專利名稱：柔性三維力觸覺(jué)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器人非視覺(jué)傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種柔性三維力觸覺(jué)傳感器。
背景技術(shù)：
觸覺(jué)傳感器是機(jī)器人獲取觸覺(jué)信息不可缺少的手段，根據(jù)觸覺(jué)傳感器提供的信息，機(jī)器人可對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行可靠抓取，并可進(jìn)一步感知它的大小、形狀、輕重、軟硬等物理特性。觸覺(jué)傳感器的發(fā)展趨勢(shì)是集成化、小型化和智能化，一個(gè)集成的傳感器陣列包含多個(gè)傳感單元，每個(gè)傳感單位都能獨(dú)立獲取外界信息，而多個(gè)傳感單元的有機(jī)融合則可實(shí)現(xiàn)單個(gè)傳感單元無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。為準(zhǔn)確獲取觸覺(jué)信息及適用于任意形狀的表面，還要求觸覺(jué)傳感器具有一定的柔性，藉此可以安裝在任意形狀的表面上以適應(yīng)不同的機(jī)器人應(yīng)用，并能獲取三維接觸力信息，使之能更牢固可靠地抓握目標(biāo)物體。
早期的觸覺(jué)傳感器主要有機(jī)械式觸覺(jué)傳感器和彈性式觸覺(jué)傳感器兩種，它們不僅體積較大，空間分辨率較低，而且傳感器是“剛性”的，即傳感器不能彎曲變形而安裝在曲面上，因此它們?cè)跈C(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域難以得到較為廣泛的應(yīng)用。
隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了電容式和光學(xué)式等觸覺(jué)傳感器。
電容式觸覺(jué)傳感器在受力時(shí)，其中的一個(gè)電極會(huì)發(fā)生微小移動(dòng)，從而引起電容量的改變，在電容式觸覺(jué)傳感器中由于存在可動(dòng)電極，其壽命受到影響，可靠性也不高，而且難于獲得切向力信息，即不能檢測(cè)三維力信息。
光學(xué)式觸覺(jué)傳感器主要是光纖觸覺(jué)傳感器，光學(xué)式觸覺(jué)傳感器的檢測(cè)系統(tǒng)較為復(fù)雜，除了傳感器本身外，還需外接照明光纖、微型CCD以及用于圖像處理的高速計(jì)算機(jī)等，因此難以實(shí)現(xiàn)小型化。
以上各種傳感器都難于實(shí)現(xiàn)集成化、小型化和智能化的要求。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有各種觸覺(jué)傳感器的不足，本發(fā)明目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處(上述各種方案的局限性)，提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用更方便的柔性三維力觸覺(jué)傳感器。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種柔性三維力觸覺(jué)傳感器，包括傳感器上的壓敏電阻(11)和與其電連接的處理電路(8)，其特征在于所說(shuō)傳感器為三維力傳感器(4)，所說(shuō)三維力傳感器(4)形成三只以上呈矩形的三維力敏感陣列(12)，三維力敏感陣列(12)置于彈性基底(7)與柔性電路板(2)之間；所說(shuō)三維力傳感器(4)呈E形膜(9)，E形膜(9)上的彈性應(yīng)變膜(10)的中部置有傳力柱(3)，所說(shuō)壓敏電阻(11)置于彈性應(yīng)變膜(10)上，壓敏電阻(11)分別有Fx1、Fx2、Fy1、FY2、Fz1、Fz2、Fz3、Fz4，其中，所說(shuō)壓敏電阻Fx1、Fx2與壓敏電阻Fy1、FY2間互呈90度設(shè)置，所說(shuō)壓敏電阻Fx1、Fx2旁置有壓敏電阻Fz1、Fz4，所說(shuō)傳力柱(3)旁的彈性應(yīng)變膜(10)上置有壓敏電阻Fz2、Fz3，所說(shuō)壓敏電阻Fz1、Fz2、Fz3、Fz4與所說(shuō)壓敏電阻Fx1、Fx2平行設(shè)置；E型膜(9)中的彈性應(yīng)變膜(10)上分布著8個(gè)壓敏電阻(11)，分別對(duì)X、Y、Z三個(gè)方向的力Fx、Fy、Fz敏感；所說(shuō)傳力柱(3)與彈性保護(hù)層(1)接觸，所說(shuō)E形膜(9)與彈性基底(7)相連接，三維力傳感器(4)與彈性保護(hù)層(1)間置有柔性電路板(2)，所說(shuō)柔性電路板(2)上開(kāi)有供傳力柱(3)穿過(guò)的孔。
三維力敏感陣列(12)為呈4×4陣列設(shè)置的16只三維力傳感器(4)。
E形膜(9)與彈性基底(7)之間留有微小間隙(6)，且E形膜(9)之間置有柔性填充材料(5)。
壓敏電阻(11)即Fx1、Fx2、Fy1、FY2、Fz1、Fz2、Fz3、Fz4為硅P型摻雜電阻。
作為技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的柔性三維力觸覺(jué)傳感器可以彎曲90度。其檢測(cè)三維力的空間分辨率可達(dá)5mm，檢測(cè)三維力的下限可達(dá)0.1N。
本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是其一、由于三維力傳感器(4)采用單晶硅材料并通過(guò)MEMS工藝技術(shù)制造，因此每個(gè)三維力敏感單元尺寸較小，因而能實(shí)現(xiàn)較高的觸覺(jué)空間分辨率，并且檢測(cè)精度高。
其二、彈性保護(hù)層(1)位于三維力傳感器的最外層，它作為工作面直接與被測(cè)物體接觸，在彈性保護(hù)層(1)上沒(méi)有任何電子器件和電極，因而不會(huì)出現(xiàn)因接觸和抓取目標(biāo)物體可能導(dǎo)致的電子器件及其線路損壞情況，因此可靠性較高。
其三、彈性保護(hù)層(1)和柔性電路板(2)以及彈性基底(7)均為彈性材料，能有效吸收沖擊力，因此能保護(hù)三維力傳感器(4)形成的三維力敏感陣列(12)在較大的外力沖擊下不被破壞，大大提高了傳感器的可靠性。
其四、彈性基底(7)與E型膜(9)之間留有微小間隙(6)，當(dāng)被測(cè)力超過(guò)極限量程時(shí)，間隙(6)變?yōu)榱悖芷鸬竭^(guò)載保護(hù)作用。
其五、三維力的量程及靈敏度由E形膜(9)的大小與厚度和位于它上面的彈性保護(hù)層(1)的材料控制，調(diào)節(jié)范圍廣。
其六、E型膜(9)上壓敏電阻(11)的分布充分考慮了不同方向之間的耦合關(guān)系，使得各個(gè)方向之間的耦合幾乎為零。
其七、三維力傳感器(4)中每個(gè)三維力敏感單元之間有足夠的間隙允許三維力敏感陣列(12)實(shí)現(xiàn)彎曲變形，整個(gè)柔性三維力傳感器形成的三維力敏感陣列(12)能夠可靠地粘附在各種曲面上，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維力的檢測(cè)。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明所述的柔性三維力觸覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的說(shuō)明。
圖1(a)是柔性三維力觸覺(jué)傳感器的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖1(b)是三維力陣列(12)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2(a)是E形膜(9)的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2(b)是壓敏電阻(11)分布的結(jié)構(gòu)示意圖。
1為彈性保護(hù)層；2為柔性電路板；3為傳力柱；4為三維力傳感器；5為柔性填充材料；6為間隙；7為彈性基底；8為信號(hào)處理電路；9為E形膜；10為彈性應(yīng)變膜；11為壓敏電阻；12為三維力敏感陣列。
具體實(shí)施方法 在圖1和圖2中柔性三維力觸覺(jué)傳感器由起支撐作用的彈性基底7、三維力傳感器4形成的三維力敏感陣列12及柔性填充材料5、柔性電路板2和起保護(hù)作用的彈性保護(hù)層1組成，成為一個(gè)結(jié)構(gòu)緊密的三維力傳感部件。
柔性三維力觸覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)與功能特征在于彈性保護(hù)層1位于柔性三維力觸覺(jué)傳感器的最外層，起保護(hù)與電絕緣作用；彈性保護(hù)層1的下面是柔性電路板2，它提供三維力敏感陣列12與信號(hào)處理電路8之間的電氣連接；柔性電路板2的下面是三維力敏感陣列12及其之間的柔性填充材料5，三維力敏感陣列12由若干三維力敏感單元組成，實(shí)現(xiàn)從力信息到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，三維力敏感單元之間有足夠的間隙允許三維力敏感陣列12實(shí)現(xiàn)彎曲變形，每個(gè)三維力敏感單元的E型膜9中央制作一個(gè)傳力柱3，傳力柱3穿過(guò)柔性電路板2與彈性保護(hù)層1之間輕微接觸，所述的E型膜9中的彈性應(yīng)變膜10上分布著8個(gè)壓敏電阻11，分別對(duì)X、Y、Z三個(gè)方向的力Fx、Fy、Fz敏感；三維力敏感陣列12的下面是彈性基底7，在彈性基底7與E型膜9之間留有微小間隙6實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)。
所述的信號(hào)處理電路8的功能是將柔性三維力觸覺(jué)傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換并輸出到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，其特征在于信號(hào)的選通。柔性三維力觸覺(jué)傳感器與信號(hào)處理電路8可以互換。
所述的彈性基底7、柔性填充材料5和彈性保護(hù)層1均由樹(shù)脂材料制成以實(shí)現(xiàn)柔性的要求。
所述的三維力敏感陣列12采用單晶硅材料通過(guò)MEMS工藝技術(shù)制作而成。
柔性三維力觸覺(jué)傳感器的設(shè)計(jì)根據(jù)特定應(yīng)用場(chǎng)合的需求，如要求的空間分辨率、三維力的量程、傳感器靈敏度、檢測(cè)精度、要求彎曲變形的程度等指標(biāo)，確定柔性三維力觸覺(jué)傳感器的尺寸大小和三維力傳感器4的尺寸大小以及它們之間的間隙。三維力的量程及靈敏度由E形膜9及彈性應(yīng)變膜10的大小與厚度和彈性保護(hù)層1的厚度決定，根據(jù)有限元分析的結(jié)果，決定壓敏電阻11的分布。
本發(fā)明所述的柔性三維力觸覺(jué)傳感器可通過(guò)如下制作采用MEMS工藝技術(shù)制作三維力敏感陣列12，包括標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體平面工藝及微機(jī)械加工工藝；傳力柱3用剛性材料采用MEMS工藝或金屬加工工藝制作；采用標(biāo)準(zhǔn)的柔性電路板制作技術(shù)制作柔性電路板2；采用鍵合技術(shù)或高性能黏合劑把三維力傳感器4中每個(gè)三維力敏感單元粘合在彈性基底7上面，柔性電路板2和三維力敏感陣列12中每個(gè)三維力敏感單元?jiǎng)t通過(guò)倒裝焊進(jìn)行電氣連接，彈性保護(hù)層1通過(guò)高性能黏合劑粘合在柔性電路板2上面；采用電子線路技術(shù)制作信號(hào)處理電路8，并與柔性電路板2進(jìn)行連接，其中信號(hào)處理電路部分包括開(kāi)關(guān)選通電路、電壓比較放大電路、數(shù)據(jù)采集卡等；
最后，對(duì)三維力敏感陣列12進(jìn)行標(biāo)定，即通過(guò)信號(hào)處理電路8依次提取和處理三維力敏感陣列12中每個(gè)三維力敏感單元在三維接觸力作用下對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理。
依據(jù)上述設(shè)計(jì)方法以及制作工藝制備的柔性三維力觸覺(jué)傳感器可以彎曲90度。其檢測(cè)三維力的空間分辨率可達(dá)5mm，檢測(cè)三維力的下限可達(dá)0.1N。
對(duì)三維力傳感器4中的三維接觸力信息進(jìn)行檢測(cè)的機(jī)理如下三維接觸力通過(guò)傳力柱3集中作用在E形膜9的中心，E形膜9將作用力轉(zhuǎn)變成應(yīng)變。E形膜9上分布了八個(gè)壓敏電阻，由于半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)，當(dāng)壓敏電阻11受到應(yīng)變時(shí)電阻將發(fā)生變化。這八個(gè)壓敏電阻組成三個(gè)檢測(cè)電橋，分別對(duì)三維力Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z進(jìn)行檢測(cè)。彈性基底7與E形膜9之間有一微小間隙6，當(dāng)被測(cè)力超過(guò)極限量程時(shí)間隙為零，可起到過(guò)載保護(hù)作用。
E形膜9中壓敏電阻11的分布位置決定了受到的應(yīng)變的大小和各個(gè)方向之間的耦合程度。壓敏電阻Rx1，Rx2沿X軸方向布置，并連成電橋。
當(dāng)Fx作用時(shí)，Rx1受到壓應(yīng)變，電阻減小，而Rx2受到拉應(yīng)變，電阻增大，這時(shí)檢查電橋輸出改變。當(dāng)Fy作用時(shí)，Rx1，Rx2近似在中性層上和對(duì)稱分布，受到的應(yīng)變近似為零，并且大小近似相等，這時(shí)電橋輸出為零。
當(dāng)Fz作用時(shí)，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，Rx1，Rx2受到的應(yīng)變相等，即兩個(gè)電阻變化相等，這時(shí)電橋輸出為零?？梢?jiàn)電阻Rx1，Rx2組成的電橋只對(duì)Fx敏感。
電阻Ry1，Ry2沿Y軸分布，并連成電橋。同理，其只對(duì)Fy敏感。
電阻Rz1，Rz2，Rz3，Rz4沿X軸分布在E形膜9中央凸臺(tái)的根部和膜片邊緣的根部，并連成電橋。
當(dāng)Fz作用時(shí)，Rz2和Rz3受到壓應(yīng)變，電阻減小。而Rz1，Rz4受到拉應(yīng)變，電阻增大，這時(shí)電橋輸出改變。而Fx或Fy作用時(shí)，電橋輸出均為零。
權(quán)利要求
1.一種柔性三維力觸覺(jué)傳感器，包括傳感器上的壓敏電阻(11)和與其電連接的處理電路(8)，其特征在于所說(shuō)傳感器為三維力傳感器(4)，所說(shuō)三維力傳感器(4)形成三只以上呈矩形的三維力敏感陣列(12)，三維力敏感陣列(12)置于彈性基底(7)與柔性電路板(2)之間；所說(shuō)三維力傳感器(4)呈E形膜(9)，E形膜(9)上彈性應(yīng)變膜(10)的中部置有傳力柱(3)，所說(shuō)的壓敏電阻(11)置于彈性應(yīng)變膜(10)上，壓敏電阻(11)分別有Fx1、Fx2、Fy1、FY2、Fz1、Fz2、Fz3、Fz4，其中，所說(shuō)壓敏電阻Fx1、Fx2與壓敏電阻Fy1、FY2間互呈90度設(shè)置，所說(shuō)壓敏電阻Fx1、Fx2旁置有壓敏電阻Fz1、Fz4，所說(shuō)傳力柱(3)旁的彈性應(yīng)變膜(10)上置有壓敏電阻Fz2、Fz3，所說(shuō)壓敏電阻Fz1、Fz2、Fz3、Fz4與所說(shuō)壓敏電阻Fx1、Fx2平行設(shè)置，即E型膜(9)中的彈性應(yīng)變膜(10)上分布著8個(gè)壓敏電阻(11)，分別對(duì)X、Y、Z三個(gè)方向的力Fx、Fy、Fz敏感；所說(shuō)傳力柱(3)與彈性保護(hù)層(1)接觸，所說(shuō)E形膜(9)與彈性基底(7)相連接，三維力傳感器(4)與彈性保護(hù)層(1)間置有柔性電路板(2)，所說(shuō)柔性電路板(2)上開(kāi)有供傳力柱(3)穿過(guò)的孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性三維力觸覺(jué)傳感器，其特征是三維力敏感陣列(12)為呈4×4陣列設(shè)置的16只三維力傳感器(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性三維力觸覺(jué)傳感器，其特征是E形膜(9)與彈性基底(7)之間留有微小間隙(6)，且E形膜(9)之間置有柔性填充材料(5)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性三維力觸覺(jué)傳感器，其特征是壓敏電阻(11)為硅P型摻雜電阻。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種柔性三維力觸覺(jué)傳感器，包括傳感器上的壓敏電阻(11)和與其電連接的處理電路(8)，柔性三維力觸覺(jué)傳感器由起支撐作用的彈性基底(7)、三維力敏感陣列(12)及柔性填充材料(5)、柔性電路板(2)和起保護(hù)作用的彈性保護(hù)層(1)組成，成為一個(gè)結(jié)構(gòu)緊密的三維力傳感部件。彈性基底(7)、柔性填充材料(5)和彈性保護(hù)層(1)均由樹(shù)脂材料制成以實(shí)現(xiàn)柔性要求。彈性應(yīng)變膜(10)上分布的壓敏電阻(11)，分別對(duì)X、Y、Z三個(gè)方向的力Fx、Fy、Fz敏感；三維力敏感陣列(12)采用單晶硅材料通過(guò)MEMS工藝技術(shù)制作而成。該柔性三維力觸覺(jué)傳感器能夠可靠地粘附在各種曲面上，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維力的檢測(cè)，廣泛地用于機(jī)器人技術(shù)。
文檔編號(hào)B25J13/08GK1796954SQ200410065900
公開(kāi)日2006年7月5日 申請(qǐng)日期2004年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月22日
發(fā)明者梅濤, 單建華, 張正勇, 孫磊, 倪林, 陳士榮, 張東風(fēng), 陶永春, 孔德義, 孟慶虎 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所