[发明专利]用于侦测夹持力的超声波触觉传感器

说明书

本发明公开了一种用于侦测夹持力的超声波触觉传感器，其包含超声波侦测器及感测层，该感测层包含第一柔软层及第二柔软层，且于第一柔软层排列有多个接触于超声波侦测器的球形微结构，藉此，于感测层施加压力后，通过超声波侦测器产生超声波并接收反射波信号，以通过该信号辨识球形微结构的接触面积并反推触觉传感器的受力大小。

技术领域

本发明涉及一种触觉传感器，尤指用于侦测机械手臂的夹持力的传感器。

背景技术

根据国际机器人联盟数据显示，机械手臂在产业自动化的应用已相当广泛，由于使用机械手臂能减少产品精度与耐用性上不可预知的人为问题，因此，各产业对于机械手臂的使用需求亦大为增加。然而，目前工业型机械手臂使用上大多是以视觉感测为主，缺乏触觉感测上的回馈体制，故容易造成视觉感测上的死角与距离判断误差，进而导致机械手臂传感器发生抓取错误。

为了解决上述问题，中国台湾第I283295号专利公开了一种“压电式碰触传感器”，其依序结合下基板、下电极层、压电材料层、至少一个电极层以及上基板，且下基板、压电材料层与上基板至少其一为增压作用层，并于增压作用层与下电极层或上电极层之间设至少一凸状结构，使外部应力施加于上电极层时，通过凸状结构将压力传达给压电材料，以提升对外应力的敏感度。中国台湾第201416652号专利公开了一种“压力感测装置及应用其的夹持设备”，其于压力感测层一侧结合有凸起结构，且使凸起结构的平行截面积逐渐缩小，并平行于压力感测层，使压力由凸起结构传递至压力感测层时，能集中于凸起结构的顶点，以提高压力感测的敏感度，并放大所感测到的压力信号。中国台湾第I408036号专利公开了一种“薄片状触觉感测系统”，其包含多个垂直应力检测单元、由外装薄片层部、力检测薄片层部以及媒介层所构成的薄片层部，外装薄片层部与力检测薄片层部配置有多个相互在对向方向向上突起的突起部，垂直应力检测单元具有中央部检测感测要素及缘部检测感测要素，使所构成的触觉感测系统能检测出与对象物接触时的垂直应力以及剪断力。中国台湾第I444604号专利公开了一种“软性压电式触觉传感器”，其于压电薄膜的上、下表面分别设第一软性基板及第二软性基板，且于第一软性基板设有多个电性连接压电薄膜的第一电极，第二软性基板设有多个电性连接压电薄膜的第二电极，并将弹性体设于对应第一电极的第一软性基板表面，使所构成的触觉传感器能降低制作成本。

另外，美国专利USRE37065公开的传感器于软性物质表面设半球形的目标，并于底部埋入压电式超声波换能器，以通过换能器发出超声波信号，并使信号经半球形的目标反射回压电薄膜得到信号，进而通过判别目标受力后的变形量来推算表面所受的多轴力。美国专利US20080258580公开的压电成像阵列装置包含声波导的阵列以及与声波导阵列排列相关联的压电阵列装置，该压电阵列装置能提供超声波或波导阵列集合波形式的超声波能量，以及接收波导阵列的反射波或集合波形式的超声波能量，以通过阵列装置接收由生物物体反射的能量，从而能用于扫瞄指纹成像。美国专利US7511702公开的力量与位置感应显示器包含力量与触觉感应元件，该感应元件于第一透明层及第二透明层的表面分别设第一导电线路及第二导电线路，且于第一透明层及第二透明层的间夹设多个变形构件，使感应元件紧靠于显示元件时，能同时提供位置与力量的感测。

目前现有技术所提出的触觉传感器，除了检测抓取物体所承受的接触力量外，也逐渐朝向侧向剪力强度、接触物体表面的粗糙程度、初始滑动判断、以及触觉形状感测等感知能力的发展。而现有的触觉传感器虽能通过不同原理来检测夹取的力量，但其制作过程相对繁复。此外，目前市面上的薄型传感器，并无法实时反应读取速度，欠缺灵敏度与分辨率。

发明内容

有鉴于现有的传感器制造过程繁复、成本高昂，且薄型传感器具有欠缺灵敏度与分辨率的问题，从而仍有待改进的空间。

因此，本发明的目的是使用球形微结构作为感测元件，并利用超声波感测及分析判断感测元件的受压力量与形状回馈，以应用于机械手臂上进行精密的抓取与组装，并达到确保对象质量与安全性管理的目的。