一种扇面形机器人触觉传感器及其检测方法与流程
本发明属于传感技术领域，涉及可包覆于机器人连杆上用于检测接触位置的一种扇面形机器人触觉传感器及其检测方法。
背景技术：
触觉是机器人实现与环境直接作用的必需媒介，可以确保机器人与外部环境有可靠的物理与信息交互。借助于触觉传感器感知到的外界信息可以为人机交互提供必需的参考，也可以为机器人的安全性控制策略提供碰撞的有关情况。
触觉传感器要求具有柔韧性能灵活包覆于机器人外表面，且要求有智能性能够模拟人体皮肤检测到接触觉和接触位置等信息。目前，阵列式的触觉传感器研究较为成熟，但由于阵列式的结构导致触觉传感单元间的检测盲区很难避免，且在大面积包覆使用中需要集成数量庞大的传感器单元，这在某种程度上影响了其实时性和可靠性。与之相对的非阵列式触觉传感器结构上统一、检测区域连续更适用于大面积包覆使用且其信号处理电路简单、制作工艺简单，但一体化的包覆方式要求传感器本身形状与机器人包覆部位的形状要相似甚至一致。
技术实现要素：
鉴于此，本发明的目的是提出一种扇面形机器人触觉传感器及其检测方法，实现包覆于机器人连杆上用于检测接触位置。
本发明解决技术问题所采用的方案是：一种扇面形机器人触觉传感器，包括上柔性层、网状隔层以及下柔性层，所述上柔性层、网状隔层以及下柔性层均为扇面形；所述上柔性层与下柔性层均由一导电面和一绝缘面贴合组成，并且导电面作为上柔性层与下柔性层的内表面，绝缘层作为上柔性层与下柔性层的外表面；上柔性层的导电面与下柔性层的导电面分别贴附于所述网状隔层的上下两面；所述上柔性层导电面的前后两弧线分别设有弧边电极，所述下柔性层导电面的左右两端线分别设有线状电极。
进一步的，所述绝缘面为高分子薄膜基材，所述绝缘面上喷涂有一层具有一定导电率用以形成所述上柔性层与下柔性层的导电面的半导体介质。
进一步的，所述弧边电极和线状电极的电导率均大于所述上柔性层与下柔性层的导电面上半导体介质的电导率的10倍以上。
进一步的，所述上柔性层与下柔性层的外表面均贴附有一层粘弹性保护膜。
本发明还提供一种如上述所述的扇面形机器人触觉传感器的检测方法，将触觉传感器包覆于机器人连杆上用于检测接触位置，接触位置的检测包括以下步骤：
步骤s1：在下柔性层导电面的两端线的两个线状电极之间施加一偏置直流电压u0；
步骤s2：按压触觉传感器中上柔性层绝缘面的任一位置，使所述上柔性层与下柔性层的导电面接触，得到一接触点；
步骤s3：将所述上柔性层的导电面作为接触点的引出线，连接至一信号采集器，获取电压值uθ；
步骤s4：去除所述下柔性层的偏置直流电压u0，把偏置直流电压u0施加到所述上柔性层导电面的两弧边电极之间；
步骤s5：将所述下柔性层的导电面作为接触点的引出线，连接至所述信号采集器，获取电压值ur；
步骤s6：松开按压位置，并按照下式计算按压位置处的接触点坐标(r,θ)，
其中，u0为施加在线状电极和弧线电极之间的偏置直流电压值，ur和uθ分别为所述信号采集器采集到的接触点的电压值，r1和r2分别为扇面形的小圆弧半径和大圆弧半径，n为扇面形的圆心角。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
(1)本发明针对性解决了非阵列式触觉传感器关于机器人圆台状连杆的包覆问题；
(2)本发明结构采用的材料均具有柔性，满足机器人触觉传感器柔性的要求，能够大面积覆盖在机器人体表，其结构尺寸不受限制，能够按实际需要制作；
(3)本发明的传感器信号提取与处理简单，最大程度上地减少了后期数据处理的压力，保证了传感器的实时性；
(4)制作流程简单，所需材料无特殊要求，能够在市面上直接购买到，成本大大降低。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1为本发明实施例的机器人触觉传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例的机器人触觉传感器受压时的结构截面图；
图3是本发明实施例的机器人触觉传感器接触位置检测方法的r坐标测量原理图。
图4是本发明实施例的机器人触觉传感器接触位置检测方法的θ坐标测量原理图。
图5是本发明实施例触觉传感器接触位置检测方法的测量原理图。
图中：1-上柔性层绝缘面，11-上柔性层，22-下柔性层，2-上柔性层导电面，3-弧边电极，4-网状隔层，5-下柔性层导电面，6-线状电极，7-下柔性层绝缘面，t1-时间节点1，t2-时间节点2，
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1～2所示，本实施例的一种扇面形机器人触觉传感器，包括上柔性层11、网状隔层4以及下柔性层22，所述上柔性层11、网状隔层4以及下柔性层22均为扇面形；所述上柔性层11与下柔性层22均由一导电面和一绝缘面贴合组成，并且导电面作为上柔性层11与下柔性层22的内表面，绝缘层作为上柔性层11与下柔性层22的外表面；上柔性层导电面2与下柔性层导电面5分别贴附于所述网状隔层4的上下两面；所述上柔性层导电面2的前后两弧线分别设有弧边电极3，所述下柔性层导电面5的左右两端线分别设有线状电极6。所述上柔性层绝缘面1和下柔性层绝缘面7作为外表面，起到绝缘防护作用。
从上述可知，本发明的有益效果在于：本发明为扇面形的非阵列式触觉传感器，能够大面积地包覆在机器人圆台状的连杆表面来检测接触位置，结构尺寸不受限制，可以按照实际需要制作，适用性广。
在本实施例中，所述绝缘面为高分子薄膜基材，所述绝缘面上喷涂有一层具有一定导电率用以形成所述上柔性层11与下柔性层22的导电面的半导体介质。本发明的触觉传感器所采用的材料均具有柔性，能够大面积地包覆在机器人表面来检测接触位置。
在本实施例中，为了使弧边电极3和线状电极6的阻性对电场产生尽可能少的影响，所述弧边电极3和线状电极6的电导率均大于所述上柔性层11与下柔性层22的导电面上半导体介质的电导率的10倍以上。
在本实施例中，所述上柔性层11与下柔性层22的外表面均贴附有一层粘弹性保护膜。通过粘弹性薄膜膜用于保护触觉传感器免受刮擦损伤，
本发明提供的机器人触觉传感器的结构尺寸没有限制，可以按照实际用途来制造传感器的大小。本发明的触觉传感器的柔性层的导电面材料为石墨纸，弧边电极3和线状电极6采用铝箔，电极与导电面的衔接处使用导电胶布粘贴，增强导电性能，绝缘面采用高分子薄膜基材。中间网状隔层4采用聚乙烯分子材料，厚度为0.25mm,网格边长为2mm。粘弹性保护膜为1mm厚度的硅胶材料。
如图3-5所示，本发明还提供一种如上述所述的扇面形机器人触觉传感器的检测方法，将触觉传感器包覆于机器人连杆上用于检测接触位置，接触位置的检测包括以下步骤：
步骤s1：在下柔性层导电面5的两端线的两个线状电极6之间施加一偏置直流电压u0；
步骤s2：按压触觉传感器中上柔性层11绝缘面的任一位置，使所述上柔性层11与下柔性层22的导电面接触，得到一接触点；
步骤s3：将所述上柔性层11的导电面作为接触点的引出线，连接至一信号采集器，获取电压值uθ；
步骤s4：去除所述下柔性层22的偏置直流电压u0，把偏置直流电压u0施加到所述上柔性层导电面2的两弧边电极3之间；
步骤s5：将所述下柔性层22的导电面作为接触点的引出线，连接至所述信号采集器，获取电压值ur；
步骤s6：松开按压位置，并按照下式计算按压位置处的接触点坐标(r，θ)，
其中，u0为施加在线状电极6和弧线电极之间的偏置直流电压值，ur和uθ分别为所述信号采集器采集到的接触点的电压值，r1和r2分别为扇面形的小圆弧半径和大圆弧半径，n为扇面形的圆心角。
本发明提供的触觉传感器根据要包覆的圆台状连杆来确定扇面形的参数，如果在上柔性层导电面2弧边电极3施加一偏置电压，依据本发明触觉传感器的结构则会在上柔性层导电面2内产生恒定电场，基于恒定电场的基本性质可知，电势值与位置有关系，因此，如果能够测得某点的电势值，即可进一步求得该点在导电面的极径坐标r，同样也可以在下导电层上产生电场来测得该点在导电面的极角坐标θ。由极径坐标与极角坐标，则可以确定接触点在导电面上的坐标点。
本发明可以在上柔性层11和下柔性层22的两个导电面上分时产生两个维度上的恒定电场来测得位置坐标。上柔性层11的导电面和下柔性层22的导电面通过网状隔层4隔开的目的，是当一导电层施加偏置电压时，另一导电层起到引出接触点电势信号的作用。
如图2所示，当在机器人触觉传感器表面施加外力时，上上柔性层11的导电面和下柔性层22的导电面在接触位置连通，以扇面形的圆心建立极坐标系，位置检测就是检测接触位置r和θ坐标值的过程：
r方向坐标值测量过程如图3所示，在上柔性层11的导电面的电极上施加一偏置电压u0，下柔性层22的导电面作为测量面，用于测出接触位置的电势值ur，从而可求得r坐标值：
θ方向位置测量过程如图4所示，撤掉上柔性层导电面2的偏置电压，在下柔性层22的导电面的电极上施加一偏置电压u0，上柔性层导电面2作为测量面，用于测出接触位置的电势值uθ，从而可求得θ坐标值：
接触点位置测量过程如图5所示，联立r方向和θ方向求得的位置坐标，即可求得接触点的位置坐标。
综上所述，本发明提供的一种扇面形机器人触觉传感器及其检测方法，用于检测接触位置，结构简单，成本低。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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