专利名称：三维柔性触觉传感器及其解耦方法
技术领域：
本发明涉及一种触觉传感器及解耦方法，尤其是一种三维柔性触觉传感器及其解
耦方法。
背景技术：
触觉传感器对机器人特别是服务机器人和仿生机器人的研发和应用是非常重要的，它可使机器人既能敏感准确地感知外部环境，又能灵活自如地运动，实现与人安全自然的接触交互。不仅如此，触觉传感器在体育训练、康复医疗等很多方面都具有广泛的应用。为此，人们为了获得性能优异的触觉传感器，做出了不懈的努力，如在1987年4月14日公开的日本发明专利申请公开说明书JP 62080528A中披露的一种"基于压敏导电橡胶的分布型触觉传感器"。它意欲提供一种能够测量连续力的触觉传感器。该传感器的结构为两片材料相同的有机薄膜上分别按相同的排列方式粘贴有等间距设置的多只电极，两片有机薄膜间置有导电橡胶，上下两层有机薄膜上的多只电极分别与导电橡胶的上下表面接触，且上下表面的多只电极均两两垂直正对，其中，上表面的电极通过上层导线连接后按行排列，下表面的电极通过下层导线连接后按列排列，即上下层面的导线是垂直正交的。当传感器表面受到压力时，上下正对着的两个电极间的导电橡胶的阻值会发生相应的变化，通过行列扫描的方式可得到各个受力点的受力信息。但是，这种触觉传感器存在着不足之处，首先，只能测得垂直于传感器表面的力的大小，也即仅能测量单维力，而不能同时检测出三维力的信息，制约了其的应用范围；其次，结构松散，制作工艺要求高，难以工业化生产。

发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种能同时检测出三维力的大小，且结构紧凑，使用方便的三维柔性触觉传感器。 本发明要解决的另一个技术问题为提供一种三维柔性触觉传感器的解耦方法。 为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为三维柔性触觉传感器包括层面
间相互平行的等间距设置的第一层导线和第二层导线，以及第一层导线和第二层导线上分
别等间距电连接的多只第一层电极和第二层电极，所述第一层导线与第二层导线垂直排
列，所述第一层导线、第二层导线、第一层电极和第二层电极间置有导电橡胶，特别是 所述第二层导线之下置有等间距设置的第三层导线，所述第三层导线的层面与第
二层导线的层面平行，且与所述第一层导线平行排列，其上等间距电连接多只第三层电极，
所述第三层导线、第三层电极与所述第二层导线、第二层电极间置有导电橡胶； 所述每只第一层电极的投影均位于所述四只第二层电极构成的方形的中心，且同
时位于所述四只第三层电极构成的方形的中心； 所述第一层导线、第二层导线和第三层导线均为其外表面裹覆有绝缘层的绝缘导线。 作为三维柔性触觉传感器的进一步改进，所述的第一层电极相互间的间距与第一层导线相互间的间距相同；所述的第二层电极相互间的间距与第二层导线相互间的间距相
同；所述的第三层电极相互间的间距与第三层导线相互间的间距相同；所述的第二层导线
和第三层导线间的层间间距与第一层导线和第二层导线间的层间间距相同。 为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为三维柔性触觉传
感器的解耦方法包括自导线上采集信号和结合导电橡胶的状态方程Fi = f (Ai)得到力&
的大小，公式中的函数f由导电橡胶的性质决定，A i为i方向上的位移，i为x或y或z，
特别是解耦方法包含以下步骤 步骤l，选定第一层导线，以其为基点， 先检测所有第二层导线与其之间的电阻值，由电阻值的变化得到受力点位于该第一层导线上的轴向位置，以及垂直于第一层导线层的力Fz的大小和平行于第一层导线轴向的力Fx的大小， 再检测与该第一层导线相平行且间距最小的两根第三层导线与其之间的电阻值，由电阻值的变化得到垂直于第一层导线轴向的力Fy的大小；
步骤2，依次选择下一第一层导线，重复步骤l，直至选完。 作为三维柔性触觉传感器的解耦方法的进一步改进，所述的力Fz的确定为相邻两根第二层导线与第一层导线间的电阻值的变化相同；所述的力Fx的确定为相邻两根第二层导线与第一层导线间的电阻值的变化相反；所述的力Fy的确定为相邻两根第三层导线与第一层导线间的电阻值的变化相反。 相对于现有技术的有益效果是，其一，采用层面间相互平行的三层绝缘导线，三层绝缘导线中的第二层导线与第一层导线垂直排列，第三层导线与第一层导线平行排列，每层导线上分别等间距的电连接多只相应层的电极，且使每只第一层电极的投影均位于四只第二层电极构成的方形的中心，并同时位于四只第三层电极构成的方形的中心，上述各层导线和电极间均置有导电橡胶的结构，使传感器既能同时检测出三维力的大小，又具有柔韧性极好的特点，使其有着类似人的皮肤的特性，还能连续地进行空间三维力的测量，极大地提升了传感器使用的性能和拓展了其应用的范围；其二，由于各层导线和电极间的导电橡胶采用的是整体注射成型工艺来使其定位和定型的，故传感器的结构紧凑，整体性强，从而使其工作稳定，使用方便，适应性好，适用的范围广。传感器不仅制作工艺简单，易于工业化生产，还利于其的商业化应用；其三，解耦采用由行列扫描获得第一层各行与第二层各列以及第一层各行与第三层各行间的电阻值变化，来得到受力点的位置，以及垂直于第一层导线层的力Fz的大小、平行于和垂直于第一层导线轴向的力Fx和Fy的大小的方法，既科学，又简便，还快捷和高效。 作为有益效果的进一步体现，一是每层电极相互间的间距优选与每层导线相互间的间距相同，以及每层导线的层间间距相同的结构，除使制作工艺更简便之外，还便于行列扫描信息的处理；二是力Fz的确定优选为相邻两根第二层导线与第一层导线间的电阻值的变化相同，力Fx的确定优选为相邻两根第二层导线与第一层导线间的电阻值的变化相反，力Fy的确定优选为相邻两根第三层导线与第一层导线间的电阻值的变化相反，既有针对性，又简单方便。


下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
图1是本发明的传感器的一种基本结构示意 图2是本发明的传感器感受来自Z方向力时的受力分析示意 图3是本发明的传感器感受来自X方向力时的受力分析示意 图4是本发明的传感器感受来自Y方向力时的受力分析示意图。
具体实施例方式
参见图1，三维柔性触觉传感器由层面间相互平行的、且导线间等间距设置的第一层导线1、第二层导线3和第三层导线5，以及第一层导线1、第二层导线3和第三层导线5上分别等间距电连接的多只第一层电极2、第二层电极4和第三层电极6构成。其中，第二层导线3与第一层导线1垂直排列，第三层导线5与第一层导线1平行排列。每只第一层电极2的投影均位于四只第二层电极4构成的方形的中心，且同时位于四只第三层电极6构成的方形的中心。第一层电极2相互间的间距与第一层导线l相互间的间距相同，第二层电极4相互间的间距与第二层导线3相互间的间距相同，第三层电极6相互间的间距与第三层导线5相互间的间距相同，第二层导线3和第三层导线5间的层间间距与第一层导线1和第二层导线3间的层间间距相同。上述第一层导线1、第一层电极2、第二层导线3、第二层电极4、第三层导线5和第三层电极6间均置有导电橡胶7，第一层导线1、第二层导线3和第三层导线5均为其外表面裹覆有绝缘层的绝缘导线。 三维柔性触觉传感器在使用的过程中，当其对外受力时，其所受到的力是由三个不同方向，即z方向、x方向和y方向上的力合并而成的，该合力使受力点处的导电橡胶7因受挤压而变形，从而使位于受力点处的第一层电极2与第二层电极4、第三层电极6间的电阻值发生变化。变化着的电阻值由行列扫描获得后，再结合导电橡胶的状态方程Fi =f (Ai)得到力&的大小，公式中的函数f由导电橡胶的性质决定，Ai为i方向上的位移，i为x或y或z。参见图2、图3和图4，图2中的Fz为垂直于第一层导线1层面方向上的力，也即z方向上的力，Az为第一层电极2在垂直于第一层导线1层面方向上的位移；图3中的Fx为平行于第一层导线1轴向上的力，也即x方向上的力，Ax为第一层电极2在平行于第一层导线1轴向上的位移；图4中的Fy为垂直于第一层导线1轴向上的力，也即y方向上的力，Ay为第一层电极2在垂直于第一层导线1轴向上的位移。
三维柔性触觉传感器的解耦方法的具体工作步骤为 步骤l，先选定第一层导线1中的某条导线，再以选定的该条导线为基点。然后，先检测所有第二层导线3与该条导线之间的电阻值，由电阻值的变化得到受力点位于该条导线上的轴向位置，以及垂直于该条导线层的力Fz的大小(参见图2)和平行于该条导线轴向的力Fx的大小(参见图3);其中，力Fz的确定为相邻两根第二层导线3与该条导线间的电阻值的变化相同，力Fx的确定为相邻两根第二层导线3与该条导线间的电阻值的变化相反。之后，再检测与该条导线相平行且间距最小的两根第三层导线5与其之间的电阻值，由电阻值的变化得到垂直于该条导线轴向的力Fy的大小(参见图4);其中，力Fy的确定为相邻两根第三层导线5与该条导线间的电阻值的变化相反。 步骤2，依次选择下一第一层导线l，即依次选择该条导线的下一第一层导线1中
5的导线，重复步骤l，直至选完，即可连续地测得三维力的信息。 显然，本领域的技术人员可以对本发明的三维柔性触觉传感器及其解耦方法进行 各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属 于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
一种三维柔性触觉传感器，包括层面间相互平行的等间距设置的第一层导线(1)和第二层导线(3)，以及第一层导线(1)和第二层导线(3)上分别等间距电连接的多只第一层电极(2)和第二层电极(4)，所述第一层导线(1)与第二层导线(3)垂直排列，所述第一层导线(1)、第二层导线(3)、第一层电极(2)和第二层电极(4)间置有导电橡胶(7)，其特征在于所述第二层导线(3)之下置有等间距设置的第三层导线(5)，所述第三层导线(5)的层面与第二层导线(3)的层面平行，且与所述第一层导线(1)平行排列，其上等间距电连接多只第三层电极(6)，所述第三层导线(5)、第三层电极(6)与所述第二层导线(3)、第二层电极(4)间置有导电橡胶(7)；所述每只第一层电极(2)的投影均位于所述四只第二层电极(4)构成的方形的中心，且同时位于所述四只第三层电极(6)构成的方形的中心；所述第一层导线(1)、第二层导线(3)和第三层导线(5)均为其外表面裹覆有绝缘层的绝缘导线。
2. 根据权利要求l所述的三维柔性触觉传感器，其特征是第一层电极(2)相互间的间 距与第一层导线(1)相互间的间距相同。
3.根据权利要求2所述的三维柔性触觉传感器，其特征是第二层电极(4)相互间的间距 与第二层导线(3)相互间的间距相同。
4. 根据权利要求3所述的三维柔性触觉传感器，其特征是第三层电极(6)相互间的间 距与第三层导线(5)相互间的间距相同。
5. 根据权利要求4所述的三维柔性触觉传感器，其特征是第二层导线(3)和第三层导 线(5)间的层间间距与第一层导线(1)和第二层导线(3)间的层间间距相同。
6. —种权利要求1所述三维柔性触觉传感器的解耦方法，包括自导线上采集信号和结 合导电橡胶的状态方程Fi = f (Ai)得到力&的大小，公式中的函数f由导电橡胶的性质 决定，A i为i方向上的位移，i为x或y或z，其特征在于解耦方法包含以下步骤步骤l，选定第一层导线，以其为基点，先检测所有第二层导线与其之间的电阻值，由电阻值的变化得到受力点位于该第一层 导线上的轴向位置，以及垂直于第一层导线层的力Fz的大小和平行于第一层导线轴向的 力Fx的大小，再检测与该第一层导线相平行且间距最小的两根第三层导线与其之间的电阻值，由电 阻值的变化得到垂直于第一层导线轴向的力Fy的大小；步骤2，依次选择下一第一层导线，重复步骤l，直至选完。
7. 根据权利要求6所述的三维柔性触觉传感器的解耦方法，其特征是力Fz的确定为相 邻两根第二层导线与第一层导线间的电阻值的变化相同。
8. 根据权利要求6所述的三维柔性触觉传感器的解耦方法，其特征是力Fx的确定为相 邻两根第二层导线与第一层导线间的电阻值的变化相反。
9. 根据权利要求6所述的三维柔性触觉传感器的解耦方法，其特征是力Fy的确定为相邻两根第三层导线与第一层导线间的电阻值的变化相反。
全文摘要
本发明公开了一种三维柔性触觉传感器及其解耦方法。传感器包括层面间平行的三层绝缘导线，导线中的第二层导线(3)和第三层导线(5)分别与第一层导线(1)垂直和平行排列，每层导线上分别等间距电连接多只相应层的电极，且每只第一层电极(2)的投影均位于四只第二层电极(4)构成的方形的中心，并同时位于四只第三层电极(6)构成的方形的中心，上述各层导线和电极间置有导电橡胶(7)；方法为由行列扫描获得第一层各行与第二层各列以及第一层各行与第三层各行间的电阻值变化来得到受力点的位置，以及垂直于第一层导线(1)层的力Fz的大小、平行于和垂直于第一层导线(1)轴向的力Fx和Fy的大小。它可广泛地用于检测三维力的大小。
文档编号G01L1/20GK101738275SQ20081023414
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月4日 优先权日2008年11月4日
发明者丁俊香, 孙玉苹, 宋全军, 徐菲, 王以俊, 葛运建, 郝传光, 黄英 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院