一种柔性触觉传感器及触觉信息检测方法

摘要

一种柔性触觉传感器及触觉信息检测方法。该传感器由磁性橡胶工作面、弹性夹层、磁敏阵列、玻璃衬底和信号处理电路组成，其磁性橡胶工作面和弹性夹层能通过柔性变形自适应目标物体的表面形状，同时引起磁场空间分布的改变，进而改变了磁敏阵列中各磁敏单元的输出电流。通过神经网络技术标定出磁敏阵列中各磁敏单元的输出电流与磁性橡胶变形量之间的定量关系，可以获取传感器与未知物体发生“软接触”时的接触位置、接触力的空间分布以及目标物体的局部形状等触觉信息。该柔性触觉传感器可应用于机器人技术领域，能安装在机械手夹持器表面或机器人手指的指面等位置，提高抓取和传送等过程的可靠性，也可安装在移动式机器人的身体周围用于避障。

主权项

1、一种柔性触觉传感器，由传感器探头和信号处理电路这两部分组成，其特征在于：所述的第一部分传感器探头主要包括磁性橡胶(1)、弹性夹层(2)、磁敏阵列(3)和玻璃衬底(4)；磁性橡胶(1)位于传感器探头的最外层，它作为工作面直接与被测物体接触，在磁性橡胶(1)工作面上没有任何电子器件和电极，因而不会出现因接触和抓取目标物体可能导致的电子器件及其线路损坏情况；磁性橡胶(1)的下面是弹性夹层(2)，它是磁性橡胶(1)和磁敏阵列(3)之间的缓冲层；磁性橡胶(1)和弹性夹层(2)均为柔性材料，在外力作用下较容易变形，但发生变形时磁性橡胶(1)的厚度并不改变，而弹性夹层(2)在厚度方向上可被压缩，因此弹性夹层(2)为磁性橡胶(1)工作面提供了一个较大的变形空间以自适应被测物体的局部表面形状，这使得传感器能够以“软接触”方式工作，能有效避免“硬接触”可能导致的被测物体表面以及传感器本身的损伤，同时由于磁性橡胶(1)和弹性夹层(2)能产生自适应目标物体被接触部分表面形状的受压变形，增大了接触面积，使得接触和抓取过程更加可靠，并且还能够获取更多的力学信息；弹性夹层(2)的下面是磁敏阵列(3)，阵列中的磁敏单元(5)是采用刚性的硅材料制作而成的磁敏二极管或磁敏三极管，用来检测磁敏阵列(3)表面附近的磁场强度分布，同霍尔元件相比，磁敏二极管和磁敏三极管具有较高的灵敏度，其制作工艺与集成电路工艺兼容，集成度较高，能实现较高的触觉空间分辨率；玻璃衬底(4)是一种与硅的热膨胀系数非常接近的硼硅玻璃材料，位于传感器探头的最底层，主要起支撑、隔热、绝缘作用；玻璃衬底(4)通过静电封接技术键合在磁敏阵列(3)的背面，弹性夹层(2)和磁性橡胶(1)则通过微组装技术依次安装在磁敏阵列(3)的正面，磁性橡胶(1)工作面或弹性夹层(2)一旦损伤或失去弹性，可仅对这两部分单独进行拆卸更换，不用更换磁敏阵列(3)，但更换磁性橡胶(1)或弹性夹层(2)后需要重新对磁敏阵列(3)的输出信号进行标定；所述的柔性触觉传感器第二部分信号处理电路主要包括电流放大电路、开关选通电路、A/D和D/A转换电路、信号比较电路、单片机、存储器、显示电路、电源，各电路之间的结构连接关系是：传感器探头阵列中的磁敏二极管或磁敏三极管信号输出，连接到信号处理电路中的电流放大电路，信号经该电路放大后输出连接到带有开关选通电路的A/D转换电路和信号比较电路，将放大后的信号转换为数字量，并输出连接到单片机、存储器、显示电路，由单片机进行处理，完成磁敏单元(5)输出信号的采集和解释，并可通过显示电路显示、D/A转换电路输出连接和存入存储器；传感器探头磁敏阵列(3)中的每个磁敏单元(5)都通过上述方式连接信号处理电路，各个磁敏单元(5)通过开关选通电路进行选择，依次对磁敏阵列(3)中的每个磁敏单元(5)的输出信号进行处理，信号处理电路中的所有电路和元件都通过电源供电和导线连接，传感器探头和信号处理电路连接组装在一起。