本发明专利技术提供一种测量三维接触应力的传感装置，沿信号走向依次包括：信号发生器、传感器、调理电路以及上位机，传感器自下而上依次包括电极基底、叉指电极阵列以及介电层，叉指电极阵列固定于电极基底表面并且紧贴于介电层，叉指电极阵列由若干叉指电极组成，每个叉指电极均包括若干均匀排列的叉指电容单元。本发明专利技术的传感装置结构简单紧凑、可靠性高、成本低廉且易于工业生产，同时有利于微型化、集成化和柔性化。本发明专利技术还提供了一种测量三维接触应力的方法，该方法适用范围广、应用场景多样，为实现机器人柔性抓取、设备可穿戴等应用场景提供新思路。提供新思路。提供新思路。
【技术实现步骤摘要】
一种测量三维接触应力的传感装置及方法
[0001]本专利技术涉及接触应力测量
，更具体地涉及一种测量三维接触应力的传感装置及方法。
技术介绍
[0002]接触应力传感装置作为机器人中模仿触觉功能的传感装置，在与待测物体接触时常常仅能获得垂直于被检测物体表面的接触应力信息，即只能实现待测物体法向维度应力的感知。而在实际的机器人精细抓持、柔性穿戴装置的应用中，通常需要了解接触应力在多维度方向的信息。受限于现有接触应力传感器应力感知维度的限制，接触应力在多维度方向的信息通常需要采用多个应力传感器以同时捕捉各接触应力分量的信息，这对传感器结构、安装位置及接触角度都有很高的要求。此外，对于接触对象为易碎或者是生物体等时，接触应力传感器还需要具备一定的柔性特征。因此，提升接触应力传感装置在接触应力三维方向感知能力，设计新型的传感结构是接触应力传感装置未来发展的核心需求。
[0003]专利CN111751038A公开了一种基于仿生蘑菇结构的高灵敏度电容式柔性三维力接触传感器，采用“蘑菇型”结构，构成四个呈空间立体分布的电容，具有较高的检测灵敏度和响应速度，但是结构复杂，尺寸较大，成本较高，应用范围较窄。专利CN208736580U公开了一种混合式柔性触觉传感器，采用电容式和电阻式互补的结构，利用电阻式结构作为电容式结构的拓展结构，扩大了应力的测量范围。但是该专利技术的传感器叉指电极形式单一、结构较复杂，导致其传感器应用场景单一，不利于微型化。
技术实现思路
[0004]为解决上述现有技术中的问题，本专利技术提供一种测量三维接触应力的传感装置及方法，能够应用于可穿戴、柔性抓取等多种场景，且有利于微型化。
[0005]本专利技术提供的一种测量三维接触应力的传感装置，沿信号走向依次包括：
[0006]信号发生器，生成交变信号；
[0007]传感器，接收由所述信号发生器生成的交变信号并产生电容变化；该传感器自下而上依次包括电极基底、叉指电极阵列以及介电层，所述叉指电极阵列固定于所述电极基底表面并且紧贴于所述介电层，所述叉指电极阵列由若干叉指电极组成，每个叉指电极均包括若干均匀排列的叉指电容单元；
[0008]调理电路，接收由所述传感器产生的电容变化，并将该电容变化输出为电压信息；
[0009]上位机，接收由所述调理电路生成的电压信息，并根据该电压信息获取三维接触应力的信息。
[0010]优选地，所述传感器中的电极基底采用介电常数大于0.8且介电损耗小于0.01的材料。
[0011]进一步地，所述传感器中的若干叉指电容单元通过金属引线彼此连接。
[0012]进一步地，所述叉指电极中相邻的叉指电容单元的方位角存在固定差。
[0013]优选地，所述相邻的叉指电容单元的方位角所存在的固定差为45
°
或90
°
。
[0014]优选地，所述传感器中的介电层采用介电常数大于3.6的弹性材料。
[0015]本专利技术还提供一种测量三维接触应力的方法，包括：
[0016]步骤S1，制备用于测量三维接触应力的传感器，包括：
[0017]步骤S11，提供一电极基底和一介电层；
[0018]步骤S12，在所述电极基底和所述介电层之间设置叉指电极阵列，叉指电极阵列附着在所述电极基底上，并紧贴于所述介电层表面，所述叉指电极阵列由若干叉指电极组成，每个叉指电极均包括若干均匀排列的叉指电容单元；
[0019]步骤S13，根据所述介电层的厚度，设置所述叉指电容单元的叉指宽度、相邻叉指间隔以及叉指长度；
[0020]步骤S2，将一信号发生器接入所述传感器的输入端，所述介电层受到接触应力发生形变，根据步骤S13中设置的叉指宽度、相邻叉指间隔以及叉指长度，计算所述叉指电容单元在介电层变形前后的电容差；
[0021]步骤S3，将所述传感器的输出端接入一调理电路，将所述叉指电容单元在介电层变形前后的电容差转换为电压信号；
[0022]步骤S4，将所述调理电路接入一上位机，上位机将所述电压信号输出为三维接触应力。
[0023]进一步地，所述步骤S2包括：
[0024]步骤S21，构建叉指电极电容量的求解模型，根据该模型获取每个叉指电容单元在介电层变形前的固有电容。
[0025]步骤S22，根据叉指电容单元在介电层变形前的固有电容，获取叉指电容单元在所述传感器中的等效电容。
[0026]步骤S23，计算叉指电极中相邻叉指电容单元之间在介电层变形前后的电容差。
[0027]进一步地，所述步骤S22中的等效电容按照下式计算：
[0028]式中，ε
s
为电极基底层的介电常数，是无量纲的纯数；ε
effect
为介电层的有效介电常数，是无量纲的纯数；C0为叉指电容单元在介电层变形前的固有电容；ε0为真空介电常数，ε0＝8.854
×
10
‑
12
F/m；L为叉指长度，w为叉指宽度，a为叉指间隔宽度，L、w和a的单位均为mm；ε
ij
(i,j＝x,y,z)为介电层单位点在空间各个方向的介电常数，x方向和y方向在同一平面内且相互垂直，二者分别平行于叉指电容单元相邻的两条边，z方向为垂直于x方向和y方向所在平面的方向；θ为叉指电容单元与y方向的夹角。
[0029]进一步地，所述步骤S3中电容差与电压信号的转换关系为：
[0030]式中，比例系数K＝2πf
·
V
in
·
R
f
，f是频率，单位是Hz；V
in
是激励电压，单位是V；R
f
是调理电路的增益，单位是dB；C0是叉指电容单元的固有电容，ν是试样的泊松比，α为应变
‑
介电常数，u是应变量。
[0031]本专利技术提供了一种测量三维接触应力的传感装置，使用高介电弹性材料作为介电层，能够保证三维接触应力测量的可行性与传感装置的高柔弹性，并且结构简单紧凑、可靠性高、成本低廉且易于工业生产，同时有利于微型化、集成化和柔性化。本专利技术还提供了一种测量三维接触应力的方法，求解叉指电容单元在介电层变形前后的电容差，建立该电容差与输出电压的关系，上位机通过电压信息判断出受力信息。本专利技术的方法适用范围广、应用场景多样，为实现机器人柔性抓取、设备可穿戴等应用场景提供了新思路，克服了现有技术中无法测量三维接触应力或三维接触应力测量效果不理想的缺陷。
附图说明
[0032]图1是按照本专利技术的测量三维接触应力的传感装置的结构示意图。
[0033]图2是图1中传感器的结构示意图。
[0034]图3是图2中1
×
2型叉指电极阵列的结构示意图。
[0035]图4是图2中1
×
4型叉指电极阵列的结构示意图。
[0036]图5是图2中64
×
4型叉指电本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种测量三维接触应力的传感装置，其特征在于，沿信号走向依次包括：信号发生器，生成交变信号；传感器，接收由所述信号发生器生成的交变信号并产生电容变化；该传感器自下而上依次包括电极基底、叉指电极阵列以及介电层，所述叉指电极阵列固定于所述电极基底表面并且紧贴于所述介电层，所述叉指电极阵列由若干叉指电极组成，每个叉指电极均包括若干均匀排列的叉指电容单元；调理电路，接收由所述传感器产生的电容变化，并将该电容变化输出为电压信息；上位机，接收由所述调理电路生成的电压信息，并根据该电压信息获取三维接触应力的信息。2.根据权利要求1所述的测量三维接触应力的传感装置，其特征在于，所述传感器中的电极基底采用介电常数大于0.8且介电损耗小于0.01的材料。3.根据权利要求1所述的测量三维接触应力的传感装置，其特征在于，所述传感器中的若干叉指电容单元通过金属引线彼此连接。4.根据权利要求3所述的测量三维接触应力的传感装置，其特征在于，所述叉指电极中相邻的叉指电容单元的方位角存在固定差。5.根据权利要求4所述的测量三维接触应力的传感装置，其特征在于，所述相邻的叉指电容单元的方位角所存在的固定差为45
°
或90
°
。6.根据权利要求1所述的测量三维接触应力的传感装置，其特征在于，所述传感器中的介电层采用介电常数大于3.6的弹性材料。7.一种测量三维接触应力的方法，其特征在于，包括：步骤S1，制备用于测量三维接触应力的传感器，包括：步骤S11，提供一电极基底和一介电层；步骤S12，在所述电极基底和所述介电层之间设置叉指电极阵列，叉指电极阵列附着在所述电极基底上，并紧贴于所述介电层表面，所述叉指电极阵列由若干叉指电极组成，每个叉指电极均包括若干均匀排列的叉指电容单元；步骤S13，根据所述介电层的厚度，设置所述叉指电容单元的叉指宽度、相邻叉指间隔以及叉指长度；步骤S2，将一信号发生器接入所述传感器的输入端，所述介电层受到接触应力发生形变，根据步骤S13中设置的叉指宽度、相邻叉指间隔以及叉指长度，计算所述叉指电容单元在介电层变形前后的电容差；步骤...
【专利技术属性】
技术研发人员：沙金，冯路，杨润哲，吴桐，潘云飞，谢林生，马玉录，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：
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