昊晨光化工研究院有限公司的⑶401型硅橡胶为材质。
[0043]如图5所示，本新型电容式滑觉传感器可等效为四对平行板电容(Cn、C12)，C2(C21、C22)，C3 (C31、C32)和C4 (C41、C42))，每对平行板电容构成一对差分式电容传感器，理论上，电容式滑觉传感器未受摩擦力作用时，四对平行板电容输出值相等(Cn=C12，C21=C22，C31=C32，C41=C42)o当受摩擦力作用时防滑橡胶触头1在摩擦力带动下发生倾斜，从而联动四个柔性公共极板8发生倾斜，导致四对差分式电容传感器输出发生变化，据此判断滑觉信息。
[0044]本新型电容式滑觉传感器具体检测滑觉信息的机理如下:当沿X轴正方向发生滑动时，其电容变化示意图如图6所示，在防滑橡胶触头1联动下，CjP (:3两柔性公共极板8均沿X轴正方向发生倾斜，相当于平行板电容C12和C 32的极板间隙减小，故C 12和C 32电容值增加，Cn和C31电容值减小，最终反映在差分电容时CJPC2电容值增加。与此同时，C2柔性公共极板8向上发生倾斜，C4柔性公共极板8向下发生倾斜，变化量相同，表现在电容值变化时理论上为C21、C22和C 41、C42均减小。由于在电容式滑觉传感器设计时柔性公共极板8长度略大于柔性感应极板4的长度，且柔性公共极板8的高度小于柔性感应极板4的高度，这样在柔性公共极板8在发生上下倾斜时，其平行板电容等效极板面积没有发生明显变化，在实际应用中可认为此时(:2和(:4电容值未发生变化。同理，若本新型电容式滑觉传感器沿Y轴正方向发生滑动时，如图7所不，差分对0；和C 4输出值变大，差分对C:和C 3输出不变。若本新型电容式滑觉传感器沿与X轴正方向成45°方向发生滑动时，如图8所示，在防滑橡胶触头1联动下，(^和(:4两柔性公共极板8均沿与X轴正方向成45°方向发生倾斜，相当于平行板电容C12、C21、C32和C 42的极板间隙减小，平行板电容C n、C22、C31和C 41的极板间隙增大，最终表现为差分对Q、C2、C3、C4的输出电容值均增加。所以，根据差分对cn C2、C3、(:4的输出电容值变化特点可以判断出何时发生滑动以及发生滑动的方向。
[0045]在实际应用中，将四个差分对电容传感器的柔性公共极板8连接在一起并进行接地处理，这样每个电容就相当于一个单电极平行板电容传感器。对于单电极电容传感器的信号采集可以选用AD公司的AD7747或AD7147电容数字处理芯片，其具备I2C兼容型串行接口与片内环境自校准功能。根据本新型电容式滑觉传感器结构特点，选用具有13路容性输入、高达16位CDC精度的AD7747-1，很容易完成8通道单电极结构电容信号的采集与处理。对于由本新型电容式滑觉传感器构成的滑觉传感阵列，可使用AD7147-1与多通道单刀双掷开关ADG734构成的行列扫面电路进行电容阵列信号采集。同时，芯片采用有源交流屏蔽技术，不仅可有效地降低传感器使用过程中存在的噪声干扰，而且消除了阵列间的交叉干扰问题。
[0046]在本新型电容式滑觉传感器量程范围内，使用精密拉压力计对所述电容式滑觉传感器重复进行滑觉加载实验，同时由AD7147-1构成的电容信号采集系统实时采集电容式滑觉传感器的单电极电容输出值，根据电容式滑觉传感器输出曲线可以判断何时发生滑动及滑动的方向。
[0047]为验证本新型电容式滑觉传感器的性能，做实例如下:
[0048]如图9所示，在实例中，防滑橡胶触头1高度为4mm，半径为1.5mm ;柔性上基板2和方形柔性基体6边长为24mm，厚度为2mm，其中，柔性上基板2中心处上下表面贯通圆半径为3mm ;圆柱形触干7半径为1.5mm，高度为10mm ;矩形体5 —高度棱面与圆柱形触干7相切，四个矩形体5各成直角排列，高度为7mm，边长为11.5mm，宽度为2mm ;柔性公共极板8被矩形体5包裹，其长、宽、高参数分别选取8mm、0.5mm和6mm ;方柱体3外围柱体参数选取高10mm，长、宽均为8mm，内部贯通正方形边长为4mm ;各方柱体3两内侧面的柔性感应极板4对应长、宽、高参数分别为8mm、0.5mm和6mm。本实例中硅橡胶选择中昊晨光化工研究院有限公司的⑶401型硅橡胶，电容信号处理选用AD7147-1 CDC(Capacitance-to-DigitalConverter)作为电容信号采集的主芯片，STM32F103VET6高性能微处理器作为电容信号采集与处理的主控芯片，建立电容信号采集与处理系统。
[0049]柔性上基板2和方形柔性基体6模具相似，如图10所示，图10 (a)为柔性上基板2的模板，在边长与厚度均大于柔性上基板2的正方体面上表面画出一边长为24mm，厚度为2mm且中心处留有一半径为3mm圆的图形，并将此图形向底端拉伸切除即可；图10 (b)为方形柔性基体6的模具。将硅橡胶注入模具内待固化后脱模便可获得柔性上基板2和方形柔性基体6。
[0050]图11为矩形体5、圆柱形触干、7和柔性公共极板8的整体模具，首先将YC-02型有机硅制成的四个柔性公共极板8分别放到该十字型模具的四个凹槽内，柔性公共极板8与凹槽三侧内壁均不接触。再将硅橡胶注入凹槽内，模具高度为7mm，待脱模后在十字形模型中心上下表面均粘接一高度为1.5mm的圆形柱，保证圆柱形触干7总高度为10mm及在摩擦力作用下柔性公共极板8更容易发生倾斜。
[0051]图12为方柱体3的模具，成型得到方柱体3后在其相邻两面粘接柔性感应极板4，本新型电容式滑觉传感器各部分组件均已制作完毕，然后在需要相互间接触的组件表面涂一层硅橡胶进行粘接拼装即可。
[0052]具体实验实施为:将本新型电容式滑觉传感器固定在实验基台，八路容性输出分别接至上述提出的多路电容信号提取系统，将一待滑动物体(实例中选用一支铅笔)置于电容式滑觉传感器防滑橡胶触头1上表面，待滑动物体在拉压力计的联动下沿X轴轮流向左向右滑动。电容信号提取系统实施检测个电容传感器的输出结果，其输出实施曲线结果如图13所示，其中
Cloutput、^2output ^ 和c 4mnput分别为对应电容传感器归一化后的差分输出，例如: Cloutput-1 Cn/Cn初始一C12/ C12初始 ，其它输出以此类推。从图13中可以看出，当沿X轴正反方向轮流发生滑动时，Clciutput和C3ciutput输出波动较大，在波峰处说明防滑橡胶触头1发生最大位移，波谷表明防滑橡胶触头处于中间位置。C2ciutput和C4ciutput输出波动较小，符合上述理论分析，根据各差分输出的数据方差便可判断滑觉信息，实现滑觉检测的功能。
【主权项】
1.一种多方向性电容式滑觉传感器，其特征在于:包括一方形柔性基体，在其上表面四个角分别设置一上下表面贯通的方柱体，所述方柱体朝内的两相邻表面设有柔性感应极板；在柔性基体中心处设有一圆柱形触干，且触干壁上附四个各成直角、内部设有柔性公共极板的矩形体；在方柱体上面设有柔性上基板，柔性上基板与柔性基体平行、等尺寸且中心处留有上下贯通圆，在触干上表面设置一防滑橡胶触头。2.根据权利要求1所述的一种多方向性电容式滑觉传感器，其特征在于:所述方柱体直角边分别与柔性基体直角边共面，呈田字形排列，所述柔性基体的边长大于两倍的所述方柱体边长。3.根据权利要求1或2所述的一种多方向性电容式滑觉传感器，其特征在于:所述圆柱形触干高度与所述方柱体相同，在所述圆柱形触干壁上的矩形体高度小于圆柱形触干高度且其高度中心点与圆柱形触干中心点共面。4.根据权利要求3所述的一种多方向性电容式滑觉传感器，其特征在于:所述柔性公共极板设置在矩形体内部几何中心处，所述柔性公共极板由矩形体包裹，每个矩形体与两侧方柱体非接触，且与所述方柱体一对应面平行。5.根据权利要求1或4所述的一种多方向性电容式滑觉传感器，其特征在于:所述柔性上基板中心圆的半径大于所述圆柱形触干的半径，所述矩形体上下表面与柔性上基板和柔性基体均非接触。6.根据权利要求5所述的一种多方向性电容式滑觉传感器，其特征在于:所述柔性感应电极的高度大于所述柔性公共极板的高度。7.根据权利要求1或6所述的一种多方向性电容式滑觉传感器，其特征在于:所述四个柔性公共极板绕所述圆柱形触干呈直角排列，所述柔性公共极板与柔性上基板、方形柔性基体和柔性感应极板非接触。8.根据权利要求1所述的一种多方向性电容式滑觉传感器，其特征在于:所述柔性感应极板和柔性公共极板以有机硅导电银胶为材质。9.根据权利要求1所述的一种多方向性电容式滑觉传感器，其特征在于:所述柔性基体、柔性上基板、上下表面贯通的方柱体、圆柱形触干、矩形体及防滑橡胶触头均以硅橡胶为材质。
【专利摘要】本新型涉及一种用于智能机器人仿生皮肤的多方向性电容式滑觉传感器。传感器，包括一方形柔性基体，在其上表面四个角分别设置一上下表面贯通的方柱体，所述方柱体朝内的两相邻表面设有柔性感应极板；在柔性基体中心处设有一圆柱形触干，且触干壁上附四个各成直角、内部设有柔性公共极板的矩形体；在方柱体上面设有柔性上基板，柔性上基板与柔性基体平行、等尺寸且中心处留有上下贯通圆，在触干上表面设置一防滑橡胶触头。本新型电容式滑觉传感器成本低且高灵敏度，其检测方向不在局限于单一方向。
【IPC分类】G01L1/14
【公开号】CN205015107
【申请号】CN201520589388
【发明人】高永慧, 汤茜, 郭小辉
【申请人】吉林师范大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年8月3日