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揭秘他山科技机器人触摸传感器技术

他山科技发明的电容式触摸传感器，借助多功能层可以完整实现触摸传感器的全部功能要求，完整实现接触觉功能要求，有效提高了三维力测量抗干扰能力，有效地避免了相邻传感器单元的串扰问题。集微网消息，近年来，智能机器人在工业领域已经发展到大规模实用阶段，智能机器人与外部世界的交互作用需要模仿人类的各种感官功能的智能传感器，主要包括：视觉传感器、听觉传感器、触觉传感器和嗅觉传感器。到目前为止，视觉传感器和听觉传感器已经发展成熟并广泛地应用在工业机器人领域。但随着智能机器人向人类活动的各个领域深入扩展，特别是农业机器人、家庭服务机器人、医疗服务机器人和酒店餐饮业服务机器人等领域，需要机器人能够完成更加灵活、复杂的动作，同时由于这些领域的机器人需要与人类做更加密切的接触，必须保证机器人与人类接触的安全性和舒适性。因此，具有类似人类触觉功能的高度敏感的触觉传感器就显得越来越重要。世界各国均对仿生触觉传感器开展了广泛的研究，智能触觉传感器应具备以下基本功能： 1）接触觉：当智能机器人的肢体即将或刚刚接触外部物体时，应能对即将或刚刚接触的外部物体进行大致的分类并判断即将接近的外部物体的速度和距离； 2）压觉和滑动觉：当智能机器人的肢体接触到外部物体后，应能感知其施加的三维压力的大小和方向，以便智能机器人能将其施加于外部物体的三维压力控制在适合的范围； 3）温湿度觉：当智能机器人的肢体接近或接触到外部物体时应能感知外部环境和外部物体的温度，以便智能机器人保护智能机器人自身的肢体不受到高温或低温的损坏，同时保护其服务对象不受到高温或低温的伤害除上述基本功能外，由于仿生机器人的全部肢体需要大面积覆盖具有大量触摸传感器的仿生皮肤，因此，智能触摸传感器还需要符合小型化、低功耗、便于形成传感器矩阵的要求。针对以上需求，他山科技在18年1月31日申请了一项名为“一种电容式触摸传感器、电子皮肤和智能机器人”的发明专利（申请号：201810093946.5），申请人为北京他山科技有限公司。根据目前该专利公开的专利资料，让我们一起来看看这项机器人触摸传感器技术吧。如上图所示为电容式触摸传感器的外观结构图，触摸传感器包括多个传感器单元，每个传感器单元包括4个多功能层包含的区域，4个多功能层两两相对布置，可以以两对中心连接线的交点为圆心，按任意角度布置。如上图所示为传感器单元的分层图，每个多功能层包含对应的区域包括与多功能层对应的上部11和底部，上部由柔性导电材料构成，柔性导电材料的外部设置有由柔性绝缘材料构成的保护层12，底部包括多层PCB板，PCB板下面设置有柔性绝缘层17，柔性绝缘层下面设置有由模拟开关控制的接地屏蔽层18，由模拟开关控制的接地屏蔽层下面设置有绝缘保护层19。第一层PCB板14上设置有与每个多功能层对应的环状电极141，第二层PCB板15上设置有圆形电极151，圆形电极上设置有过孔152，过孔用于连接环状电极与圆形电极，以形成独立的导电区域。由柔性导电材料组成的上部与第二层PCB板形成完整的多功能层，由于单层PCB板的厚度只有0.025mm，因此能完全满足多功能层作为屏蔽层功能的需要。触摸传感器单元的电子器件布置在第三层PCB板16的下表面162上，第三层PCB板的上表面161和下表面用于电子电路布线。在每一个多功能层对应的区域内部填充柔性绝缘材料13，柔性绝缘材料使上下两层电极以及多功能层之间相互绝缘。那么根据上述的这种结构，传感器是如何来进行物体探测以及判断物体类别以及物体的接近程度的呢，主要是根据外部物体进入电容电场线分布区域时的电场线分布来确定？如上图所示为外部物体未进入电容C1和C2电场线分布区域时的电场线分布图，4个多功能层中，第一多功能层与第三多功能层构成电容C1，第二多功能层与第四多功能层构成电容C2，图中长虚线表示电容C1的电场分布，短虚线表示电容C2的电场分布，第一多功能层与第三多功能层高于第二多功能层与第四多功能层，且第一多功能层与第三多功能层的中心距大于第二多功能层与第四多功能层。如此设置，使得电容C1的电场线分布区域高于电容C2的电场线分布区域，当外部物体5未进入电容C1和电容C2的电场线分布区域时，电容C1和电容C2的电场线分布区域的介质均为空气，电容C1和电容C2的电容值会随环境温度和湿度变化等比例变化，这个等比变化的特性可以用数字差分算法消除环境温度、湿度变化的影响。当外部物体5进入C1和C2的电场线分布区域时，C1和C2的电容量的变化量同时与物体的介电常数成正比，依据C1和C2的变化量和变化时间的关系可以算出外部物体的介电常数和接近距离、速度，从而实现对外部物体的分类识别和接近程度判别功能。在该专利提供的触摸传感器相关内容中，当多个触摸传感器单元形成传感器矩阵时(用于智能仿生皮肤)，通过模拟开关和总线同步控制，可以实现分区域屏蔽式传感器矩阵扫描功能，以避免矩阵扫描时，相邻传感器单元的相互串扰。该专利发明的分区域屏蔽式传感器矩阵如上图所示，SPI总线通过地址位选择测量状态的传感器单元标记为O，未指定地址位的传感器单元标记为X接地屏蔽，因此不会对被选中的传感器单元造成串扰。被选中的传感器单元，其4个多功能层形成2个电容，用来实现触觉的功能，其激励信号来自与该传感器单元的内部。当传感器单元作为接地屏蔽单元吋，其4个多功能层同时接地，屏蔽区域的大小即被接地屏蔽的单元数可以根据实际需要选择。当传感器单元作为接地屏蔽单元时，其多功能层暂时丧失了接触觉的功能，但每个多功能层内部用于三维力测量的单元仍处于正常工作状态，以保证其仍具有压觉和滑觉功能。由于未被选中的传感器单元的4个多功能层均被接地，因而不会对相邻的被选中单元造成串扰。以上就是他山科技发明的电容式触摸传感器，借助多功能层可以完整实现触摸传感器的全部功能要求：完整实现接触觉功能要求；有效提高了三维力测量抗干扰能力；有效地避免了相邻传感器单元的串扰问题。从而让拥有此触摸传感器的机器人可以完成非常精密的任务！

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