The Thirty-Fourth London District Science and Technology Conference，第1-5页(2004年))。这些实现方式的缺点是尺寸大并且计算复杂度高。