專利名稱：一種多功能類皮膚型傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器人傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種用于測(cè)量機(jī)械手手爪接觸面上受力情況的多功能類皮膚型傳感器。
觸覺(jué)傳感器是具有人體皮膚感覺(jué)功能的傳感器，機(jī)器人觸覺(jué)傳感器不可能實(shí)現(xiàn)人體全部的觸覺(jué)功能，人類對(duì)機(jī)器人觸覺(jué)的研究只能集中在擴(kuò)展機(jī)器人能力所必須的觸覺(jué)功能。一般地，把檢測(cè)感知和外部直接接觸而產(chǎn)生的接觸、壓力、滑覺(jué)的傳感器，稱為機(jī)器人觸覺(jué)傳感器。觸覺(jué)傳感器表面不單受到垂直方向的作用力，而且會(huì)受到任意方向的力。近些年來(lái)，日本富士電機(jī)綜合研究所正在研究開發(fā)一種能測(cè)量三個(gè)方向分力的傳感器，其圓環(huán)受到Fx、Fy、Fz三個(gè)方向的作用力，如果在環(huán)的適當(dāng)位置貼上應(yīng)變片，將應(yīng)變片接入惠斯登電橋，就可以分別測(cè)出Fx、Fy、Fz三個(gè)分力。在環(huán)形單晶硅表面，利用半導(dǎo)體工藝方法制成應(yīng)變片和引出信號(hào)的模擬開關(guān)，它們被氧化鋁陶瓷襯支撐，形成3mm×3mm的多面體傳感器單元。傳感器單元安裝在內(nèi)藏放大器、多路開關(guān)等電路的襯底上，可以測(cè)量作用在傳感器表面各處的三個(gè)方向的分力。目前國(guó)外仍在研究開發(fā)之中，尚未形成產(chǎn)品。
本發(fā)明的目的是提供一種多功能觸覺(jué)傳感器將接觸覺(jué)、壓覺(jué)、力覺(jué)、滑覺(jué)等多種感覺(jué)集于一身，可以獲取綜合的觸覺(jué)信息，其功能超過(guò)目前大量研究的單一功能的觸覺(jué)傳感器，可望廣泛用于空間機(jī)器人，精密裝配機(jī)器人。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種多功能類皮膚型傳感器，包括敏感陣列和信號(hào)處理系統(tǒng)，敏感陣列為一扁平長(zhǎng)方體，由表面覆蓋層，敏感單元陣列、敏感元件、傳力陣列、保護(hù)陣列和基板構(gòu)成，表面覆蓋層粘貼有可反映實(shí)際受力分布的柔性橡膠膜片，敏感單元陣列由32個(gè)對(duì)法向、切向三個(gè)力分量均具有力敏特性的敏感單元以4×8陣列方式構(gòu)成，傳力陣列由安裝在各敏感單元中心的32個(gè)傳力柱組成，保護(hù)陣列安裝在敏感陣列下面起過(guò)載保護(hù)作用，基板是敏感陣列的安裝結(jié)構(gòu)板，在上面印制了鍍金引線電極，用于敏感陣列的內(nèi)部和外部引線；信號(hào)處理系統(tǒng)由控制放大單元和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理機(jī)構(gòu)成；其特征在于所述的敏感元件為硅摻雜電阻，利用半導(dǎo)體工藝中的離子注入、光刻，在相應(yīng)位置上制作多個(gè)電阻，并采用各向異性腐蝕技術(shù)在硅片上刻蝕出一定的”E”形膜，腐蝕液為33％KOH，溫度76℃，電阻按一定規(guī)律構(gòu)成橋路，形成敏感單元的基本結(jié)構(gòu)，反映出作用在”E”形膜上多方向力的變化；”E”形膜在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中a＝0.5mm、b＝1.5mm、t＝80um，彈性膜量E＝1.67×10N11/m2，泊松比σ＝0.3按方塊圖所示位置和接線可以組成三組單獨(dú)的電阻網(wǎng)絡(luò)，它們的輸出電壓變化量分別與法向力Fz和兩個(gè)切向力FxFy相對(duì)應(yīng)，其中切向力信息獲取采用了非彎矩方式，這些力信號(hào)通過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)處理，轉(zhuǎn)換成所需的力覺(jué)、接觸覺(jué)、壓覺(jué)和滑覺(jué)信息。
敏感陣列的研制經(jīng)過(guò)三個(gè)階段。首先是研制不帶信號(hào)讀出集成電路的三維力敏單元和陣列，對(duì)敏感單元的力學(xué)特性、微機(jī)械加工方法、三維力敏感特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。第二階段是研制具有信號(hào)讀出集成電路的實(shí)驗(yàn)陣列，主要用于檢驗(yàn)集成電路設(shè)計(jì)的正確性，以及對(duì)微機(jī)械加工工藝與集成電路制造工藝的兼容性進(jìn)行研究。最后階段就是在前期研究的基礎(chǔ)上，研制功能、精度和尺寸完全符合技術(shù)要求的敏感振列。
在任何電子機(jī)械系統(tǒng)中，工藝蒹容性都是首先必須考慮的問(wèn)題。本發(fā)明在敏感芯片制作工藝中將集成電路和敏感電阻的制作安排在微加工前面進(jìn)行，從根本上避免了腐蝕液對(duì)集成電路工藝設(shè)備的污染。為了避免微加工過(guò)程中腐蝕液對(duì)集成電路的影響，本發(fā)明研制了一種專用的腐蝕夾具，將硅面正面的集成電路與腐蝕液隔離，并在集成電路表面制作了雙層低溫二氧化硅、氮化硅保護(hù)膜。為了提高敏感單元對(duì)切向力的靈敏度，本發(fā)明在敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工方面進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)E型膜片的最佳厚度為65～70μm，此時(shí)切向靈敏度較大，同時(shí)能夠保證敏感芯片具有足夠的強(qiáng)度。由于敏感單元尺寸較小不能采用現(xiàn)有的多維力標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試，本發(fā)明研制了專用的三維力標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)。采用三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)敏感單元施加三維力，并通過(guò)高精度的厚膜三維力傳感器檢測(cè)出力的大小，與敏感單元的輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)了三維力的標(biāo)定與測(cè)試。
一種多功能類皮膚型傳感器信息處理系統(tǒng)性能要求輸入信號(hào)數(shù)量97路(4行×8列×3路+1路)輸入信號(hào)分辨力不低于20μV數(shù)據(jù)刷新時(shí)間10mS系統(tǒng)輸出參數(shù)合力 Fz，F(xiàn)x，F(xiàn)y，F(xiàn)xy切向力與法向力比值Fxy/Fz壓覺(jué)圖像 Fz分布圖(4×8像素點(diǎn))
本發(fā)明的信號(hào)處理系統(tǒng)全部軟件使用C語(yǔ)言編制，功能為測(cè)量、標(biāo)定、訓(xùn)練等。全部程序共占約占2MB空間，可根據(jù)不同目的選用。系統(tǒng)軟件配有下列模塊可根據(jù)不同要求使用A/D轉(zhuǎn)換、平滑濾波、溫度補(bǔ)償、零點(diǎn)補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償、解耦矩陣計(jì)算、線性退耦運(yùn)算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)退耦運(yùn)算、力覺(jué)計(jì)算、滑覺(jué)判別、數(shù)據(jù)通信、狀態(tài)顯示。其中A/D轉(zhuǎn)換模塊中為縮短讀數(shù)據(jù)時(shí)間，采用了存儲(chǔ)器映射方式，通過(guò)PC16位總線讀入，有效的支持了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。
一種用于多功能類皮膚型傳感器的信號(hào)雙重解耦方法，其特征在于在第一層線性解耦的基礎(chǔ)上進(jìn)行第二層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦，所述的線性解耦，即解出每個(gè)敏感單元中，各方向受力后相應(yīng)敏感元件輸出間耦合滿足線性關(guān)系，耦合矩陣由對(duì)傳感器的實(shí)際標(biāo)定算得，該矩陣經(jīng)反轉(zhuǎn)后得解耦矩陣；所述的第二層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法解耦，應(yīng)用誤差反傳算法為學(xué)習(xí)規(guī)則，網(wǎng)絡(luò)共分四層輸入層、隱含層一、隱含層二、輸出層；隱含單元的輸出函數(shù)是雙曲正切函數(shù)，輸出層單元的輸出函數(shù)是有界線性函數(shù)，在整個(gè)傳感器結(jié)構(gòu)中力傳遞模式不明確的狀態(tài)下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦解出敏感單元之間的耦合，使整個(gè)傳感器陣列中所有可用信息得到充分的融合。
機(jī)器入感知外界環(huán)境和自身狀態(tài)能力的大小是決定機(jī)器人智能程度或自主能力的關(guān)鍵因素之一。觸覺(jué)是自主式機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)所必須的一種重要感覺(jué)，利用觸覺(jué)圖像可以輔助視覺(jué)對(duì)被抓物體進(jìn)行識(shí)別，可以得到抓握位置是否正確的信息。還可以檢測(cè)被抓物體是否有滑動(dòng)產(chǎn)生以便適當(dāng)?shù)卣{(diào)整手爪的夾持力等。本發(fā)明與背景技術(shù)相比所具有的有益效果是本發(fā)明利用半導(dǎo)體工藝以及微機(jī)械加工技術(shù)，在硅片上制成4×8三維力敏陣列和多路模擬開關(guān)，輔以高速、多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法解耦信息融合技術(shù)，定量地測(cè)量了接觸表面上三維力的大小，能夠同時(shí)獲取綜合的觸覺(jué)信息。多功能類皮膚型傳感器將接觸覺(jué)、壓覺(jué)、力覺(jué)、滑覺(jué)等多種感覺(jué)集于一身其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前大量研究的功能單一的觸覺(jué)傳感器，具有廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)于一個(gè)無(wú)人的空間實(shí)驗(yàn)室，提高其利用率意義十分重大，而裝有視覺(jué)、觸覺(jué)等系統(tǒng)的空間機(jī)器人將具有一定的自治能力，則有可能通過(guò)遙控和監(jiān)控進(jìn)行作業(yè)，如裝卸機(jī)械或電氣零件、抓取失重狀態(tài)的懸浮物體以及實(shí)現(xiàn)太空飛行器之間的交會(huì)對(duì)接等，尤其是在探索未知世界時(shí)可以通過(guò)觸覺(jué)感知未知物體的物理特性。本發(fā)明還可以用于精度裝配機(jī)器人和工作在惡劣環(huán)境中的水下機(jī)器人、核工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)和識(shí)別環(huán)境。
下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的敏感陣列結(jié)構(gòu)圖和敏感單元設(shè)計(jì)圖。
圖2是圖1所示敏感單元設(shè)計(jì)中的敏感橋路設(shè)計(jì)圖。
圖3是信號(hào)讀出電路設(shè)計(jì)中的集成模擬開關(guān)譯碼電路原理圖。
圖4是敏感陣列工藝中的敏感芯片、傳力陣列、保護(hù)陣列圖。
圖5是多功能、類皮膚傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖。
圖6是集成多路模擬開關(guān)原理圖。
圖7是集成模擬開關(guān)譯碼電路原理圖。
圖8(a)是放大通道原理圖。
圖8(b)是控制子系統(tǒng)原理圖。
圖8(c)是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理機(jī)原理圖。
圖9是主程序流程圖。
圖10是bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1中的a.外形圖、b.剖面圖為敏感陣列結(jié)構(gòu)圖。該敏感陣列為一扁平狀長(zhǎng)方體，可以安裝在機(jī)器人手爪上。表面覆蓋層為橡膠膜片，它是用硅橡膠粘貼在傳感器表面。主要用于傳感器表面保護(hù)、增加磨擦系數(shù)、吸收沖擊能量，同時(shí)又能夠?qū)⒔^大部分接觸力傳遞到敏感單元上。敏感陣列由32個(gè)敏感單元構(gòu)成，每個(gè)敏感單元都能夠測(cè)量三個(gè)方向的力即法向力Fz和兩個(gè)方向的切向力Fx、Fy。32個(gè)敏感單元以4×8陣列排列，并在每個(gè)單元中心位置上方裝有傳力柱。保護(hù)陣列安裝在敏感單元下面，可以對(duì)敏感單元進(jìn)行過(guò)載保護(hù)?；迨敲舾嘘嚵械陌惭b結(jié)構(gòu)板，同時(shí)在上面印制了鍍金引線電極，用于敏感陣列的內(nèi)部和外部引線。
圖1中的c.敏感單元設(shè)計(jì)圖為E形膜片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖。敏感單元結(jié)構(gòu)采用單晶硅材料制作，結(jié)構(gòu)形式為E形膜。E形膜結(jié)構(gòu)具有微加工方便、工藝兼容性好和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。
圖2為敏感橋路設(shè)計(jì)中的敏感敏感電阻位置與接線。敏感元件為硅摻雜電阻，利用半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)力--電轉(zhuǎn)身。敏感電阻的位置是根據(jù)敏感單元中的分布來(lái)確定的，由于在不同方向的力作用下敏感結(jié)構(gòu)具有不同的應(yīng)力分布，因此按圖二所示的位置和結(jié)線可以組成三組單獨(dú)的電阻網(wǎng)絡(luò)，它們的輸出電壓變化量分別與法向力Fz和兩個(gè)方向的切向力Fx、Fy相對(duì)應(yīng)。
圖3是信號(hào)讀出電路設(shè)計(jì)中的集成模擬開關(guān)譯碼電路原理圖。敏感陣列中包含了32個(gè)敏感單元，而每個(gè)單元中又有三組敏感電阻，這樣一共有96路敏感信號(hào)。這些敏感信號(hào)不可能同時(shí)輸出，必須設(shè)計(jì)一信號(hào)讀出電路對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行巡檢。讀出電路由12根單元地址進(jìn)行控制，其中四根為行地址線、八根為列地址線。當(dāng)某一單元被選通時(shí)，其測(cè)到的三個(gè)法向力和切向力通過(guò)三根信號(hào)線輸出。讀出電路中的單元選通是利用CMOS場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
信號(hào)讀出電路與敏感電阻都是采用集成電路工藝制作在包括32個(gè)敏感單元的硅片上，構(gòu)成集成化敏感陣列。為保證傳感器精度，要求電路中的MOS管達(dá)到如下技術(shù)指標(biāo)導(dǎo)通電阻＝50Ω±10％導(dǎo)通電阻溫漂≤5％(0～40℃)斷路電阻3×108Ω 最高工作頻率≥1Mhz控制信號(hào)TTL電平 最大允許電流≥2mA圖4是敏感陣列工藝的敏感芯片、傳力陣列、保護(hù)陣列剖面圖。
1.敏感芯片工藝流程(1).準(zhǔn)備硅片。技術(shù)要求(100)晶向，N型，直徑φ76mm，厚度500±15mμ，雙面拋光，無(wú)錯(cuò)位，晶向偏差≤0.5°，平行度≤5μm，電阻率p＝4～8Ω.cm，摻雜濃度N0≈1015/CM3。
(2).采用標(biāo)準(zhǔn)的硅柵CMOS集成電路5微米工藝，在硅片上正面制作信號(hào)讀出集成電路。
(3).在制作集成電路的同時(shí)，采用離子注入摻雜工藝制作敏感電阻。摻雜元素為B+，注入劑量5.5×1014/cm2，束流100μm，能量40keV，時(shí)間35″。注入后在920℃下通氮?dú)?50′、通氧氣20′，使結(jié)深達(dá)到1μm左右。
(4).采用PECVD工藝在硅片背面淀積氧化硅和氧化硅薄膜，膜厚各0.4μm。
(5).采用雙面光刻工藝在硅片背面刻蝕E形膜圖形。
(6).通過(guò)各向異性腐蝕將E形膜腐蝕至80μm厚。腐蝕液為33％KOH，溫度76℃。
(7).中測(cè)、劃片分離。
2.傳力陣列工藝流程
(1)準(zhǔn)備硅片。技術(shù)要求(100)晶向，直徑Ф76mm，厚度500±15μm，雙面拋光，晶向偏差≤1°，平行度≤20μm。
(2)燃氧化，生長(zhǎng)0.5μm厚的SiO2。該氧化層為腐蝕保護(hù)膜。
(3)正面光刻陣列腐蝕分離與膜厚控制V形槽圖形和單元斷裂分離槽圖形。
(4)背面光刻陣列腐蝕分離與膜厚控制分離槽圖形和單元斷裂分離槽圖形。
(5)各向異性腐蝕至各傳力陣列互相分離，而各陣列中與傳力柱相連的懸臂梁完好。腐蝕液為止33％KOH，溫度76℃。
3.保護(hù)陣列工藝(1)準(zhǔn)備硅片。技術(shù)要求(100)晶向，直徑Ф76mm，厚度500±15μm，單面拋光，晶向偏差≤1°，平行度≤20μm。
(2)熱氧化，生長(zhǎng)0.3μm厚的SiO2。該氧化層為腐蝕保護(hù)膜。
(3)光刻橫向通氣孔和過(guò)載保護(hù)坑圖形。
(4)各向異性腐蝕至過(guò)載保護(hù)深度。腐蝕液為33％KOH，溫度76℃。
4.陣列組裝工藝流程(1)采用絲網(wǎng)印刷工藝在保護(hù)陣列表面印刷環(huán)氧樹脂膠圖形，將由32個(gè)敏感單元構(gòu)成的芯片與保護(hù)陣列對(duì)準(zhǔn)，施加50克壓緊力將它們相對(duì)固定，并在60℃條件下固化4小時(shí)。
(2)采用絲網(wǎng)印刷工藝在敏感芯片表面凸臺(tái)位置印刷環(huán)氧樹脂膠圖形，將傳力陣列與其對(duì)準(zhǔn)，施加50克壓緊力將它們相對(duì)固定，并在60℃條件下固化4小時(shí)。
(4)在傳力陣列的單元斷裂分離槽部位施加一定的剪切力，使與傳力柱相連的懸臂梁斷裂，從而得到32個(gè)固定在各敏感單元上的獨(dú)立傳力柱。
(4)用環(huán)氧樹脂膠將鍍金印刷電路基板粘貼在保護(hù)陣列底部，并加壓固化。
(5)采用金絲球焊接技術(shù)焊接內(nèi)引線。
(6)焊接外引線后，采用環(huán)氧樹脂膠將傳感器芯片粘貼在敏感陣列外殼中，并加壓固化。
(7)將橡膠制作的表面覆蓋層用硅橡膠粘貼在傳力柱表面，并加壓固化多功能類皮膚型傳感器信息處理系統(tǒng)分別為集成多路模擬開關(guān)、控制放大單元和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理機(jī)三部分，原理框圖見圖5。
(1)集成多路模擬開關(guān)由于敏感單元數(shù)量多(32個(gè))，輸出信號(hào)路數(shù)多(3路/每個(gè))，需采用多路模擬開關(guān)使各路信號(hào)巡回被選通采樣。同時(shí)考慮到敏感單元輸出信號(hào)較弱，體積小，無(wú)法引出大量信號(hào)線。另外，多路模擬開關(guān)和選通譯碼電路與敏感單元具有工藝兼容性，固將二者一起集成在硅片上。這樣使選通結(jié)構(gòu)更為緊湊并提高了可靠性。
集成多路模擬開關(guān)原理如圖6所示。開關(guān)采用CMOS工藝，一對(duì)pnp，npn場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成主開關(guān)，得到較為平坦的開關(guān)導(dǎo)通特性。另用兩只場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成加速電路，改善主開關(guān)的通斷特性。經(jīng)測(cè)試，模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻＜150Ω，開關(guān)導(dǎo)通建立時(shí)間＜1μS。
模擬開關(guān)譯碼電路如圖7所示。由2根行線和2根列線構(gòu)成3路4選1(2×2)基本矩陣，分別控制選通4個(gè)敏感單元的3路力信號(hào)。選通電平采用低電平有效，以提高抗干擾性能。將8個(gè)基本矩陣連接起來(lái)，即構(gòu)成3路(4×8)選1陣列。同時(shí)(2×2)基本矩陣也可提高制作成品率。(2)控制放大單元系統(tǒng)放大通道采用兩放大器，擺率不低于是17V/μS、輸入電壓噪音不高于80nVp-p、放大器頻響不低于5MHz，見圖8(a)。
該單元的基本功能有4路放大通道(x.y.z.t.)，4×8單元巡回選通，敏感陣列零點(diǎn)校正以及定時(shí)啟動(dòng)，發(fā)送A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)等。它是主系統(tǒng)能否在時(shí)間上和精度滿足要求的關(guān)鍵部分。
系統(tǒng)中放大通道應(yīng)具有是夠短的建立時(shí)間(＜1μS)以保證切換敏感單元后的足夠短的時(shí)間里輸出信號(hào)能夠穩(wěn)定。此外為得到較高的A/D分辯率，放的通道應(yīng)有足夠的增益和低的噪音。為此，系統(tǒng)具有的4路放大通道，分別對(duì)應(yīng)x.y.z三方向力輸出和一路測(cè)溫信號(hào)。
經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)放大頻道頻響＞5MH、輸出噪音低于20mv(增益)、建立時(shí)間＜1μS、增益范圍15-450可調(diào)。
為保證系統(tǒng)能夠正確的采樣相應(yīng)敏感單元輸出信號(hào)，由一雙單片微機(jī)系統(tǒng)控制定時(shí)以及選址、延時(shí)、啟動(dòng)A/D、D/A等工作，見圖8(b)。單片微處理器采用美國(guó)microchip公司的PIC芯片，該芯片可在20MHz頻率下工作。大多數(shù)指令周期僅200μS，芯片具有20個(gè)I/O口以提供足夠的控制接口；同時(shí)芯片具有2K字節(jié)的EPROM作為程序存儲(chǔ)器，因此芯片無(wú)需外圍結(jié)口電路即可工作。
單片機(jī)PICI提供了12個(gè)輸出口作為(4×8)矩陣選通控制，通過(guò)程序的運(yùn)行，巡回選通每個(gè)敏感單元信號(hào)的輸出。為保證可靠選通，在敏感單元和PICI之間安排了驅(qū)動(dòng)電路。
由于敏感單元數(shù)目多，生產(chǎn)工藝的偏差使其輸出信號(hào)零點(diǎn)有一定的離散性。為保證后續(xù)A/D采樣值的動(dòng)態(tài)范圍，需對(duì)具有過(guò)大離散性的敏感單元陣列進(jìn)行零點(diǎn)校正。零點(diǎn)校正采用兩種方式輸入信號(hào)可調(diào)參考點(diǎn)和D/A補(bǔ)償法。
在前級(jí)放大器的參考端，設(shè)置一電位器調(diào)整參考點(diǎn)電壓，使各敏感電壓的零點(diǎn)電壓在前級(jí)放大器的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。測(cè)得這些電壓后，在單片機(jī)PIC2中設(shè)定零點(diǎn)補(bǔ)償表。由一快速D/A轉(zhuǎn)換器根據(jù)表中各設(shè)定值，在選通相應(yīng)敏感單元時(shí)，輸出相應(yīng)零點(diǎn)校正值進(jìn)入后級(jí)放大器綜合校正。這種方法可提高校正準(zhǔn)確度、增加放大通道信號(hào)比。
D/A轉(zhuǎn)換器采用12位分辨率，輸出＝電壓范圍0～5V，建立時(shí)間＜2μS。
(3)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理機(jī)包括一塊高速A/D板和一臺(tái)基本配置的pentium133微機(jī)。原理框圖見圖8(c)。
高速A/D板選用AC1850型，該板具有1MHz轉(zhuǎn)換速率、8K FIFO緩存、16路模入通道以及外觸發(fā)、外時(shí)鐘、可控脈沖輸出等功能。A/D動(dòng)態(tài)誤差不高于±2LBW。
微機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理和運(yùn)算。采用通用微機(jī)可充分利用已有操作系統(tǒng)和軟件資源；微機(jī)硬件可根據(jù)需要增配鍵盤、顯示器、鼠標(biāo)等I/O工具。同時(shí)，微機(jī)可通過(guò)并行口與上位機(jī)通信。
圖9為測(cè)量程序的主要流程圖。全部軟件使用C語(yǔ)言編制，功能為測(cè)量、標(biāo)定、訓(xùn)練等。全部程序共占約占2MB空間?？筛鶕?jù)不同目的選用。系統(tǒng)軟件配有下列模塊可根據(jù)不同要求使用A/D轉(zhuǎn)換、平滑濾波、溫度補(bǔ)償、零點(diǎn)補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償、解耦矩陣計(jì)算、線性退耦運(yùn)算、力覺(jué)計(jì)算、滑覺(jué)判別、數(shù)據(jù)通信、狀態(tài)顯示。其中A/D轉(zhuǎn)換模塊中為縮短讀數(shù)據(jù)時(shí)間，采用了存儲(chǔ)器映射方式，通過(guò)PC16總線讀入，有效的支持了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。傳感器信號(hào)采用雙重解耦，第一層為線性退耦。每個(gè)敏感單元中各方向受力后相應(yīng)敏感元件輸出間耦合滿足線性關(guān)系。耦合矩陣由對(duì)傳感器的實(shí)際標(biāo)定算得。該矩陣經(jīng)反轉(zhuǎn)后得解耦矩陣。陣列中每個(gè)敏感單元均有相應(yīng)的上述矩陣。解耦矩陣VxVyVz=K11K12K13K21K22K23K31K32K33FxFyFz]]>退耦矩陣Fx′Fy′Fz′=C11C12C13C21C22C23C31C32C33VxVyVz]]>式中Fi—標(biāo)定力；Fi—測(cè)量力；Vi—傳感器輸出由于傳感器結(jié)構(gòu)中非線性材料(橡膠、環(huán)氧樹酯)的使用，使得敏感單元之間存在著復(fù)雜的非線性耦合關(guān)系。因此，采用bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法解耦。網(wǎng)絡(luò)采用誤差反傳算法為學(xué)習(xí)規(guī)則；網(wǎng)絡(luò)共分四層輸入層、隱含層一、隱含層二、輸出層；隱含層單元的輸出函數(shù)是雙曲正切函數(shù)，輸出層單元的輸出函數(shù)是有界線性函數(shù)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖見圖10。隱含層單元
其中輸出層單元
；if Ui＞2000Ui＝1if Ui＜-2000；Ui＝-權(quán)利要求
1.一種多功能類皮膚型傳感器，包括敏感陣列和信號(hào)處理系統(tǒng)，敏感陣列為一扁平長(zhǎng)方體，由表面覆蓋層，敏感單元陣列、敏感元件、傳力陣列、保護(hù)陣列和基板構(gòu)成，表面覆蓋層粘貼有可反映實(shí)際受力分布的柔性橡膠膜片，敏感單元陣列由32個(gè)對(duì)法向、切向三個(gè)力分量均具有力敏特性的敏感單元以4×8陣列方式構(gòu)成，傳力陣列由安裝在各敏感單元中心的32個(gè)傳力柱組成，保護(hù)陣列安裝在敏感陣列下面起過(guò)載保護(hù)作用，基板是敏感陣列的安裝結(jié)構(gòu)板，在上面印制了鍍金引線電極，用于敏感陣列的內(nèi)部和外部引線；信號(hào)處理系統(tǒng)由控制放大單元和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理機(jī)構(gòu)成；其特征在于所述的敏感元件為硅摻雜電阻，利用半導(dǎo)體工藝中的離子注入、光刻，在相應(yīng)位置上制作多個(gè)電阻，并采用各向異性腐蝕技術(shù)在硅片上刻蝕出一定的”E”形膜，腐蝕液為33％KOH，溫度76℃，電阻按一定規(guī)律構(gòu)成橋路，形成敏感單元的基本結(jié)構(gòu)，反映出作用在”E”形膜上多方向力的變化；”E”形膜在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中a＝0.5mm、b＝1.5mm、t＝80um，彈性膜量E＝1.67×10N11/m2，泊松比σ＝0.3按方塊圖所示位置和接線可以組成三組單獨(dú)的電阻網(wǎng)絡(luò)，它們的輸出電壓變化量分別與法向力Fz和兩個(gè)切向力Fx.Fy相對(duì)應(yīng)，其中切向力信息獲取采用了非彎矩方式，這些力信號(hào)通過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)處理，轉(zhuǎn)換成所需的力覺(jué)、接觸覺(jué)、壓覺(jué)和滑覺(jué)信息。
2.一種用于多功能類皮膚型傳感器的信號(hào)雙重解耦方法，其特征在于在第一層線性解耦的基礎(chǔ)上進(jìn)行第二層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦，所述的線性解耦，即解出每個(gè)敏感單元中，各方向受力后相應(yīng)敏感元件輸出間耦合滿足線性關(guān)系，耦合矩陣由對(duì)傳感器的實(shí)際標(biāo)定算得，該矩陣經(jīng)反轉(zhuǎn)后得解耦矩陣；所述的第二層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法解耦，應(yīng)用誤差反傳算法為學(xué)習(xí)規(guī)則，網(wǎng)絡(luò)共分四層輸入層、隱含層一、隱含層二、輸出層；隱含單元的輸出函數(shù)是雙曲正切函數(shù)，輸出層單元的輸出函數(shù)是有界線性函數(shù)，在整個(gè)傳感器結(jié)構(gòu)中力傳遞模式不明確的狀態(tài)下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦解出敏感單元之間的耦合，使整個(gè)傳感器陣列中所有可用信息得到充分的融合。
3.如權(quán)利要求1所述的多功能類皮膚型傳感器，其中所說(shuō)的E型膜片在敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工實(shí)驗(yàn)中，E形膜片的最佳厚度為65～70μm。在受到法向力和切向力作用時(shí)，其應(yīng)力、應(yīng)變、和變形有如下關(guān)系法向力 Fn＝2N時(shí)徑向應(yīng)力 σt/r＝a＝80MPa， Sr/t＝b＝-127MPa切向應(yīng)力 St/r＝a＝24MPa， St/r＝b＝-38MPa徑向應(yīng)變 Sr/r＝a＝438×10-6er/r＝b＝-699×10-6切向力 Ft＝0.4N時(shí)最大應(yīng)力 σmax＝48MPa，中心轉(zhuǎn)角 θ＝0.38×10rad
4.如權(quán)利要求1所述的多功能類皮膚型傳感器，其中所說(shuō)的硅摻雜電阻，工藝采用離子注入技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其工藝參數(shù)為方阻RS＝300Ω/□，方塊數(shù)＝10；摻雜元素為B+，注入劑量5.5×1014/cm2，束流100uA，能量10kev，時(shí)間35秒，注入后在920℃下通氮?dú)?50分鐘，氧氣20分鐘，使結(jié)深達(dá)1μm左右。
全文摘要
一種用于測(cè)量機(jī)械手手爪接觸面上受力情況的多功能類膚型傳感器,它屬于機(jī)器人傳感器領(lǐng)域。該傳感器包括敏感陣列和信息處理系統(tǒng),敏感陣列由表面覆蓋層、敏感單元陣列、傳力陣列、保護(hù)陣列和基板構(gòu)成;信息處理系統(tǒng)由控制放大單元和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理機(jī)構(gòu)成;傳感器信號(hào)采用雙重解耦,利用半導(dǎo)體工藝和微機(jī)械加工技術(shù),在硅片上制成4×8三維力敏陣列,輔以高速、多路數(shù)據(jù)采集信息解釋與融合技術(shù),獲得觸覺(jué)、滑覺(jué)、壓覺(jué)、力覺(jué)信息。
文檔編號(hào)B25J19/02GK1203142SQ9811139
公開日1998年12月30日 申請(qǐng)日期1998年7月1日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月1日
發(fā)明者梅濤, 倪禮賓, 戈瑜, 施錫昌, 陳永, 陳效肯, 倪林, 馬軍, 申飛, 陳臻, 王芳芳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所