一种机器手及其嵌入式仿生机械手指制造技术

本技术涉及一种机器手及其嵌入式仿生机械手指，包括仿生指套、触觉传感单元、控制模块、CDC、开关阵列；仿生指套中空设置并设有窗口，且导电；触觉传感单元内置于仿生指套的中空部分并与之绝缘，触觉传感单元设置有感知单元，感知单元包含柔性上层电极，上层电极外表面覆盖外绝缘层并通过外绝缘层经由窗口外露，上层电极的下方设置有下层电极；电容数字转换电路通过开关阵列分别耦合各个电极，控制模块与电容数字转换电路耦合；控制模块通过开关阵列控制仿生指套与地连接或断开，和/或电容数字转换电路通过开关阵列耦合仿生指套。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及机器人领域，尤其涉及一种机器手及其嵌入式仿生机械手指。

技术介绍

1、机器人是一种半自主或全自主工作的智能机器，对于未来发展具有重要意义，而机器人的拟人化是当前的热门研发趋势。

2、对于拟人化机器人的手指，普遍做法是外围采用仿生指套符合人体外观造型，于仿生指套的手指指腹处开窗露出触觉传感/压力传感部分，可以感知外力。例如，202210387048.7在机器人手指末指节1的末端指腹处开设固定槽17，于槽内放置压力传感组件进行力学感知；201621199954.0在手指构型的基体模块52的指腹设置外露的用于感知被抓取物品的触觉传感器54等等。此类型方案对于仿生指套的运用，只是用于起符合人体构造的外形装饰作用；此外机械手指并不具备物体的接近感知能力(接近觉)，只能检测物体与手指接触后的相互作用力。

3、另一方面，电容传感技术因电极结构简单、成本低，且具有便捷布置性等特点，在力的感知检测方面广受青睐。尤其是201920633712.5公开的柔性电容式三维力矢量传感器结构，通过上层电极以及下方设置的下层电极阵列，能够实现感知三维力大小以及方向(xyz)的功能要求，同时兼顾高灵敏和宽检测范围的要求以及柔性接触，测试中传感器单元能够达到0.01克法向力(压力方向、z向)分辨率，超越人体手指的压力分辨能力(0.019克)。高分辨的力的感知意味着对电容边的敏感，而机器人因其需要的智能化、多功能化需求，本身电子器件众多，外散的电磁信号容易对指腹的电容感知造成影响。

技术实现思路</p>

1、本技术要解决或部分解决现有技术中的不足之处，而提供一种机器手及其嵌入式仿生机械手指。

2、所提供的嵌入式仿生机械手指，包括仿生指套、触觉传感单元、控制模块、电容数字转换电路(cdc)、开关阵列；仿生指套中空设置并设有窗口，且具有导电能力；触觉传感单元内置于仿生指套的中空部分并与之绝缘，触觉传感单元设置有至少一个感知单元，感知单元包含柔性上层电极，上层电极外表面覆盖有外绝缘层并通过外绝缘层经由窗口外露，上层电极的下方设置有下层电极，上层电极朝向下层电极一侧配置为弹性曲面，上层电极与下层电极之间设置内绝缘层且上层电极向下的投影至少覆盖每个下层电极的部分面积，柔性的上层电极受外力形变改变在下层电极上的投影面积，上层电极与下层电极中至少有一者的数量是至少两个，上层电极与下层电极之间形成不同的电容来反映力在不同方向上的分量；电容数字转换电路通过开关阵列分别耦合各个电极，控制模块与电容数字转换电路耦合；控制模块通过开关阵列控制仿生指套与地连接或断开，和/或电容数字转换电路通过开关阵列耦合仿生指套。

3、本技术的机械手指结构，具有如下优势：

4、(1)利用电容传感技术、三维力矢量传感结构达到成本、易布置、高作用力分辨能力等特点；

5、(2)仿生指套做成导电产品，复用仿生指套与地相接达到信号屏蔽，屏蔽外侧信号干扰，提升触觉传感器的测试精度；和/或复用仿生指套作为电极，与传感器导电部分(如上层电极)形成互电容，实现接近觉；

6、(3)配合以电容数字转换电路(cdc)，例如dai 7142、adi 7147，采用δ-σ调制方式通过多次对被测电容进行充放电并于参考电容比较的方法(参见：us patent number:5,134,401)直接将被测电容值转换成数字值，对电容的测量灵敏度提高到1ff级别，同时实现对杂散电容免疫，进一步提升精度，改善测试结果。

7、本技术中可以具有以下改进：

8、本技术中，电容数字转换电路、开关阵列可以设于机器手指外部，如将其设于机器人的中控系统上，但作为改进，电容数字转换电路、开关阵列优选设置于仿生指套的触觉传感单元内部，最优设置可以是电容数字转换电路、开关阵列的位置与电极毗邻，此时由电极到cdc此段模拟信号传输路线较短，模拟信号传输路线上的寄生电容大幅下降，有利于电容检测的准确性提升。在此基础上，更优选地，触觉传感单元设置有中框、固定有电容数字转换电路及开关阵列的电路板；中框设于电路板上，用于支撑上层电极，下层电极设于电路板顶面，上层电极的曲面穿过中框并通过内绝缘层接触下层电极，此方案中上层电极得到中框的支撑以及保护，下层电极可采用pcb板附铜工艺简单便捷地在电路板上实现，结构进一步优化。更进一步地，控制模块也固定于电路板上，并耦合有用于对外通讯的接口，此时，机械手指形成模块化单元，便于后期维护更换。

9、本技术中上层电极配置为导电硅胶；和/或外绝缘层配置为绝缘漆/绝缘膜；仿生指套可以与传感器导电硅胶部分无缝连接(例如采用双色成型工艺)，对抓取可以起到更好的支撑和包裹。

10、本技术，可以以上层电极作为公共电极，下层电极具有至少两个且相互绝缘，公共电极对各个下层电极形成不同的电容来反映力在不同方向上的分量；或者，以下层电极作为公共电极，上层电极具有至少两个且相互绝缘，公共电极对各个上层电极形成不同的电容来反映力在不同方向上的分量。其中，前者如上所述，可以通过与pcb的配合达到结构优化，具有更优效益。本技术中，下层电极为曲面电极或平面电极。

11、作为另一种改进，外绝缘层的朝外一面设置有仿生指纹以提升摩擦力。

12、本技术还提供一种机器手，包括上述的嵌入式仿生机械手指。

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【技术保护点】

1.一种嵌入式仿生机械手指，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的嵌入式仿生机械手指，其特征在于：所述电容数字转换电路、开关阵列设置于仿生指套的触觉传感单元内部。

3.根据权利要求2所述的嵌入式仿生机械手指，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的嵌入式仿生机械手指，其特征在于：所述控制模块固定于所述电路板上，并耦合有用于对外通讯的接口。

5.根据权利要求1所述的嵌入式仿生机械手指，其特征在于：所述上层电极配置为导电硅胶；和/或所述外绝缘层配置为绝缘漆或绝缘膜。

6.根据权利要求1所述的嵌入式仿生机械手指，其特征在于：

7.根据权利要求6所述的嵌入式仿生机械手指，其特征在于：所述下层电极为曲面电极或平面电极。

8.根据权利要求1所述的嵌入式仿生机械手指，其特征在于：所述外绝缘层的朝外一面设置有仿生指纹。

9.一种机器手，其特征在于：包括如权利要求1-8任一项所述的嵌入式仿生机械手指。

【技术特征摘要】

1.一种嵌入式仿生机械手指，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的嵌入式仿生机械手指，其特征在于：所述电容数字转换电路、开关阵列设置于仿生指套的触觉传感单元内部。

3.根据权利要求2所述的嵌入式仿生机械手指，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的嵌入式仿生机械手指，其特征在于：所述控制模块固定于所述电路板上，并耦合有用于对外通讯的接口。

5.根据权利要求1所述的嵌入式仿生机械手指，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙滕谌，曾凡佑，王振，
申请(专利权)人：北京他山科技有限公司，
类型：新型
国别省市：