用于同时传感接触力和横向应变的系统和方法技术方案

一种触觉传感系统，具有传感器组件和检测单元，传感器组件包括沿着法向轴Z堆叠的多个层，检测单元电连接到传感器组件，其中，传感器组件包括设计为压阻层的第一层、设计为电连接到检测单元的导电层的第三层，以及设计为第一层与第三层之间的间隔层的第二层，其中，第一层包括电连接到检测单元的多个电极，其中，由于第一层与第三层之间的电流分布的变化，检测单元可检测传感器组件上沿着法向轴Z的至少一个接触力，其中，由于压阻第一层中的电阻分布变化的变化，检测单元可检测传感器组件上的至少一个横向应变。少一个横向应变。少一个横向应变。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于同时传感接触力和横向应变的系统和方法


[0001]本专利技术涉及一种触觉传感系统，具有传感器组件和控制单元，传感器组件包括沿着法向轴Z堆叠的多个层，控制单元电连接到传感器组件。本专利技术还涉及一种操作触觉传感系统的方法。

技术介绍

[0002]这样的触觉传感系统可以被简化为类似人类的电子皮肤，其是自主系统的基本组件，因为在许多应用中物理接触的处理变得至关重要。尽管已经为机器人手和手指开发了许多触觉传感器，但是当前的自主系统仍然缺乏可以覆盖机器人的大曲面的触觉传感器。机器人需要有良好的触觉，以便在混乱的日常环境中工作，这些环境通常是非结构化的。机器人系统需要触觉传感器，这些触觉传感器能够测量它们与人类、其他机器人和无生命对象的有意和无意接触，以及机器人自身身体部位的变形，诸如软关节的弯曲。由于外部物理接触和内部变形可能发生在任何位置，所以这些触觉传感器需要覆盖机器人的所有暴露表面，而不仅仅是手。
[0003]与人类皮肤类似，触觉传感器的规格很大程度上取决于它将安装在机器人身体的哪个部位。例如，机器人手指上的触觉传感器需要对对象识别、抓取和操纵的法向力和剪切力具有高空间分辨率和灵敏度。相比之下，机器人手臂表面上的触觉传感器需要大面积覆盖、机械顺从性、可制造性、对外部接触的敏感性、物理鲁棒性和可靠性。大多数现有的触觉传感方法是为指尖设计的，并且因此不太适合全身触觉传感的独特目标。
[0004]柔软且可拉伸的全身触觉传感器还没有实现，主要是由于电气布线问题，这需要与分布在整个柔性衬底上的大量传感换能器进行可靠的连接。此外，为了构建大规模触觉传感器，重构方法通常与电阻测量、光学相机、磁力计和加速度计一起使用。在这些方法中，电阻重构在许多实际方面是有利的，诸如可制造性、耐久性和可修复性。迄今为止，基于电阻重构的触觉传感器仅测量表面法向压力。然而，当触觉传感器安装在非刚性表面上时，它们本身会变形。在继续检测表面法向压力时，估计触觉传感器的这种自变形是重要的。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种克服上述挑战的触觉传感系统。
[0006]该问题通过触觉传感系统来解决，该触觉传感系统具有传感器组件和检测单元，传感器组件包括沿着法向轴Z堆叠的多个层，检测单元电连接到传感器组件，其中，传感器组件包括设计为压阻层或应变敏感层的第一层、设计为电连接到检测单元的导电层或电极层的第三层，以及设计为第一层与第三层之间的间隔层的第二层，其中，第一层包括电连接到检测单元的多个电极，其中，由于第一层与第三层之间的电流分布的变化，检测单元可检测传感器组件上沿着法向轴Z的至少一个接触力，其中，由于压阻第一层中的电阻分布变化的变化，检测单元可检测传感器组件上的至少一个横向应变。
[0007]触觉传感系统优选是叠层。这些层沿着法向轴Z堆叠，并且平行于包括长度轴X和
宽度轴Y的第一平面延伸。第二层沿着法向轴Z布置在第一层上方。第三层沿着第二层上方的法向轴Z布置。
[0008]因此，触觉传感系统可以检测沿着法向轴Z的至少一个接触力和至少一个横向应变。应该理解，至少一个接触力可以完全平行于法向轴Z作用，或至少一个接触力可以仅具有沿着法向轴Z作用的分量。至少一个横向应变可以优选地由传感器组件的横向拉伸力引入，拉伸力优选沿着拉伸方向作用，该拉伸方向具有沿着长度轴X和/或宽度轴Y的至少一个分量。替代地或此外，至少一个横向应变可以优选由弯曲力引入，通过该弯曲力，传感器组件、叠层和第一层弯曲出第一平面。
[0009]优选地，检测单元应用电阻重构方法，该方法允许同时检测传感器组件上沿着法向轴Z的至少一个接触力和传感器组件上的至少一个横向应变。根据本专利技术，第一层是压阻层。因此，电阻率的变化是由于施加了引起横向应变的机械力/扭矩而引起的。优选地，电阻率的变化可以由检测单元检测。
[0010]根据优选实施例，传感器组件包括第一层、第二层和第三层的附加层。可以设想，在第三层上方沿着法向轴Z布置至少一个附加层。还可以设想，在第一层下面沿着法向轴Z布置至少一个附加层。此外，可以设想，在第一层与第二层之间布置至少一个另外的层。此外，可以设想，在第二层与第三层之间布置至少一个另外的层。
[0011]优选地，传感器组件的厚度在几微米与几厘米之间的范围内。这些层优选由柔性和/或柔软的材料组成。因此，整个传感器组件优选是柔性的和/或柔软的。
[0012]根据优选实施例，第一层包括具有压阻性质的子层，其中，子层包括导电织物和/或导电油墨和/或碳和/或碳纳米管和/或石墨烯和/或固有导电聚合物(PEDOT、PSS、聚吡咯等)。优选地，子层也可以是至少两种所述材料的组合。优选地，第一层的多个电极电连接到所述子层。
[0013]根据另一优选实施例，子层的电导率小于多个电极的电导率。因此，考虑到多个电极，子层具有高电阻。优选地，子层由高电阻织物或高电阻纺织品组成。有利地，高电阻织物层由至少一种导电纱线编织或针织而成，并且包括预定的织物结构。有利地，由横向应变引起的纺织品结构的变化导致子层电阻的变化。优选地，所述电阻变化可以由检测单元通过多个电极来检测。
[0014]根据另一优选实施例，多个电极以网格结构布置在子层上。优选地，网格结构根据二维Bravais晶格形成。在二维空间中，有5种Bravais晶格：斜晶格(单斜晶格)、矩形晶格(正交晶格)、中心矩形晶格(正交晶格)、六边形晶格和正方形晶格(四方晶格)。还可以设想应用不同的网格结构。
[0015]根据另一优选实施例，第三层由导电织物或导电纺织品制成。优选地，第三层的电导率大于第一层的电导率或第一层的子层的电导率。第三层也可以称为电极层。
[0016]根据另一优选实施例，第二层可沿着法向轴Z变形。优选地，沿着法向轴Z的至少一个接触力引起至少一种变形。有利地，沿着法向轴Z的至少一个接触力作用在第二层的至少一个接触区域上。因此，至少一个接触力通过优选柔性的第三层传递，并且如果存在的话，通过第三层顶部的另外的层传递。至少一个接触区域位于平行于第一平面延伸的第二区域的表面上。该至少一种变形的形状取决于该至少一个接触力的形状，该至少一个接触力基本上沿着法向轴Z延伸。优选地，由于所述至少一种变形，第一层与第三层之间沿着法向轴Z
的至少一个距离至少在该至少一个接触区域内减小。优选地，所述至少一种变形和/或沿着第一层与第三层之间的法向轴Z的至少一个减小的距离导致第一层与第三层之间的电导率增加，这基本上被限制在沿着长度轴X和宽度轴Y的至少一个接触区域的范围内。
[0017]有利地，第二层包括关于沿着法向轴Z的至少一个接触力的压阻特性。因此，在第二层的变形状态下，第一层与第二层之间的电流是可能的和/或增加的或显著增加的。有利地，所述电流在第二层的变形接触区域内流动。替代地或此外，在第一层与第三层之间基本上在接触区域内建立隧穿电流。
[0018]优选地，在没有施加沿着法向轴Z的接触力的状态下，第一层与第三层之间的电导率非常低。优选地，在未变形状态下，第二层相对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种触觉传感系统(1)，具有传感器组件(2)和检测单元(3)，所述传感器组件(2)包括沿着法向轴Z堆叠的多个层(4，5，6)，所述检测单元(3)电连接到所述传感器组件(2)，其特征在于：传感器组件(2)包括设计为压阻层的第一层(4)、设计为电连接到所述检测单元(2)的导电层的第三层(6)，以及设计为所述第一层(4)与所述第三层(6)之间的间隔层的第二层(5)，其中，所述第一层(4)包括电连接到所述检测单元(3)的多个电极(7)，其中，由于所述第一层(4)与所述第三层(6)之间的电流分布的变化，所述检测单元(3)可检测所述传感器组件(2)上沿着所述法向轴Z的至少一个接触力(10)，其中，由于所述压阻第一层(4)中的所述电阻分布变化的变化，所述检测单元(3)可检测所述传感器组件(2)上的至少一个横向应变(11)。2.根据权利要求1所述的触觉传感系统(1)，其中，所述第一层(4)包括具有压阻性质的子层(4a)，其中，所述子层(8)包括导电织物和/或导电油墨和/或碳和/或碳纳米管和/或石墨烯和/或固有导电聚合物，其中，所述第一层(4)的所述多个电极(7)电连接到所述子层(8)。3.根据权利要求2所述的触觉传感系统(1)，其中，所述子层(8)的电导率小于所述多个电极(7)的电导率，其中，所述子层(8)由高电阻织物或高电阻纺织品组成，其中，所述高电阻织物层由至少一根导电纱线17a、17b编织或针织而成，其中，所述高电阻织物层包括预定的纺织品结构，其中，由横向应变11引起的所述纺织品结构的变化导致所述子层(8)的电阻变化。4.根据上述权利要求中的一项所述的触觉传感系统(1)，其中，所述多个电极(7)仅沿着所述子层(8)的边缘(8a)布置，或所述多个电极(7)以网格结构布置在所述子层(8)上，其中，所述网格结构是二维Bravais晶格的形式。5.根据上述权利要求中的一项所述的触觉传感系统(1)，其中，所述第三层(6)由导电织物或导电纺织品制成，其中，所述第三层(6)的电导率大于所述第一层(4)的电导率或所述第一层(4)的所述子层(8)的所述电导率。6.根据上述权利要求中的一项所述的触觉传感系统(1)，其中，所述第二层(5)可沿着所述法向轴Z变形，其中，沿着所述法向轴Z的所述至少一个接触力(10)作用在所述第二层(5)的至少一个接触区域(9)上，其中，所述第二层(5)基本上在所述至少一个接触区域(9)内变形，其中，由于所述至少一种变形，所述第一层(4)与所述第三层(6)之间沿着所述法向轴Z的至少一个距离(12)至少在所述至少一个接触区域(9)内减小，其中，所述至少一种变形导致所述第一层(4)与所述第三层(6)之间的电导率增加，这基本上被限制在沿着长度轴X和宽度轴Y的至少一个接触区域(9)范围内，其中，所述第二层(5)包括相对于沿着所述法向轴Z的所述至少一个接触力(10)的压阻特性。7.根据权利要求6所述的触觉传感系统(1)，其中，所述第二层(5)包括多孔结构，特别是导电泡沫和/或压阻材料和/或纳米复合材料和/或隧穿材料。8.根据上述权利要求中的一项所述的触觉传感系统(1)，其中，所述第一层(4)和所述第三层(6)的所述多个电极(7)形成电极组，其中，所述电极组的每个成员电连接到所述检测单元(3)的多路复用器单元(13)，其中，通过所述多路复用器单
元(13)，所述电极组的所述成员的至少一个第一子集可以连接到至少一个电流或电压源(14)，其中，通过所述多路复用器单元(13)，所述电极组的所述成员的至少一个第二子集可以电连接到检测设...

【专利技术属性】
技术研发人员：李孝尚，凯瑟琳，
申请(专利权)人：马克斯普朗克科学促进学会，
类型：发明
国别省市：