压力和剪切传感器的制作方法

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所公开的系统和方法总体上涉及电容输入感测领域，尤其涉及使用电容输入传感器检测压力和/或剪切力。

背景技术：

多年来，工程师们一直在设计触觉传感系统，使机器“手”能够抓握和操纵物体。对人类来说很自然的抓握实际上非常复杂，要完成抓握需要能够检测并对正确力作出反应的传感器。已经进行了许多尝试来设计这种传感器。例如，存在许多工业应用，其中在装配线构造期间需要操纵物体。汽车工业就是一个很好的例子。工业机器人抬起并移动汽车部件，使得在框架沿装配线移动时可以组装框架。

工业内外的应用需要机器人快速准确地感测抓握，使得机器人甚至可以用来快速处理精细的物体。使得机器“手”能够感测施加到其所抓握的特定物体的压力的系统已经存在一段时间，压力感测系统通常缓慢、复杂、昂贵和/或不能完成适当的工作。已经提出解决方案以在机器人抓握中使用电容感测来提供用于提供纯粹反馈的较便宜的系统。一种这样的尝试是将触摸板中使用的电容感测技术应用于触觉感测问题。题为“使用电容触摸板技术为机器人抓取机构提供触觉感觉的系统”的美国专利申请第11/677,497号描述了使用电容敏感触摸板的这种尝试，其中x和y电极栅格由弹性但可变形的材料(诸如凝胶或其他类似橡胶的材料)分隔，其中与触摸板接触的物体导致电极栅格之间的弹性材料被压缩，并且其中触摸板能够确定电极栅格之间的距离变化，从而确定施加到触摸板从而引起检测到的弹性材料的压缩的力的大小。尽管该提出的解决方案可能能够检测触摸事件，但是它无法检测机器人理解和响应由此无法测量的抓握细微差别所需的所有正确力。

技术实现要素：

本公开的目的是提供一种传感器，其能够以允许机器人更好地(例如，更快、更牢固地)处理物体的方式检测抓握。

本公开的另一个目的是提供一种传感器，其能够以允许机器人更好地处理精细物体的方式检测抓握。

本公开的目的还在于提供一种能够检测压力和/或剪切力的传感器。

本公开的又一个目的是提供一种能够以机器人抓握应用所需的速度和精度检测压力和/或剪切力的传感器。

附图说明

通过如附图中展示的对优选实施例的以下更具体的描述，本发明的目标、特征和优点将是明显的，其中，参考字符指贯穿各个视图的相同部分。这些附图并不一定是按比例的，而是将重点放在展示本发明的原理上。尽管为了说明本发明的目的而公开了示例实施例和相关数据，但是鉴于本公开，在不脱离本文公开的范围和精神的情况下，其他实施例和相关数据对于本领域技术人员而言将是明显的。

图1是电容传感器的一个实施例的高级示意图。

图2是机器人上的实用夹具的图示，其可以感测它正在抓握什么。

图3是机器人脚的底表面上的压力传感器的图示。

图4是脊状传感器表面的图示。

图5是用于压力或剪切传感器的传感器叠层的实施例的高级示意图。

图6是传感器叠层的实施例的图示，该传感器叠层具有用于本文公开的压力或剪切传感器的水平导电元件。

图7是传感器叠层的实施例的图示，该传感器叠层具有用于本文公开的压力或剪切传感器的垂直导电元件。

图8是传感器叠层的实施例的图示，该传感器叠层具有用于本文公开的压力或剪切传感器的对角导电元件。

图9是传感器叠层的另一实施例的图示，该传感器叠层具有用于本文公开的压力或剪切传感器的水平导电元件。

图10是传感器叠层的又一实施例的图示，该传感器叠层具有用于本文公开的压力或剪切传感器的水平导电元件。

图11是传感器叠层的又另一实施例的图示，该传感器叠层具有用于压力或剪切传感器的、经改变的对角导电元件、集成传感器和可变形层。

具体实施方式

在过去几年中，电容式感测，包括快速多点触摸(fmt)感测(如美国专利第9,019,224号中所公开的)已经被用于触摸屏应用中。转到图1，通常，电容传感器10具有布置成栅格并由绝缘体隔开的导体10、12。(导体有时称为行和列)电路16、18可操作地连接到导体10、12，该电路用于刺激和感测导体栅格的信号。在一些实施例中，刺激导体10、12中的一组，并且感测另一组。在其他实施例中，两组导体10、12均可以被刺激和感测。在一些实施例中，被刺激的导体10、12一次一个地被刺激，在其他实施例中，多个导体同时被刺激。此外，尽管导体如图所示那样布置成栅格，如美国专利第9,019,224号中所讨论的那样，但不一定要是这种情况。此外，共同未决的美国专利申请第15/690,242号和第15/690,243号描述了单边和单侧导体布置。一旦所感测的信号被接收到，就可以分析该信号以识别触摸。可以采用信号处理器17来分析所感测的信号以识别触摸。

转到图2，示出了简单的机器夹具。结构部件2被连接到移动接头3，该移动接头3可操作地连接到第一和第二夹具。第一和第二夹具可以确定触摸、压力和剪切。所示的机器夹具的简单性不旨在限制本公开的范围(其仅在权利要求中进行)，而是提供用于讨论目的的简单说明。这里讨论的传感器适用于简单和复杂的机器人结构以及抓握、压力和/或剪切为重要测量的其他应用。

在抓握应用中，传感器可用于确定抓握表面(示出)或例如指状物(未示出)如何以及在何处接触物体表面。所公开的传感器还适用于机器人的触觉感测应用。机器人触觉感测可以用于工业机器人应用(允许机器人操纵器、表面和其他附件感测它们正在触摸或正在触摸它们的事物)或用于社交应用，以允许机器人以类似于人类的方式感测事物并相应地做出反应。

转到图3，示出了简单的机器脚。结构部件6连接到移动接头7。可以采用其他接头(未示出)。触摸/压力/剪切传感器8设置在脚的底部。

用于机器人的实用感测

回到图2，简要地说，在一个实施例中，用于实用目的的机器人需要能够在其环境中以触觉感测物体。机器手、夹具4、5或操纵台可以使用2-d压力传感器“感觉”它正在抓握或操纵的物体，使得它可以获得关于物体的一些知识，并能够更恰当地进行交互。这可以允许机器人施加适当量的力来拾取物体(较小的力用于较轻的物体，较大的力用于较重的物体)，并且还可以确定其接触的物体的形状。这可以允许机器人确定它接触的物体的形状和取向，并且能够以适当的方式抓取和移动物体，鉴于它已经确定的物体的尺寸、形状、质量、质量分布、转动惯量张量、表面摩擦力和滑动性等。

回到图3，简要地说，机器脚、轮或其他支撑系统可以在接触表面上具有2-d压力传感器8，当机器人(或其他被支撑的物体)将重物放在地板(或地面等)的特定位置上的脚、轮或其他支撑系统上时，允许测量表面的纹理。这将允许机器人避免踩到其他物体，或者能够测量其站立(或移动)的表面的纹理，从而允许其改变步态或其他运动策略。

转到图4，“皮肤”表面上的脊可用于使传感器表面与另一表面或物体摩擦时使传感器表面变形。变形引起传感器内的距离变化，其登记为在所公开的2-d触摸传感器上的某些位置和某些方向上的压力。可以使用凸起(未示出)代替脊，以允许在所有横向方向上测量摩擦。脊的图案或凸起的图案在不同的横向方向上可以是不同的，以允许2-d压力传感器确定摩擦动作的方向，并测量正在摩擦传感器的表面或物体的某些特性(表面摩擦或滑动、凸起和形状等)。

用于机器人的社交感测

二维压力传感器可以用在社交机器人的表面“皮肤”上，以便以细粒度的方式模仿触觉。这里描述的2-d压力传感器可以放置在社交机器人的适当表面上，以测量人类如何接触这些斑点以及以何种方式接触。

握手模拟器：在一个实施例中，机器“手”上的2-d压力传感器可以确定它是否被触摸、人手施加的压力量、人的手指在哪里以及他们的手如何定向，允许机器手在人手上的适当位置施加适当的压力，并将机器人手指放在适当的位置并使用适当的压力，从而模仿人的握手。

在一个实施例中，传感器使得能够确定人是否正在触摸机器人表面。例如，传感器可以使机器人能够区分例如人在接触机器人的肩部或者给予机器人背部摩擦的位置。机器人中的感测软件可以确定触摸的位置、取向、压力和类型，从而允许适当的响应-就像人类可以分辨拥抱和“类似触摸”的抓取(即，触摸接触基本相同的机器人的抓取)之间的区别一样。然后机器人可以得到适当的响应。类似地，机器人宠物(例如，猫或狗)可以通过感测触摸是否是抚摸动作或威胁动作来响应人的触摸，并且以期望的方式响应，例如，以其非机器人模拟的方式响应。

传感器融合和其他传感模式

可以将其他感测模式添加到压力感测，并且传感器融合用于确定触摸动作的其他相关特征。在一个实施例中，电容感测可以与2-d压力感测组合(或取代2-d压力感测)，从而允许机器人(或其他智能对象)确定一些关于触摸物体的导电性或电介质的信息，以及它与环境地面的电容连接。这可以允许机器人判断它是否被非导电物体(例如木棍)或更具导电性的物体(例如人手)触摸。在一个实施例中，可以添加悬停感测(参见例如美国专利申请第62/488,753号)、以及可能的电容性悬停感测(参见例如美国专利申请第15/224,266号)，以便机器人可以确定物体何时靠近其表面但不接触。在一个实施例中，可以添加挠曲感测，并且可能是任何摩擦传感器(具有脊和凸起)的一部分。在一个实施例中，可以添加振动感测并使其与上述内容结合，可能作为现有2-d压力感测/电容感测技术的一部分或者通过使用附加的振动传感器。在一个实施例中，温度感测可能通过添加单独的温度传感器。

远程交互

传感器可以用于人(或动物或其他机器人)之间的远程交互，而不是用于单个人和单个机器人。例如，可以使用两个人和两个握手机器人，使得人可以远程握手，同时“感觉”另一个人的手、他们的压力、他们的手指的位置等。另一个示例是远程背部摩擦，两个人和两个机器人可用于提供远程背部摩擦。一个人会摩擦或按摩他们的本地机器人的背部，这个人的动作、压力、手和手指的位置和取向等(可能是他们的手的温度、他们的手的滑溜等)被传送到另一端的机器人，其智能地模仿动作，从而在另一端为人类提供逼真的背景。许多这样的远程交互是可能的。

对感测的反应

通过此处描述的附加感测功能，机器人可以根据感测到的触摸动作的性质和特征采取行动。在一个实施例中，机器人可以通过移开、改变其位置、取向等来避免触摸。在一个实施例中，机器人可以通过跳跃或快速移动来显示“惊吓”反射。在一个实施例中，机器人可以改变形状。在一个实施例中，机器人可以改变其位置、取向或其他参数，以便优化所感测的压力模式的压力或模式，从而增加或减小适当感测位置处的压力。在一个实施例中，机器人可以优化其位置或取向，或其组成部分的相对位置或取向。在一个实施例中，机器人可以抓取触摸物体，确定物体的取向并可能改变物体的位置或取向。在一个实施例中，机器人可以改变与触摸物体接触(或以其他方式由触摸物体感测)的区域的部分的温度。在一个实施例中，机器人可以使用触摸的各种参数的知识来使其他传感器承载在感测到的物体上。

结构

在一个实施例中，可以使用投射电容式多点触摸感测技术构建适合于上述应用的二维触摸传感器，参见例如美国专利第9,019,224号。在一个实施例中，可以在传感器层10(图1)附近(例如，在其顶部)引入可变形层，这可以使电容感测转换成压力感测。当导电(或电介质)物体接近传感器层10时，其对电容触摸传感器10的影响量增加。在一个实施例中，可变形层将压力施加回到触摸物体上，因此触摸物体和传感器层10之间的距离与触摸物体的压力相关。例如，可变形表面上的轻触将仅允许触摸物体接近传感器层10一定距离。较重的触摸将使触摸物体更靠近传感器层10。因此，可以通过电容测量压力。

转到图5，示出了传感器叠层20。在一个实施例中，传感器叠层20可用于测量由非导电物体引起的压力。在一个实施例中，传感器叠层20可以减轻触摸物体的电容或介电效应。在一个实施例中，传感器叠层20可以消除触摸物体的电容或介电效应。传感器叠层20包括背层22。在一个实施例中，背层22使叠层20与其安装和/或环境隔离。在一个实施例中，背层22包含静电屏蔽。在一个实施例中，背层22包含地平面。在一个实施例中，背层22包含提供静电屏蔽的地平面。传感器层10提供连接到电路的导体(例如，图1中的12、14)，以如上所述地进行刺激和感测。在一个实施例中，传感器层包括由绝缘体13分开的行导体12和列导体14。分隔体24可以可选地放置在传感器层10和可变形层26之间。

在一个实施例中，可变形层26包含导电或高介电贴片，当导体12、14越来越靠近或远离传感器层10时，这些贴片改变导体12、14之间的电容。可变形层26可由各种合适的材料制成。例如，可变形层26可包括凝胶、橡胶和橡胶类材料、固体泡沫、开孔泡沫、闭孔泡沫和类似材料。在一个实施例中，可变形层26材料(即，不同于贴片)应当表现出通过在去除力后施加力而变形后恢复到原始形状的性质。在一个实施例中，可变形层26材料是不导电的。在一个实施例中，可变形层26材料是绝缘体。在一个实施例中，可变形层26由贴片和其他材料的复合材料制成。在一个实施例中，可变形层26由一层或多层非导电材料形成，其中嵌入有多个贴片。

可选地提供顶表面28；顶表面与传感器外界相互作用。在一个实施例中，顶表面28是柔性的。在一个实施例中，柔性顶表面28保护可变形层26。在一个实施例中，顶表面28具有脊状或波状外表面，以与摩擦的物体接合。在一个实施例中，在平行于表面并垂直于脊的方向(例如，由于变形)上检测摩擦或剪切，从而允许表面传感器检测摩擦运动。在一个实施例中，可以使用凸块阵列，从而允许在平行于表面的任何方向上检测剪切。

在一个实施例中，导电或高介电贴片大约是传感器的触摸分辨率的大小并且彼此电绝缘。在一个实施例中，分隔体24是将传感器层10与可变形层26分隔的非导电层。在一个实施例中，分隔体24是柔性的。

当物体接触顶表面28时，导电贴片朝向电容传感器移位，从而改变传感器的导体12、14之间的电容耦合。随着施加更多压力，可变形层26变形得更多并且导电贴片和传感器层10之间的距离减小，从而甚至更多地改变传感器导体12、14之间的耦合。在一个实施例中，顶表面28包括导电层，以减轻触摸物体的导电、电介质和/或电容效应。在一个实施例中，顶表面28的导电层与导电贴片绝缘。在一个实施例中，顶表面28的导电层对触摸物体的导电、电介质和/或电容效应完全去耦。在一个实施例中，背层22包含导电层。在一个实施例中，顶表面28和背层22包括导电层。在一个实施例中，顶表面28和背层22均包括导电层，使得从叠层20内部(即导电层之间)减轻或消除电效应，留下接触作为外部影响；接触导致叠层20内的导电贴片的物理移位。

转到图6，示出了传感器叠层30的一个实施例。提供传感器层10。在一个实施例中，传感器层10包括彼此绝缘的导体12、14。在一个实施例中，导体12、14位于绝缘体13的相对侧上。传感器层10上方的层中的可变形层36。在一个实施例中，在传感器层10和可变形层36之间使用分隔体24。贴片39分布遍及可变形层36的至少一部分中。在一个实施例中，贴片39大约是传感器的触摸分辨率的大小。在一个实施例中，贴片39至少是传感器的触摸分辨率的大小。在一个实施例中，贴片39取向为使得它们平行于可变形层36。在一个实施例中，提供了可选的背层22。在一个实施例中，背层22包括导电层。在一个实施例中，顶表面28提供传感器叠层30与外界之间的界面。在一个实施例中，顶表面28包括导电层。

可变形层36可以通过在顶表面28上的触摸而物理地变形，从而使贴片39朝向传感器层10移位，并且改变导体12、14之间的电容耦合。在一个实施例中，顶表面28由选择为在与触摸物体接合时具有有意义的静摩擦系数的材料制成，从而允许滑动或摩擦动作以使可变形层36中的贴片39移位，使得它们改变导体12、14之间的电容耦合。在一个实施例中，顶表面具有脊、凸起或凹坑，其引起可变形层36中的变形，并因此引起贴片39的移位，并因此在被触摸时引起导体12、14之间的电容耦合的变化。

转到图7，示出了传感器叠层40的另一个实施例。图7中的传感器叠层40与图6中的传感器叠层30的不同之处在于，可变形层46具有垂直于该层取向的贴片49。在一个实施例中，贴片49大约是传感器的触摸分辨率的大小。在一个实施例中，贴片49至少是传感器的触摸分辨率的大小。

转到图8，示出了传感器叠层50的又一个实施例。图8中的传感器叠层70与图6中的传感器叠层30的不同之处在于，可变形层56具有相对于该层以对角取向的贴片59。在一个实施例中，贴片59大约是传感器的触摸分辨率的大小。在一个实施例中，贴片59至少是传感器的触摸分辨率的大小。

转到图9，示出了传感器叠层60的又一个实施例。传感器叠层60包括传感器层10、柔性层25和可变形层66。在一个实施例中，提供顶表面28和背层22。在一个实施例中，顶表面28和背层22中的一个或两个包括导电层。在一个实施例中，顶表面28上(或者如果不存在顶表面则在可变形层66上)的接触和/或压力将使可变形层66中的一个或多个贴片69相对于传感器层10移位，从而引起导体12、14之间的电容耦合的变化。在一个实施例中，顶表面28上(或者如果不存在顶表面则在可变形层66上)的接触和/或剪切将使可变形层66中的一个或多个贴片69相对于传感器层10移位，从而引起导体12、14之间的电容耦合的变化。在一个实施例中，柔性层25由诸如记忆泡沫之类的可变形记忆材料制成，使得当不施加压力时它将恢复其原始形状。

转到图10，示出了传感器叠层65的又一个实施例。传感器叠层65包括传感器层10、柔性层25、可变形层66和顶表面29。在一个实施例中，顶表面29包括脊。在一个实施例中，顶表面29包括凸起。在一个实施例中，顶表面29包括凹坑。在一个实施例中，顶表面29包括压纹区域。在一个实施例中，顶表面29包括突起。在一个实施例中，提供了背层22。在一个实施例中，顶表面28和背层22中的一个或两者包括导电层。在一个实施例中，顶表面29上的接触和/或压力将使可变形层66中的一个或多个贴片69相对于传感器层10移位，从而引起导体12、14之间的电容耦合的变化。在一个实施例中，顶表面29上的接触和/或剪切将使可变形层66中的一个或多个贴片69相对于传感器层10移位，从而引起导体12、14之间的电容耦合的变化。在一个实施例中，柔性层25由诸如记忆泡沫的可变形记忆材料制成，使得当不施加压力时它将恢复其原始形状。

转到图11，示出了传感器叠层70的又另一个实施例。传感器叠层70包括传感器层10，其中具有可变形层76，其上方具有顶表面29。可变形层76包括贴片79，贴片79可以以多种方式定位和取向。在一个实施例中，提供了背层22。在一个实施例中，顶表面28和背层22中的一个或两者包括导电层。在一个实施例中，顶表面29上的接触和/或压力将使可变形层76中的一个或多个贴片79相对于传感器层10移位，从而引起导体12、14之间的电容耦合的变化。在一个实施例中，顶表面29上的接触和/或剪切将使可变形层76中的一个或多个贴片79相对于传感器层10移位，从而引起导体12、14之间的电容耦合的变化。在一个实施例中，可变形层76由诸如记忆泡沫之类的可变形记忆材料制成，使得当不施加压力时它将恢复其原始形状。

参考图5-图11所示，贴片可以以各种方式取向。例如，可以采用水平、垂直和对角贴片。类似地，可以采用各种尺寸和形状的贴片。本公开不旨在限于所示的具体实施方案，相反，本公开内容考虑了贴片尺寸、形状、取向和位置的多种组合。而且，贴片尺寸、形状、取向和位置不需要在整个柔性或可变形层中是均匀的。例如，垂直和水平贴片可以用在同一实施例中。类似地，在同一实施例中可以使用大贴片和小贴片。类似地，在同一实施例中可以使用三角形贴片和方形贴片。此外，前述内容的各种组合在本公开的范围内都是允许的，并且鉴于本公开内容对于本领域技术人员而言是显而易见的。在各种实施例中，贴片包括导电或高介电材料，并且可以由这种导电或高介电材料制成、与之混合或涂覆。在一个实施例中，贴片是方形的。在一个实施例中，贴片是长方形的。在一个实施例中，贴片呈平行四边形的形状。在一个实施例中，贴片是菱形的。在一个实施例中，贴片是三角形的。在一个实施例中，贴片是薄圆柱体，例如线状。在一个实施例中，贴片是盘状的。在一个实施例中，采用至少两种不同的贴片形状。在一个实施例中，至少两种不同的贴片形状嵌入可变形层中。在一个实施例中，贴片通过可变形层与顶表面和传感器层分隔，并且不需要单独的绝缘。

在一个实施例中，导电贴片由于触摸动作而改变位置或取向。例如，在具有脊状或凸起表面的2-d压力传感器中，摩擦动作可能导致传感器堆叠的表面相对于其他层平移，从而导致堆叠中的剪切。该剪切可以部分地旋转导电贴片(例如，其在预剪切下处于非水平取向)，从而允许剪切运动改变行-列电容耦合，并且因此允许剪切运动被电容传感器感测到。

在一个实施例中，组合了几种类型的所公开的2-d压力传感器。例如，为了增加动态范围(即，感测强触摸压力和弱触摸压力的能力)，可以堆叠多个2-d压力传感器。在一个实施例中，设计为用于检测光压的传感器朝向堆叠的顶部(朝向触摸)放置，使得其可以感测轻压触摸。更强的触摸可能会使轻触式传感器过载，导致其读取不准确或无法读取。传感器层10可以用作强触摸压力传感器，其可以感测强触摸的特性。因此，在诸如图9和图10所示的实施例中，类似于传感器层10中的附加传感器层的附加传感器层(未示出)可以放置在可变形层66和顶表面28或29之间。在一个实施例中，这种附加传感器层的导体将保持与贴片69基本上等距，因此贴片69可以限制对导体12、14之间的电容可能有的影响。在一个实施例中，附加传感器层(未示出)、未示出的绝缘层和导电层(未示出)放置在顶表面28或29与可变形层66之间。鉴于本公开，其他变化对于本领域技术人员将是显而易见的。

在一个实施例中，用于切向压力或剪切感测(例如上方的摩擦感测)的传感器可以与以类似的方式用于垂直压力感测的传感器组合。在一个实施例中，剪切传感器可以更好地适合于顶部(即，更接近触摸所来自的方向)，从而允许同时感测两种触摸。

以上实施例和偏好用于说明本发明。对于本专利来说，既不必要也不旨在概括或限定每种可能的组合或实施例。本发明人已经公开了足够的信息以准许本领域技术人员实践本发明的至少一个实施例。在不脱离如以下权利要求书中所限定的本发明的范围的情况下，以上描述和附图仅用于说明本发明，并且部件、结构和程序的变化是可能的。例如，在不脱离本发明的情况下，可以按照不同的顺序实践以上所述的元件和/或步骤和/或按照特定顺序的以下权利要求书。因此，虽然已经参照本发明的实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对形式和细节做出各种修改。