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揭秘他山科技機器人觸摸傳感器技術

他山科技發明的電容式觸摸傳感器，借助多功能層可以完整實現觸摸傳感器的全部功能要求，完整實現接觸覺功能要求，有效提高了三維力測量抗干擾能力，有效地避免了相鄰傳感器單元的串擾問題。集微網消息，近年來，智能機器人在工業領域已經發展到大規模實用階段，智能機器人與外部世界的交互作用需要模仿人類的各種感官功能的智能傳感器，主要包括：視覺傳感器、聽覺傳感器、觸覺傳感器和嗅覺傳感器。到目前為止，視覺傳感器和聽覺傳感器已經發展成熟并廣泛地應用在工業機器人領域。但隨著智能機器人向人類活動的各個領域深入擴展，特別是農業機器人、家庭服務機器人、醫療服務機器人和酒店餐飲業服務機器人等領域，需要機器人能夠完成更加靈活、復雜的動作，同時由于這些領域的機器人需要與人類做更加密切的接觸，必須保證機器人與人類接觸的安全性和舒適性。因此，具有類似人類觸覺功能的高度敏感的觸覺傳感器就顯得越來越重要。世界各國均對仿生觸覺傳感器開展了廣泛的研究，智能觸覺傳感器應具備以下基本功能： 1）接觸覺：當智能機器人的肢體即將或剛剛接觸外部物體時，應能對即將或剛剛接觸的外部物體進行大致的分類并判斷即將接近的外部物體的速度和距離； 2）壓覺和滑動覺：當智能機器人的肢體接觸到外部物體后，應能感知其施加的三維壓力的大小和方向，以便智能機器人能將其施加于外部物體的三維壓力控制在適合的范圍； 3）溫濕度覺：當智能機器人的肢體接近或接觸到外部物體時應能感知外部環境和外部物體的溫度，以便智能機器人保護智能機器人自身的肢體不受到高溫或低溫的損壞，同時保護其服務對象不受到高溫或低溫的傷害除上述基本功能外，由于仿生機器人的全部肢體需要大面積覆蓋具有大量觸摸傳感器的仿生皮膚，因此，智能觸摸傳感器還需要符合小型化、低功耗、便于形成傳感器矩陣的要求。針對以上需求，他山科技在18年1月31日申請了一項名為“一種電容式觸摸傳感器、電子皮膚和智能機器人”的發明專利（申請號：201810093946.5），申請人為北京他山科技有限公司。根據目前該專利公開的專利資料，讓我們一起來看看這項機器人觸摸傳感器技術吧。如上圖所示為電容式觸摸傳感器的外觀結構圖，觸摸傳感器包括多個傳感器單元，每個傳感器單元包括4個多功能層包含的區域，4個多功能層兩兩相對布置，可以以兩對中心連接線的交點為圓心，按任意角度布置。如上圖所示為傳感器單元的分層圖，每個多功能層包含對應的區域包括與多功能層對應的上部11和底部，上部由柔性導電材料構成，柔性導電材料的外部設置有由柔性絕緣材料構成的保護層12，底部包括多層PCB板，PCB板下面設置有柔性絕緣層17，柔性絕緣層下面設置有由模擬開關控制的接地屏蔽層18，由模擬開關控制的接地屏蔽層下面設置有絕緣保護層19。第一層PCB板14上設置有與每個多功能層對應的環狀電極141，第二層PCB板15上設置有圓形電極151，圓形電極上設置有過孔152，過孔用于連接環狀電極與圓形電極，以形成獨立的導電區域。由柔性導電材料組成的上部與第二層PCB板形成完整的多功能層，由于單層PCB板的厚度只有0.025mm，因此能完全滿足多功能層作為屏蔽層功能的需要。觸摸傳感器單元的電子器件布置在第三層PCB板16的下表面162上，第三層PCB板的上表面161和下表面用于電子電路布線。在每一個多功能層對應的區域內部填充柔性絕緣材料13，柔性絕緣材料使上下兩層電極以及多功能層之間相互絕緣。那么根據上述的這種結構，傳感器是如何來進行物體探測以及判斷物體類別以及物體的接近程度的呢，主要是根據外部物體進入電容電場線分布區域時的電場線分布來確定？如上圖所示為外部物體未進入電容C1和C2電場線分布區域時的電場線分布圖，4個多功能層中，第一多功能層與第三多功能層構成電容C1，第二多功能層與第四多功能層構成電容C2，圖中長虛線表示電容C1的電場分布，短虛線表示電容C2的電場分布，第一多功能層與第三多功能層高于第二多功能層與第四多功能層，且第一多功能層與第三多功能層的中心距大于第二多功能層與第四多功能層。如此設置，使得電容C1的電場線分布區域高于電容C2的電場線分布區域，當外部物體5未進入電容C1和電容C2的電場線分布區域時，電容C1和電容C2的電場線分布區域的介質均為空氣，電容C1和電容C2的電容值會隨環境溫度和濕度變化等比例變化，這個等比變化的特性可以用數字差分算法消除環境溫度、濕度變化的影響。當外部物體5進入C1和C2的電場線分布區域時，C1和C2的電容量的變化量同時與物體的介電常數成正比，依據C1和C2的變化量和變化時間的關系可以算出外部物體的介電常數和接近距離、速度，從而實現對外部物體的分類識別和接近程度判別功能。在該專利提供的觸摸傳感器相關內容中，當多個觸摸傳感器單元形成傳感器矩陣時(用于智能仿生皮膚)，通過模擬開關和總線同步控制，可以實現分區域屏蔽式傳感器矩陣掃描功能，以避免矩陣掃描時，相鄰傳感器單元的相互串擾。該專利發明的分區域屏蔽式傳感器矩陣如上圖所示，SPI總線通過地址位選擇測量狀態的傳感器單元標記為O，未指定地址位的傳感器單元標記為X接地屏蔽，因此不會對被選中的傳感器單元造成串擾。被選中的傳感器單元，其4個多功能層形成2個電容，用來實現觸覺的功能，其激勵信號來自與該傳感器單元的內部。當傳感器單元作為接地屏蔽單元吋，其4個多功能層同時接地，屏蔽區域的大小即被接地屏蔽的單元數可以根據實際需要選擇。當傳感器單元作為接地屏蔽單元時，其多功能層暫時喪失了接觸覺的功能，但每個多功能層內部用于三維力測量的單元仍處于正常工作狀態，以保證其仍具有壓覺和滑覺功能。由于未被選中的傳感器單元的4個多功能層均被接地，因而不會對相鄰的被選中單元造成串擾。以上就是他山科技發明的電容式觸摸傳感器，借助多功能層可以完整實現觸摸傳感器的全部功能要求：完整實現接觸覺功能要求；有效提高了三維力測量抗干擾能力；有效地避免了相鄰傳感器單元的串擾問題。從而讓擁有此觸摸傳感器的機器人可以完成非常精密的任務！

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