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一種電容式觸滑覺傳感器裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電容式觸滑覺傳感器裝置，其特征在于：由柔性基底、柔性上基板和矩形體立柱構(gòu)成傳感器裝置的框架；在柔性基底上表面呈十字排布有四個(gè)彼此不接觸的矩形體狀柔性感應(yīng)極板，在四個(gè)柔性感應(yīng)極板的正上方間隔設(shè)置有一呈十字交叉狀的柔性公共極板，柔性公共極板的四個(gè)伸出端分別與位于其下方的相應(yīng)柔性感應(yīng)極板構(gòu)成平行板電容傳感器；在公共極板中心貫穿有一圓柱形觸桿，在圓柱形觸桿的頂端設(shè)置有一防滑橡膠觸頭，目標(biāo)對象與防滑橡膠觸頭發(fā)生相對滑動時(shí)，圓柱形觸桿帶動柔性公共極板發(fā)生移動，使得四個(gè)平行板電容傳感器的等效面積發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)觸滑覺信息的獲取。本發(fā)明的電容式觸滑覺傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單且靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種電容式觸滑覺傳感器裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地說，它涉及一種用于智能機(jī)器人仿生皮膚的電容式觸滑覺傳感器裝置。
技術(shù)背景
[0002]機(jī)器人觸覺傳感技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一，觸覺傳感器是機(jī)器人與環(huán)境直接作用的必須媒介，是模仿人手使之具有觸覺、滑覺、熱覺等感知功能。目前，國內(nèi)外對智能機(jī)器人觸覺的研究主要集中在力觸覺方面，不斷創(chuàng)新觸覺力檢測模型、優(yōu)化力觸覺算法在柔性、紋理復(fù)現(xiàn)裝置上的應(yīng)用，使得這些裝置能夠較好地再現(xiàn)虛擬場景物體的柔性、紋理力觸覺特征，而對滑覺信息感知的研究仍較少。觸滑覺檢測是智能機(jī)器人實(shí)現(xiàn)軟抓取的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，觸滑覺信息的可靠感知是智能機(jī)器人在復(fù)雜多元環(huán)境下完成預(yù)定抓取功能的可靠保障。常用的觸滑覺傳感器按其檢測機(jī)理不同主要包括:壓阻式、光纖式、壓電式、磁敏式和電容式滑覺傳感器等。
[0003]美國阿克倫大學(xué)的Vatani Morteza等人基于多壁碳納米管/聚合物復(fù)合材料設(shè)計(jì)了一種壓阻式滑觸覺傳感器，這類觸滑覺傳感器存在體積大、不易集成且壓敏電阻漏電流不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。西安金和光學(xué)科技有限公司杜兵等人提了一種光纖式觸滑覺傳感裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)合理及抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，然而光纖式滑覺傳感器在兩向力以上共同作用時(shí)，很難保持線性關(guān)系，且存在標(biāo)定困難、精度難以提高等缺點(diǎn)。日本ShouheiShirafuji等人將PVDF壓電薄膜嵌入到彈性仿生皮膚中實(shí)現(xiàn)觸滑覺信息感知，通過調(diào)節(jié)作用力大小實(shí)現(xiàn)軟抓取功能。燕山大學(xué)的陳衛(wèi)東等人提出了一種基于PVDF膜和光電原理的觸滑覺傳感器，可得到觸覺、滑覺響應(yīng)曲線，并確定了判定滑動信號的閾值。壓電式滑觸覺傳感器的應(yīng)用最為廣泛，能同時(shí)檢測滑覺信息與觸覺信息，然而滑覺信息與觸覺信息的分離存在一定難度，且壓電式滑觸覺傳感器同時(shí)存在壓電響應(yīng)與熱電響應(yīng)。YuriyP.Kondratenko等人介紹了一種磁敏式檢測滑覺距離與振幅的結(jié)構(gòu)模型,可磁敏式觸覺傳感器各觸覺傳感點(diǎn)一致性差，磁場分布不均，分辨率不易提高。
[0004]電容式觸滑覺傳感器因具有動態(tài)范圍廣，良好的線性度，動態(tài)響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單等顯著優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。智能機(jī)器人在抓取未知屬性物體時(shí)，必須根據(jù)觸滑觸覺傳感器檢測信號實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)施加夾持力的大小，既要保證不會因夾持力不足導(dǎo)致物體滑動又要保護(hù)物體不被損壞，即實(shí)現(xiàn)軟抓取功能。為此，一種檢測觸滑覺信息且配合觸覺傳感器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)的觸滑覺傳感器的研究顯得尤為重要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種電容式觸滑覺傳感器，旨在解決智能機(jī)器人在軟抓取過程中觸滑覺信息的感知問題。本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)合理、加工制作方便、成本低且高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:
[0007]本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器裝置，其特點(diǎn)在于:由一柔性基底和位于所述柔性基底正上方、且與所述柔性基底平行的柔性上基板構(gòu)成傳感器裝置的框架，所述柔性基底與所述柔性上基板之間通過矩形體立柱支撐；在所述柔性上基板中心設(shè)置有一通孔；
[0008]在所述柔性基底上表面呈十字排布有四個(gè)彼此不接觸的矩形體狀柔性感應(yīng)極板，在四個(gè)柔性感應(yīng)極板的正上方間隔設(shè)置有一呈十字交叉狀的柔性公共極板，所述柔性公共極板的四個(gè)伸出端分別與位于其下方的相應(yīng)柔性感應(yīng)極板構(gòu)成平行板電容傳感器；
[0009]在所述柔性公共極板中心貫穿有一圓柱形觸桿，在所述圓柱形觸桿的頂端設(shè)置有一防滑橡膠觸頭，所述防滑橡膠觸頭的中心位于所述圓柱形觸桿的中軸線上；所述圓柱形觸桿的底端固定于所述柔性基底的上表面且位于四個(gè)柔性感應(yīng)極板的中心，防滑橡膠觸頭從所述柔性上基板的通孔的中心位置伸出且頂面突出于所述柔性上基板的上表面；所述圓柱形觸桿及所述防滑橡膠觸頭與所述柔性上基板不接觸；所述圓柱形觸桿與四個(gè)柔性感應(yīng)極板不接觸；所述柔性公共極板的上表面與所述柔性上基板的下表面不接觸。
[0010]目標(biāo)對象與防滑橡膠觸頭發(fā)生相對滑動時(shí)，防滑橡膠觸頭在摩擦力作用下聯(lián)動圓柱形觸桿，從而帶動柔性公共極板發(fā)生移動，使得柔性公共極板的四個(gè)伸出端與位于其下方的相應(yīng)柔性感應(yīng)極板構(gòu)成的四個(gè)平行板電容傳感器的等效面積發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)觸滑覺信息的獲取。
[0011]本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器，其特點(diǎn)也在于:在所述電容式觸滑覺傳感器的四周外圍包裹有一層由有機(jī)娃導(dǎo)電銀膠制成的屏蔽層。
[0012]所述柔性基底為矩形體狀，所述柔性基底與所述柔性上基板尺寸相同，所述柔性上基板位于所述柔性基底的正上方，所述柔性上基板的各側(cè)面與所述柔性基體的相應(yīng)側(cè)面對齊；所述矩形體立柱共四個(gè)，分別支撐在柔性基底與所述柔性上基板的四角處，且外側(cè)面與柔性基底及所述柔性上基板的相應(yīng)側(cè)面對齊。
[0013]所述圓柱形觸桿的高度與所述矩形體立柱高度相同。
[0014]所述柔性公共極板位于所述圓柱形觸桿的高度中間位置。
[0015]所述柔性公共極板的四個(gè)伸出端的外邊不超出相應(yīng)柔性感應(yīng)極板的外邊，所述柔性公共極板各伸出端的兩側(cè)邊之間的寬度與所述柔性感應(yīng)極板的寬度相同。
[0016]所述柔性公共極板與所述柔性感應(yīng)極板的外表面皆包裹有一層以硅橡膠為材質(zhì)的隔離層。
[0017]所述柔性感應(yīng)極板和所述柔性公共極板均以有機(jī)硅導(dǎo)電銀膠為材質(zhì)。
[0018]所述防滑橡膠觸頭、柔性上基板、圓柱形觸桿、矩形體立柱和柔性基體均以硅橡膠為材質(zhì)。
[0019]本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器的結(jié)構(gòu)模型中四個(gè)柔性感應(yīng)極板與柔性公共極板的相應(yīng)伸出端可等效為呈十字形排布的四個(gè)平行板電容傳感器，在觸滑覺檢測過程中共線的兩個(gè)平行板電容傳感器構(gòu)成一對類差分式電容傳感器，提高了觸滑覺檢測的靈敏度；同時(shí)，根據(jù)四個(gè)電容傳感器輸出電容的變化特點(diǎn)可以判斷滑動產(chǎn)生的方向，其檢測方向不再局限于單一方向。防滑橡膠觸頭略高于柔性上基板，在摩擦力的作用下帶動圓柱形觸桿發(fā)生傾斜，與此同時(shí)，柔性公共極板發(fā)生相對移動，相當(dāng)于平行板電容等效極板面積發(fā)生變化，從而反映觸滑覺信息。
[0020]電容極板引線可引至柔性基體的上表面，易于構(gòu)成電容式滑覺傳感器陣列，實(shí)現(xiàn)大面積、高分辨率滑覺感知功能。
[0021]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在:
[0022]1、本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器整體上具有柔性，與傳統(tǒng)觸滑覺傳感器相比,本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器由呈十字形排布的四個(gè)平行板電容傳感器構(gòu)成，可以看作兩對類差分式平行板電容傳感器，提高了觸滑覺檢測的靈敏度；
[0023]2、本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器的檢測方向不再局限于單一方向，根據(jù)四個(gè)平行板電容傳感器輸出電容值變化的特點(diǎn)可以判斷滑覺發(fā)生的方向；
[0024]3、本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器極板引線可引至柔性基體的上表面，易于構(gòu)成電容式觸滑覺傳感器陣列，實(shí)現(xiàn)大面積、高分辨率觸滑覺感知功能；
[0025]4、本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器通過調(diào)節(jié)圓柱形觸桿半徑、柔性公共極板距柔性基體的距離、柔性公共極板與柔性感應(yīng)極板之間的介電常數(shù)等參數(shù)可以改變該電容式觸滑覺傳感器的靈敏度，進(jìn)一步擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍；
[0026]5、本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器中以柔性感應(yīng)極板與柔性公共極板的相應(yīng)伸出端作為平行板電容的兩極板，在柔性公共極板與柔性感應(yīng)極板外表面包裹有隔離層，防止觸滑過程中兩極板短接。

【專利附圖】

【附圖說明】
:
[0027]圖1是本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器的整體立體圖；
[0028]圖2是本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器的拆分立體圖；
[0029]圖3是本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器的圓柱形觸桿與柔性公共極板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖4是本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器的不加柔性上基板時(shí)立體圖；
[0031]圖5是本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器封裝后立體圖；
[0032]圖6是本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器結(jié)構(gòu)等效示意圖；
[0033]圖7是本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器在X軸方向滑動時(shí)電容變化示意圖；
[0034]圖8是本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器在Y軸方向滑動時(shí)電容變化示意圖；
[0035]圖9是本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器在與X軸方向成45°滑動時(shí)電容變化示意圖；
[0036]圖10是本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器具體實(shí)施案例中尺寸參數(shù)示意圖；
[0037]圖11是本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器柔性上極板模具；
[0038]圖12是本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器柔性公共極板模具；
[0039]圖13是本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器矩形體立柱與柔性基體整體模具；
[0040]圖14是本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器檢測滑動信號時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
[0041]圖中標(biāo)號:1防滑橡膠觸頭；2柔性上基板；3圓柱形觸桿；4柔性公共極板；5柔性感應(yīng)極板；6矩形體立柱；7柔性基體；8屏蔽層。

【具體實(shí)施方式】
[0042]如圖1和圖2所示，本實(shí)施例電容式滑覺傳感器的結(jié)構(gòu)為:由一柔性基底7和位于所述柔性基底7正上方、且與柔性基底7平行的柔性上基板2構(gòu)成傳感器裝置的框架，柔性基底7與柔性上基板2之間通過矩形體立柱6支撐；在柔性上基板2中心設(shè)置有一通孔；
[0043]在柔性基底7上表面呈十字排布有四個(gè)彼此不接觸的矩形體狀柔性感應(yīng)極板5，在四個(gè)柔性感應(yīng)極板5的正上方間隔設(shè)置有一呈十字交叉狀的柔性公共極板4，柔性公共極板4的四個(gè)伸出端分別與位于其下方的相應(yīng)柔性感應(yīng)極板5構(gòu)成平行板電容傳感器；
[0044]在公共極板4中心貫穿有一圓柱形觸桿3，在圓柱形觸桿3的頂端設(shè)置有一防滑橡膠觸頭1，防滑橡膠觸頭I的中心位于圓柱形觸桿3的中軸線上；圓柱形觸桿3的底端固定于柔性基底7的上表面且位于四個(gè)柔性感應(yīng)極板5的中心，防滑橡膠觸頭從柔性上基板2的通孔的中心位置伸出且頂面突出于柔性上基板2的上表面；圓柱形觸桿3及防滑橡膠觸頭I與柔性上基板2不接觸；圓柱形觸桿3與四個(gè)柔性感應(yīng)極板5不接觸；
[0045]柔性公共極板4的上表面與柔性上基板2的下表面不接觸；
[0046]目標(biāo)對象與防滑橡膠觸頭I發(fā)生相對滑動時(shí)，防滑橡膠觸頭I在摩擦力作用下聯(lián)動圓柱形觸桿3，從而帶動柔性公共極板4發(fā)生移動，使得柔性公共極板4的四個(gè)伸出端與分別位于其下方的相應(yīng)柔性感應(yīng)極板5構(gòu)成的四個(gè)平行板電容傳感器的等效面積發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)觸滑覺信息的獲取。
[0047]如圖3所示，柔性公共極板4位于圓柱形觸桿3的中間高度處。將柔性公共極板4設(shè)置在圓柱形觸桿3的高度中間位置可以盡量減少在圓柱形觸桿3帶動柔性公共極板4發(fā)生移動，柔性公共極板的一側(cè)在發(fā)生傾斜時(shí)，柔性公共極板一側(cè)與下方的柔性感應(yīng)極板接觸或另一側(cè)與上方的柔性上基板接觸，也即處在中間位置可以使圓柱形觸桿3的有效傾斜角度盡可能大。如圖4所示，圓柱形觸桿3的高度與矩形體立柱6高度相同，以便于安裝防滑橡膠觸頭。
[0048]如圖5所示，為提高本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器的抗干擾性能，在電容式觸滑覺傳感器的四周外圍可包裹有一層由有機(jī)硅導(dǎo)電銀膠制成的屏蔽層8，其屏蔽層根據(jù)電容信號提取的方式作相應(yīng)處理。
[0049]柔性基底7為矩形體，柔性基底7與柔性上基板2尺寸相同，柔性上基板2的各側(cè)面與柔性基體7的相應(yīng)側(cè)面對齊；矩形體立柱6共四個(gè)，分別支撐在柔性基底7與柔性上基板2的四角處，且外側(cè)面與柔性基底7及柔性上基板2的相應(yīng)側(cè)面對齊。以保證，屏蔽層8正好和外表面貼合，中間沒有縫隙。
[0050]柔性公共極板4的四個(gè)伸出端的外邊不超出相應(yīng)柔性感應(yīng)極板5的外邊，柔性公共極板4各伸出端的兩側(cè)邊之間的寬度與柔性感應(yīng)極板5的寬度相同，且相應(yīng)邊平齊，以增加初始時(shí)各平行板電容傳感器的有效面積。
[0051]柔性公共極板4與柔性感應(yīng)極板5的外表面皆包裹有一層以硅橡膠為材質(zhì)的隔離層，防止觸滑過程中兩極板短接。
[0052]柔性感應(yīng)極板5和柔性公共極板4均以有機(jī)硅導(dǎo)電銀膠為材質(zhì)。
[0053]防滑橡膠觸頭1、柔性上基板2、圓柱形觸桿3、矩形體立柱6和柔性基體7均以硅橡膠為材質(zhì)。
[0054]本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器制作工藝主要是基于3D打印技術(shù)與硅橡膠流體成型技術(shù)。利用SolidWorks或AutoCAD等三維建模軟件設(shè)計(jì)出本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器結(jié)構(gòu)所需各部分模具，將硅橡膠注入模具成型，待材料固化后脫模即得本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器各部分組件，最后將各個(gè)器件組裝到一起即可。
[0055]為了保證本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器具有一定的柔軟性，在一定程度上具備可拉伸性等特點(diǎn)，柔性公共極板4和柔性感應(yīng)極板5選用南京喜力特膠粘劑有限公司的YC-02型有機(jī)硅導(dǎo)電銀膠為材質(zhì)，YC-02型有機(jī)硅導(dǎo)電銀膠甲、乙組分按質(zhì)量比10:1均勻混合后室溫下可自行固化，且固化后具有良好的導(dǎo)電性、可拉伸性及柔軟性等優(yōu)點(diǎn)。防滑橡膠觸頭
1、柔性上基板2、圓柱形觸桿3、矩形體立柱6及柔性基體7均選用中昊晨光化工研究院有限公司的⑶401型硅橡膠為材質(zhì)。
[0056]如圖6所示，本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器結(jié)構(gòu)可等效為四個(gè)變極板面積的平行板電容式傳感器(CpCyC3和C4)，其中CpC3和c2、c4分別可構(gòu)成兩對類差分式結(jié)構(gòu)，理論上，電容式觸滑覺傳感器未受摩擦力作用時(shí)，四電容值(C1 = C3 = C2 = C4)相等。當(dāng)受摩擦力作用時(shí)防滑橡膠觸頭I在摩擦力帶動下發(fā)生傾斜，從而聯(lián)動柔性公共極板4發(fā)生傾斜，導(dǎo)致差分式電容傳感器輸出發(fā)生變化，據(jù)此判斷觸滑覺信息。
[0057]本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器具體檢測滑覺信息的機(jī)理如下:
[0058]如圖7所示，以柔性基體7的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，以C1X3中點(diǎn)連線為X軸，以從坐標(biāo)原點(diǎn)指向C3的方向?yàn)閄軸正方向，以C2、C4中點(diǎn)連線為Y軸，以從坐標(biāo)原點(diǎn)指向C4的方向?yàn)閅軸正方向；
[0059]當(dāng)防滑橡膠觸頭I沿X軸正方向發(fā)生滑動時(shí)，其電容變化示意圖如圖7所示，在防滑橡膠觸頭I聯(lián)動下，忽略由圓柱形觸桿3發(fā)生傾斜引起的平行板極板間距的減小，C2和C4處的柔性公共極板4均沿X軸正方向發(fā)生移動，相當(dāng)于平行板電容C2和C4的極板等效面積減小，故C2和C4電容值減小；與此同時(shí)，C1和C3處的柔性公共極板4均沿X軸正方向發(fā)生移動，相當(dāng)于平行板電容C1的極板等效面積減小，平行板電容C3的極板等效面積增加，故C1電容值減小，C3電容值增加。表現(xiàn)在差分式電容傳感器時(shí)，C1和C3組成的差分對輸出電容值增加，C2和C4組成的差分對輸出電容值不變。
[0060]同理，若本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器沿Y軸正方向發(fā)生滑動時(shí)，其電容變化示意圖如圖8所示，表現(xiàn)在差分式電容傳感器時(shí)，C2和C4組成的差分對輸出電容值增加，C1和C3組成的差分對輸出電容值不變。
[0061]若本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器沿與X軸正方向及Y軸正方向皆成45°的方向發(fā)生滑動時(shí)，其電容變化示意圖如圖9所示，C3和C4極板等效面積可認(rèn)為不變，C1和C2極板等效面積減小，故C3和C4輸出電容值不變，C1和C2輸出電容值減小。根據(jù)Cp C2, C3> C4的輸出電容值變化特點(diǎn)及組成差分對的輸出特點(diǎn)便可以判斷出何時(shí)發(fā)生滑動以及發(fā)生滑動的方向。
[0062]在實(shí)際應(yīng)用中，將柔性公共極板4進(jìn)行接地處理，這樣每個(gè)電容就相當(dāng)于一個(gè)單電極平行板電容傳感器。對于單電極電容傳感器的信號采集可以選用AD公司的AD7747或AD7147電容數(shù)字處理芯片，其具備I2C兼容型串行接口與片內(nèi)環(huán)境自校準(zhǔn)功能。根據(jù)本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用具有13路容性輸入、高達(dá)16位CDC精度的AD7747-1，很容易完成12通道單電極結(jié)構(gòu)電容信號的采集與處理。對于由本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器構(gòu)成的觸滑覺傳感陣列，可使用AD7147-1與多通道單刀雙擲開關(guān)ADG734構(gòu)成的行列掃面電路進(jìn)行電容陣列信號采集。同時(shí)，芯片采用有源交流屏蔽技術(shù)，不僅可有效地降低傳感器使用過程中存在的噪聲干擾，而且消除了陣列間的交叉干擾問題。
[0063]在本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器量程范圍內(nèi)，使用精密拉壓力計(jì)對所述電容式觸滑覺傳感器重復(fù)進(jìn)行滑覺加載實(shí)驗(yàn)，同時(shí)由AD7147-1構(gòu)成的電容信號采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集電容式觸滑覺傳感器的單電極電容輸出值，根據(jù)電容式觸滑覺傳感器輸出曲線可以判斷何時(shí)發(fā)生滑動及滑動的方向。
[0064]為驗(yàn)證本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器的性能，做實(shí)例如下:
[0065]如圖10所示，在實(shí)例中，防滑橡膠觸頭I高度為4mm，半徑為1.5mm ;柔性上基板2和方形的柔性基體7邊長為24mm，厚度為2mm，其中，柔性上基板2中心處上下表面貫通圓半徑為3mm ;圓柱形觸桿3半徑為1.5mm,高度為8mm ;十字形柔性公共極板4厚度為Imm,十字形的一邊長、寬為18mm和6mm ;柔性感應(yīng)極板5的長、寬、高參數(shù)分別為8mm、6mm和0.5mm ；矩形體立柱6的長、寬、高參數(shù)分別為5mm、5mm和8_。本實(shí)例中娃橡膠選擇中昊晨光化工研究院有限公司的⑶401型硅橡膠，電容信號處理選用AD7147-lCDC(Capacitance-to-Digital Converter)作為電容信號采集的主芯片，STM32F103VET6高性能微處理器作為電容信號采集與處理的主控芯片，建立電容信號采集與處理系統(tǒng)。
[0066]柔性上基板2和方形柔性基體7模具相似，如圖11所示，利用SolidWorks或AutoCAD三維建模軟件在邊長與厚度均大于柔性上基板2的正方體面上表面畫出一邊長為24mm,厚度為2mm且中心處留有一半徑為3mm圓的圖形,并將此圖形向底端拉伸切除即可得柔性上基板2模具，將硅橡膠注入固化后脫模便獲得柔性上基板2。圖12和圖13分別為柔性公共極板4的模具和矩形體立柱6與方形柔性基體7整體的模具。制成本發(fā)明電容式觸滑覺傳感器的各個(gè)組件后在需要接觸的組件表面涂一層硅橡膠進(jìn)行粘接拼裝即可。
[0067]具體實(shí)驗(yàn)實(shí)施如下:將本發(fā)明電容式滑覺傳感器固定在實(shí)驗(yàn)基臺，四路容性輸出分別接至上述提出的多路電容信號提取系統(tǒng)，將一待滑動物體(實(shí)例中選用一支鉛筆)置于電容式滑覺傳感器防滑橡膠觸頭I上表面，待滑動物體在拉壓力計(jì)的聯(lián)動下沿X軸輪流向左向右滑動。電容信號提取系統(tǒng)實(shí)施檢測個(gè)電容傳感器的輸出結(jié)果，其輸出實(shí)施曲線結(jié)果如圖14所示，其中Cl、C2、C3和C4分別為對應(yīng)電容傳感器歸一化后的差分輸出，例如:Cl = CltjutZiC1 ，其它輸出以此類推。從圖14中可以看出，當(dāng)沿X軸正反方向輪流發(fā)生滑動時(shí)，Cl和C3輸出波行反相，在波峰處說明防滑橡膠觸頭I發(fā)生最大位移，平行板電容傳感器的等效極板面積最大，波谷表明平行板電容傳感器的等效極板面積最小。C2和C4輸出波行一致，符合上述理論分析，根據(jù)各差分輸出的數(shù)據(jù)方差便可判斷滑覺信息，實(shí)現(xiàn)滑覺檢測的功能。
【權(quán)利要求】
1.一種電容式觸滑覺傳感器裝置，其特征在于:由一柔性基底(7)和位于所述柔性基底(7)正上方、且與所述柔性基底(7)平行的柔性上基板(2)構(gòu)成傳感器裝置的框架，所述柔性基底(7)與所述柔性上基板(2)之間通過矩形體立柱(6)支撐；在所述柔性上基板(2)中心設(shè)置有一通孔； 在所述柔性基底(7)上表面呈十字排布有四個(gè)彼此不接觸的矩形體狀柔性感應(yīng)極板(5)，在四個(gè)柔性感應(yīng)極板(5)的正上方間隔設(shè)置有一呈十字交叉狀的柔性公共極板(4)，所述柔性公共極板(4)的四個(gè)伸出端分別與位于其下方的相應(yīng)柔性感應(yīng)極板(5)構(gòu)成平行板電容傳感器； 在所述柔性公共極板(4)中心貫穿有一圓柱形觸桿(3)，在所述圓柱形觸桿(3)的頂端設(shè)置有一防滑橡膠觸頭(I)，所述防滑橡膠觸頭(I)的中心位于所述圓柱形觸桿(3)的中軸線上；所述圓柱形觸桿(3)的底端固定于所述柔性基底(7)的上表面且位于四個(gè)柔性感應(yīng)極板(5)的中心，防滑橡膠觸頭從所述柔性上基板(2)的通孔的中心位置伸出且頂面突出于所述柔性上基板(2)的上表面；所述圓柱形觸桿(3)及所述防滑橡膠觸頭(I)與所述柔性上基板(2)不接觸；所述圓柱形觸桿(3)與四個(gè)柔性感應(yīng)極板(5)不接觸； 所述柔性公共極板(4)的上表面與所述柔性上基板(2)的下表面不接觸； 目標(biāo)對象與防滑橡膠觸頭(I)發(fā)生相對滑動時(shí)，防滑橡膠觸頭(I)在摩擦力作用下聯(lián)動圓柱形觸桿(3)，從而帶動柔性公共極板(4)發(fā)生移動，使得柔性公共極板(4)的四個(gè)伸出端與位于其下方的相應(yīng)柔性感應(yīng)極板(5)構(gòu)成的四個(gè)平行板電容傳感器的等效面積發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)觸滑覺信息的獲取。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式觸滑覺傳感器，其特征在于:在所述電容式觸滑覺傳感器的四周外圍包裹有一層由有機(jī)硅導(dǎo)電銀膠制成的屏蔽層(8)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電容式觸滑覺傳感器裝置，其特征在于:所述柔性基底(7)為矩形體狀，所述柔性基底(7)與所述柔性上基板(2)尺寸相同，所述柔性上基板(2)位于所述柔性基底(7)的正上方，所述柔性上基板(2)的各側(cè)面與所述柔性基體(7)的相應(yīng)側(cè)面對齊；所述矩形體立柱(6)共四個(gè)，分別支撐在柔性基底(7)與所述柔性上基板(2)的四角處，且外側(cè)面與柔性基底(7)及所述柔性上基板(2)的相應(yīng)側(cè)面對齊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式觸滑覺傳感器裝置，其特征在于:所述圓柱形觸桿(3)的高度與所述矩形體立柱(6)高度相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式觸滑覺傳感器裝置，其特征在于:所述柔性公共極板(4)位于所述圓柱形觸桿(3)的高度中間位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式觸滑覺傳感器裝置，其特征在于:所述柔性公共極板(4)的四個(gè)伸出端的外邊不超出相應(yīng)柔性感應(yīng)極板(5)的外邊，所述柔性公共極板(4)各伸出端的兩側(cè)邊之間的寬度與所述柔性感應(yīng)極板(5)的寬度相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式觸滑覺傳感器，其特征在于:所述柔性公共極板(4)與所述柔性感應(yīng)極板(5)的外表面皆包裹有一層以硅橡膠為材質(zhì)的隔離層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式觸滑覺傳感器，其特征在于:所述柔性感應(yīng)極板(5)和所述柔性公共極板(4)均以有機(jī)硅導(dǎo)電銀膠為材質(zhì)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式觸滑覺傳感器，其特征在于:所述防滑橡膠觸頭(I)、柔性上基板(2)、圓柱形觸桿(3)、矩形體立柱(6)和柔性基體(7)均以硅橡膠為材質(zhì)。
【文檔編號】G01L1/14GK104236764SQ201410513767
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月29日
【發(fā)明者】黃英, 郭小輝, 方定, 孫志廣, 劉彩霞, 劉平, 張玉剛 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)