具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种触觉传感器及其制备方法及力和/或力矩的测量装置，可提高触觉传感器的灵敏度和空间分辨率，降低触觉传感器的制备成本，简化其制备流程，同时实现基于单介质层结构的多维力和/或力矩的测量。

本发明提供的触觉传感器的具体设置及工作原理参见实施例1，基于该触觉传感器实现的力和/或力矩的测量装置的具体设置及工作原理参见实施例2，本发明提供的触觉传感器的制备方法参见实施例3。

实施例1

图1为本发明提供的一种触觉传感器的三维爆炸示意图，如图1所示，所述触觉传感器1由上至下依次包括上层基板2、上层电极3、电介质层4、下层电极5及下层基板6。

具体地，所述上层基板2的顶层整体覆铜，且接有源屏蔽极。

所述上层电极3设置于所述上层基板2的底层，由阵列式对称分布的多对叉指电极组成；所述上层电极3的每对叉指电极均包括两个第一工作电极；所述两个第一工作电极分别与接地极和有源屏蔽极连接。本发明通过将接地极与有源屏蔽极交替分布，消除了杂散电容的干扰，从而提高了触觉传感器感应的灵敏度和准确度。

所述电介质层4由阵列式分布的多个介质块组成。在本实施例中，所述电介质层4作为触觉传感器传感的敏感元件，优选为一层硅橡胶材质的3*3阵列式均匀排布的9个矩形小方块；所述硅橡胶的类型优选为具有高剪切弹性模量的Silicone RTV硅橡胶；所述电介质层4的高度约为80μm；所述电介质层4的填充率为19％，与现有技术中填充率为100％的实心介质层相比，本发明提供的触觉传感器通过降低电介质层4的填充率提高了对多维力和/或力矩的感应的灵敏度。

所述下层电极5由与所述上层电极3的多对叉指电极镜像相对分布的多对叉指电极组成；所述下层电极5的每对叉指电极均包括两个第二工作电极；所述两个第二工作电极分别与数字信号处理芯片引出的两路信号电极连接；所述上层电极3、所述电介质层4及所述下层电极5共同构成多个电容器；所述电容器的个数与所述第一工作电极或所述第二工作电极的个数相等。

所述下层基板6的顶层用于设置所述下层电极5；所述下层基板6的底层用于封装所述数字信号处理芯片；所述数字信号处理芯片用于采集所述多个电容器的电容值变化量，得到对应的传感信号；所述传感信号用于在后续的处理中确定力和/或力矩。本发明通过将数字信号处理芯片及其外围电路集成在触觉传感器中，能够利用数字信号处理芯片及其外围电路实现电容信号模数转换、信号有源屏蔽等，显著减少了其他干扰信号的影响。

在本实施例中，所述上层基板2及所述下层基板6的材质均为FR-4级耐燃材料。同时，所述上层电极3与所述下层电极5之间的间距受限于当前的PCB加工工艺，为100μm。本发明提供的触觉传感器在尽可能地保证灵敏度的同时将每对叉指电极的两个工作电极进行紧密排布，并且将触觉传感器上的电器元件进行高度集成化紧密排布，解决了当前触觉传感器体积过大问题，实现触觉传感器的微型化，从而可以灵活的应用在灵巧手指尖上。

在本实施例中，所述上层电极3与所述上层基板2紧密贴合，构成上层印刷电路板；所述下层电极5与所述下层基板6紧密贴合，构成下层印刷电路板。

在本实施例中，所述的上层印刷电路板的尺寸为11mm*11mm，所述的下层印刷电路板尺寸11mm*24mm。所述上层电极3及所述下层电极5均由2*2阵列式对称分布的4对叉指电极组成。但并不以此为限制，上层印刷电路板、下层印刷电路板的尺寸及叉指电极的对数及排布方式可以根据实际需要进行调整。本发明通过对上层电极3及下层电极5进行2*2阵列式扩展，代替传统的单点检测，实现了4块区域的高空间分辨率检测，从而能够更加全面地反映抓取信息。

在本实施例中，所述叉指电极在结构上分为横向穿插与纵向穿插两种；所述上层电极3及所述下层电极5的多对叉指电极中，横向穿插的叉指电极与纵向穿插的叉指电极交替分布。

以上层电极3及下层电极5均由2*2阵列式分布的4对叉指电极组成为例，图2为本发明提供的一种触觉传感器的下层电极5的俯视图，如图2所示，左上的一对叉指电极为纵向穿插结构，与之相邻的左下及右上的两对叉指电极则均为横向穿插结构，以此类推，从而实现横向穿插的叉指电极与纵向穿插的叉指电极交替分布。

进一步地，所述上层电极3的多对叉指电极与所述下层电极5的多对叉指电极在对齐上存在小量的位移，以在每两根相邻的电容极板之间产生一对差分信号，从而进一步提高了触觉传感器在剪切力方向上感应的灵敏度。所述位移的具体值根据多次试验调整得到。

优选地，所述触觉传感器还包括：FPC连接器及转接板。具体地，所述FPC连接器焊接于所述下层基板6的下表面，且与所述数字信号处理芯片连接；所述转接板焊接于所述下层基板6的下表面，且与所述FPC连接器连接。

相较于现有技术中采用杜邦线将触觉传感器和外部MCU单片机等处理器连接的方式，本发明通过在下层基板6的下表面焊接FPC连接器和转接板实现了与外部MCU单片机等处理器随时插拔的功能，使操作更为简单方便。

进一步地，所述上层基板2为四层板；所述上层基板2由上至下依次包括：第一层、第二层、第三层及第四层；具体地，所述第一层为所述上层基板2的顶层；所述第四层为所述上层基板2的底层；所述第二层与所述第一层紧密贴合，整体覆铜且接有源屏蔽极；所述第三层与所述第二层及所述第四层紧密贴合，整体覆铜且接有源屏蔽极。

进一步地，所述下层基板6为四层板；所述下层基板6由上至下依次包括：第五层、第六层、第七层及第八层；所述第五层为所述下层基板6的顶层；所述第八层为所述下层基板6的底层；所述第六层与所述第五层紧密贴合，整体覆铜且接有源屏蔽极；所述第七层与所述第六层及所述第八层紧密贴合，用于走线分布。

本发明提供的触觉传感器基于电容式工作机理，其对正压力、剪切力和弯矩的信号采集单元都是相同的，均为由上层电极3、电介质层4及下层电极5构成的三层“夹心”结构。由于在外力作用下，触觉传感器的信号采集单元会发生变化，从而引起输出的电容值发生变化，通过采集信号采集单元的电容的变化量，可感测作用于触觉传感器上的正压力Fz、切向力Fx/Fy以及力矩Mx/My的大小。

以电介质层4由3*3阵列式均匀排布的9个Silicone RTV硅橡胶材质的矩形方块组成为例，本发明提供的触觉传感器的工作原理图参见图3。

触觉传感器在x轴方向切向力Fx或y轴方向剪切力Fy的作用下(如图3中(a)所示)，上层印刷电路板上的双叉指状结构的剪切电极条(即上层电极3)相对于下层印刷电路板上的固定电极条(即下层电极5)产生切向位移△L，从而影响信号采集单元的电容极板的正对面积S，导致信号采集单元的电容值C输出变化，从而可以通过测量电容值变化量就可以实现对切向力的测量。其中上层印刷电路板设置的双叉指状结构电极通过实现差分，可以提高触觉传感器对剪切力的感应灵敏度。

为了提高剪切力检测时对正压力的解耦能力，本实施例中通过增大下层印刷电路板上的叉指电极的宽度，可以保证触觉传感器受剪切力时上层电极与下层电极的总的正对面积不变，实现良好的解耦能力。通过增大叉指电极的长度可以实现相互垂直的剪切力之间相互解耦(即x轴方向剪切力与y轴方向剪切力的解耦)。

触觉传感器在正压力Fz的作用下(如图3中(b)所示)，电介质层4发生变形，导致上层电极3与下层电极5的间距d发生变化，从而使信号采集单元的电容发生变化，因此通过测量电容值变化量就可以实现对正压力的测量。

触觉传感器在x轴方向力矩Mx或y轴方向力矩My的作用下(如图3中(c)所示)，信号采集单元的电容值将产生差异，结合电容值分布差值与电容极板间距进行数据计算处理，即实现对力矩的测量。

图4为本发明的提供的一种触觉传感器的数字信号处理芯片及其外围电路的原理图。表1为数字信号处理芯片不同ADD0引脚和ADD1引脚的高低电平对应的IIC地址。如图4所示，在本实施例中，所述数字信号处理芯片优选为数字电容转换芯片AD7147。

表1数字信号处理芯片不同ADD0引脚和ADD1引脚的高低电平对应的IIC地址

在实际操作中，通过焊接R5、R6、R8、R9这四个电阻中的两个可以得到触觉传感器不同的地址，结合表1，即得到，焊接R5、R9可以得到ADD1＝1、ADD0＝0，此时对应IIC地址为0101110；焊接R5、R8可以得到ADD1＝1、ADD0＝1，此时对应IIC地址为0101111；焊接R6、R9可以得到ADD1＝0、ADD0＝0，此时对应IIC地址为0101100；焊接R6、R8可以得到ADD1＝0、ADD0＝1，此时对应IIC地址为0101101。

作为本实施例的一种具体实施方式，通过在机器人灵巧手指尖上安装不同地址的触觉传感器，并将触觉传感器通过IIC协议与MCU单片机进行连接，利用MCU单片机识别不同地址的触觉传感器来确定相对应的手指指尖，从而可以根据对应的传感信息调整抓取位姿。

实施例2

本发明提供的一种力和/或力矩的测量装置包括触觉传感器及处理器。

所述处理器与数字信号处理芯片连接，用于根据数字信号处理芯片输出的传感信号确定所述触觉传感器的受力类型，并根据所述传感信号及所述受力类型计算得到相应的电容值变化量，再根据所述电容值变化量与力和/或力矩的对应关系，得到力和/或力矩的值。

所述触觉传感器的受力类型包括z轴方向正压力、x轴方向剪切力、y轴方向剪切力、x轴方向力矩及y轴方向力矩。

所述电容值变化量与不同类型的力和/或力矩的对应关系通过事先进行的多次实验测量得出。

作为本实施例的一种具体实施方式，所述处理器优选为MCU单片机，但并不以此为限制，可以根据实际需要进行调整。

图5为本发明提供的一种力和/或力矩的测量装置的工作原理示意图。如图5所示，以本发明提供的触觉传感器的上层电极及下层电极均由2*2阵列式对称分布的4对叉指电极组成、数字信号处理芯片为数字电容转换芯片、处理器为MCU单片机为例，下层的4对叉指电极中的8个工作电极分别与数字电容转换芯片的8个通道相连，之后通过IIC(即I2C)协议与MCU单片机进行通讯，利用MCU单片机实时读取每个工作电极输出的感应信号的变化量并进行处理，最终得到对应的力和/或力矩的值。

由于数字电容转换芯片的输出信号是计数次数，因此，MCU单片机需要利用特定公式将数字电容转换芯片输出计数次数转换为电容值，具体公式如下：

其中，C_out表示转换得到的电容值，N表示计数次数。

进一步地，在前期试验过程中，MCU单片机还可以利用TTL-USB转换器，通过USART通讯将得到的电容值变化量的数据发送到上位机电脑上，利用电脑串口实时读取数据，并记录Fz、Fx、Fy、Mx、My相对的电容值变化量。并在后续通过拟合电容值变化量和对应的作用力变化量，得到电容值和力的对应关系(即电容值变化量与不同类型的力和/或力矩的对应关系)。通过将电容值和力的对应关系存储于MCU单片机中，可以实现根据传感信号以及电容值和力的对应关系反求力的大小。在实际使用过程，上位机电脑可以实时获取作用力的变化，从而反映机器人灵巧手的抓取状况。

作为本实施例的一种具体实施方式，处理器判断触觉传感器的受力类型，并根据传感信号和对应的受力类型计算得到对应的电容值变化量的方法如下：

以本发明提供的触觉传感器的上层电极及下层电极均由2*2阵列式对称分布的4对叉指电极组成为例，如图2所示，C1至C8分别表示触觉传感器的下层电极中的8个工作电极所在电容器的电容值。

当触觉传感器受到法向正压力时，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8均发生变化，触觉传感器的总的电容值变化量等于8个电容值变化量的和，即ΔC＝Δ(C1+C2+C3+C4+C5+C6+C7+C8)。

当触觉传感器受到x轴方向剪切力时，C2、C6、C4、C8的上下层极板的正对面积发生变化，从而引起电容值发生变化，其余4个电容器的电容值的上下层极板的正对面积不变，因此电容值不变。

同时，由于C2与C6组成一对叉指电容器，C4与C8组成一对叉指电容器，因此C2与C6构成一对差分信号，C4与C8构成一对差分信号。因此，在x轴方向剪切力作用下的触觉传感器的总的电容值变化量等于(C2-C6的电容变化量)+(C4-C8的电容变化量)，即ΔC＝Δ(C2-C6)+Δ(C4-C8)。

当触觉传感器受到y轴方向剪切力时，C1、C3、C5、C7的上下层极板的正对面积发生变化，从而引起电容值发生变化，其余4个电容器的电容值的上下层极板的正对面积不变，因此电容值不变。

同时，由于C1与C3组成一对叉指电容器，C5与C7组成一对叉指电容器，因此C1与C3构成一对差分信号，C5与C7构成一对差分信号。因此，在y轴方向剪切力作用下的触觉传感器的总的电容值变化量等于(C1-C3的电容变化量)+(C5-C7的电容变化量)，即ΔC＝Δ(C1-C3)+Δ(C5-C7)。

x轴方向的弯矩可以看作两个大小相等，方向相反的法向平行力，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8均发生变化，且C1、C3、C4、C8的变化方向相同，C2、C6、C5、C7的变化方向相同。因此触觉传感器的总的电容值变化量为(C1+C3+C4+C8的电容变化量)-(C2+C6+C5+C7的电容变化量)，即ΔC＝Δ(C1+C3+C4+C8)-Δ(C2+C6+C5+C7)。

y轴方向的弯矩可以看作两个大小相等，方向相反的法向平行力，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8均发生变化，且C1、C3、C2、C6的变化方向相同，C5、C7、C4、C8的变化方向相同。因此触觉传感器的总的电容值变化量为(C1+C3+C2+C6的电容变化量)-(C5+C7+C4+C8的电容变化量)，即ΔC＝Δ(C1+C3+C2+C6)-Δ(C5+C7+C4+C8)。

在本实施例中，处理器通过判断触觉传感器中的各电容器的电容值是否变化及其变化方向来确定所述触觉传感器的受力类型，并根据各电容器的电容值变化量、所述受力类型及对应受力类型下的电容值变化量的计算公式计算得到相应的电容值变化量，再根据所述电容值变化量与力和/或力矩的对应关系，得到力和/或力矩的值。

实施例3

图6为本发明提供的一种触觉传感器的制备方法的流程图。如图6所示，本发明提供的触觉传感器的制备方法如下：

步骤(a)：准备SMT钢网。

步骤(b)：用刀片将粘合剂在所述下层电极的上表面刮出一层粘合层，作为第一粘合层。

步骤(c)：将介质材料倒在所述第一粘合层上。

步骤(d)：将介质材料在所述第一粘合层上涂抹均匀。

步骤(e)：在涂好介质材料的表面抽真空之后放置所述SMT钢网并覆盖PET薄膜。在重力的作用下，所述介质材料自所述SMT钢网的孔隙中溢出并铺设在所述SMT钢网与所述PET薄膜之间(如图6中(e)所示)。

步骤(f)：翻转后用重物压实12h。

步骤(g)：取下重物后，再次翻转，揭下所述PET薄膜，并取下所述SMT钢网，在所述下层电极的上表面形成由阵列式分布的多个介质块组成的电介质层；用刀片将粘合剂在所述上层电极的下表面刮出一层粘合层，作为第二粘合层，并将所述上层印刷电路板及所述下层印刷电路板通过销钉定位集成在一起。

步骤(h)：用重物压实12h。

步骤(i)：取下重物后，得到触觉传感器。

优选地，步骤(b)与步骤(c)之间的间隔时间小于5min。

优选地，所述介质材料为Silicone RTV硅橡胶。

优选地，所述粘合剂为Sil-Poxy胶；粘结电介质层和上下层印刷电路板的Sil-Poxy胶是专用于硅胶与其它基底材料的连接剂，具有较强的粘性，并且易附着在基底表面形成一种致密的膜，此种硅酮胶可以保证介质层和上下层印刷电路板之间的粘结性，突破触觉传感器量程不足的问题。

本发明对比现有技术，有如下优点：

1)五自由度高灵敏度检测：为了应对外界各种激励，本发明提供的触觉传感器可以同时感知正压力F_z、剪切力F_x、F_y和弯矩M_x、M_y。将上、下层电极做成指状交叉结构，同时将电介质层做成阵列式分布的矩形小方块，降低了电介质层的填充率，从而实现了对正压力、剪切力和力矩的高灵敏度检测。

2)工艺简便微型化：本发明提供的触觉传感器的制备方法，通过压膜成型工艺阵列式拓展电介质层，与传统工艺中先制作出来介质层，接着通过中转膜中转集成到印刷电路板的电极上的方式相比，本发明采用SMT钢网直接在印刷电路板上压膜成型，消除了中转过程对电介质层的破坏且避免了气泡的引入，具有工艺操作简单、成本低、制备微型化的优点。

3)高空间分辨检测：本发明的提供的触觉传感器将上层电极与下层电极的叉指电极进行阵列式拓展，实现了空间高分辨率的空间力检测。作为应用于机器人指尖的小型触觉传感器，可以为机器人提供足够的空间分布力信息。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。