[发明专利]带惯性环境补偿功能的机器人用触觉传感器及其制作方法

说明书

本发明公开了一种具有提高复杂运动环境下检测效果的触觉传感器结构。本发明包括力检测单元和加速度检测单元。所述力检测单元是三轴触觉传感单元，包括力传导部分与力检测部分；所述加速度检测单元是实现了三轴加速度检测的常用结构，用于进行惯性环境补偿。本发明通过在触觉传感部分周围原位集成加速度计，提高了动态检测性能，提升了在复杂运动环境下力检测的准确度。

技术领域

本发明涉及一种触觉传感器，具体是一种具有提高复杂运动环境下检测效果的触觉传感器，用作触觉力检测，以实现高精度触觉感知。

背景技术

随着科技的进步，人们对智能感知的要求越来越迫切。触觉传感器是智能感知的重要组件。假如采集到的数据本身就存在很大误差，或是应用场景对数据精度要求较高，不论多么精妙的算法都不能完美地解决数据处理问题。

目前基于不同原理的多轴触觉传感器种类繁多，包括电容式触觉传感器、压阻式触觉传感器、压电式触觉传感器和光学式触觉传感器等。电容式传感器具有动态响应好，精度高等优点，但物理尺寸较大，且易受噪声影响；压阻式传感器具有灵敏度高，空间分辨率高和制造技术成熟等优点，但其使用时功耗高，稳定性差；压电式传感器具有动态范围宽，耐用性好等优点，但其易受温度影响；光学式传感器具有灵敏度高，响应快等优点，但多轴检测线性度差，标定困难。

已经投入使用的大多数机械手或是机器人，只能实现对较坚硬物体的抓取。造成这一现象的问题有很多，其中一个问题，就是接触式的传感器容易受到环境干扰。比如在存在振动或是晃动的环境下，机械手需要对鸡蛋进行抓取操作，但时不时出现的加速度，就会导致机械手不同位置感测到的触觉力实时发生变化，靠近加速度作用方向的那侧检测到的力变大，那侧的手指会握得松一点，远离加速度作用方向的那侧检测到的力变小，该侧的手指会握得紧一点。如果突然再有反方向的加速度，使两侧手指检测到的力又发生了变化，就可能导致对鸡蛋的抓取变松或是变紧，变松，鸡蛋容易滑落；变紧，鸡蛋就被捏破了。

根据牛顿第二定律F=m*a，动态干扰与力传导部件传递的质量和受到的加速度有关。力传导部件传递的质量越大，相同加速度下产生的动态干扰越大；加速度越大，相同力传导部件传递的质量产生的动态干扰越大。从信号检测的角度来看，所检测的力信号越小，相同动态干扰产生的检测误差越大。

力传导部件传递的质量包括待测物体的质量与传感器本身力传导部件质量。减小干扰的一种方式，是减小力传导部件的质量，但由于施加力的传导方式对检测效果有很大影响，这不是一个很合理的方法，而且为了提高力检测效果，在传感器设计时往往会再增加一个用于传导力、汇集力的凸起块，即在结构设计上必定会有一个较大的质量块。

较为合理的方案，就是不改变原有结构的同时，增加针对加速度的负反馈机制，以减少加速度带来的动态干扰，主要考虑对以下两种加速度的负反馈处理：

（1）地球重力。重力可以认为是静态加速度，它的方向永远是竖直向下的。但由于装载着传感器的机械手在运动，传感器和重力之间的相对方向会发生变化，也就是重力对运动的传感器会造成影响。

（2）机械手自身运动产生的加速度。当机械手在工作时，为了改变运动状态，就需要进行加速或是减速，这会产生当前方向上的动态干扰。

发明内容

为解决上述触觉传感器存在的问题，本发明以与复杂运动环境息息相关的加速度信号为负反馈信号，采用集成组装方法，通过在触觉传感器上原位集成加速度传感器，在不影响原有检测性能的同时，结合获取的加速度信息，来对由加速度引入的干扰信号进行去除，提出了一种带有加速度负反馈的触觉传感器，其目的在于提高运动场景下触觉传感器的测量准确度。

本发明的一方面提供了一种带惯性环境补偿功能的MEMS触觉传感器，包含：

衬底，所述衬底上方有两个独立的空腔，左侧空腔制作有三轴触觉力检测结构，右侧空腔制作有加速度检测结构；