一种多模态触觉传感器、电子皮肤、机器人的制作方法

本发明涉及人型机器人的触觉感知，尤其涉及一种多模态触觉传感器、电子皮肤、机器人。

背景技术：

1、人型机器人目前已被列为重点发展领域之一，市场应用越发广泛，已成为当下研究热点。人型机器人与外部世界的交互作用需要模仿人类的各种感官功能的智能传感器，其中模仿人类触觉功能的是触觉传感器。对机器人的仿生触觉传感器，世界各国均开展了广泛的研究，但目前尚未见到商业应用的成熟方案，原因之一在于触觉传感器需要既满足大面积铺设需求，又要满足密集点阵，换言之，传感器既要超薄易铺设，也要密集达到类比皮肤对力的细微的空间分辨能力。此外，触觉传感器除了主要感知作用力外，也有温度感知需求，类似皮肤在靠近高温物体会提前感知到温度而警示人体远离，以及接触觉感知需求，例如当智能机器人的肢体即将或刚刚接触外部物体时，应能对即将或刚刚接触的外部物体进行大致的分类并判断即将接近的外部物体的速度和距离，因此需要传感器有多模态的输出能力。

2、对于触觉传感器的实现，压电式触觉传感器为目前研究方向之一，压电式触觉传感器的优势在于极化后不需要供电，按压压电薄膜使之形变，压电薄膜就能将机械能转化为电能，形成自产电，可以做到无源，并且压电的采集速率快，但其劣势在于压电薄膜需要外力做功，因此对动态力能够产生较好的信号输出，但对静态力缺乏检测能力，如果对其持续施加静态力，由于压力不变，压电薄膜输出信号为零。此外，当中间压电薄膜采用聚合物材料达到高灵敏度时，例如压电聚合物pvdf-trfe或离子聚合物，按压除了压电效应外，由于人手温度有36°左右，而压电薄膜10°左右，人手接触触觉传感器温度在压电薄膜上快速传递，将额外产生聚合物的热释电效应，两个效应叠加造成分不清压电输出信号由哪个效应导致，使得压电式也有准确性缺陷。

3、对于消除热释电效应的干扰，jp1994341914a提出压电元件上下表面的中央设置有内部电极,内部电极的周围设置有外部电极，通过压力传递构件控制压缩应力仅施加到内部电极,检测内部电极和外部电极中产生的电荷,通过从内部电极的电荷中减去外部电极的电荷消除热释电的影响，但对人型机器人的触觉传感而言，为满足空间分辨率的密集点阵缺少空间实施确保压缩应力施压范围的机械构件。

4、电容利用电场理论，其电场线可以穿越接近或接触到外部物体，利用不同物体具有不同介电常数的特性对外部物体进行分类识别，特别是可以准确分辨外部物体的材质。对于实现动态压力与静态压力的检测也有灵敏度高、一致性好、易于制作、成本低、易于实现矩阵等优点，可以与压电式形成互补。

5、对于电容与压电的组合，通过查询大量文献，大体通过空间错位的方式将两者组合成传感器，例如：

6、cn117309008a提出传感器自下而上依次设置的导电织物电极、复合材料海绵、压电电极以及pet薄膜，压电电极通过铜箔、pvdf薄膜、铜箔、p i薄膜从上而下压制粘合得到，该结构中，导电织物电极和压电电极之间构建成了平行板电容器，压电电极本身构建成了压电传感器，平行板电容器与压电传感器上下叠置，虽然达到了多模态输出，但海绵会对力进行吸收，导致pvdf薄膜灵敏度降低，破坏了压电效应的完整性，此外叠层设计结构复杂。

7、cn206421360u公开一种压电与电容复用在触摸屏上的设计，压电薄膜上层的电极层设置平面错开的感应电极和第一压力感应电极，下电极层复用，既与感应电极组成电容器获取触摸位置，又与第一压力感应电极组成压电传感器获取按压力信息。由于是触摸屏领域技术，感应电极与下电极层采用触摸屏原理，基于人手对电容器电场线的影响获取位置信息，并非作为平行板电容测力，压力变化仅靠压电薄膜检测，存在静态力检测缺陷，同时上电极需间隔设置感应电极和第一压力感应电极以及屏蔽电极，整片电极层占用面积大，但力的检测的空间分辨率低，难以满足人型机器人模拟皮肤触觉感知的密集点阵需求。

技术实现思路

1、本发明目的是提供一种多模态触觉传感器结构，用以解决密集点阵下的聚合物压电材料的热释电干扰。

2、本发明的多模态触觉传感器结构，包括压电薄膜、压电测量支路、电容测量支路、处理模块、开关阵列；压电薄膜通过聚合物材料制成，压电薄膜的上下两面分别设置有至少两个上电极及至少一个下电极，上电极及下电极作为压电薄膜的信号输出电极和电容传感器的传感电极的复用电极，上电极相对于下电极的投影至少覆盖下电极的部分面积，以上电极所在位置作为点位，多模态触觉传感器设置至少两个点位，且相邻两个点位之间的间距在0.1-10mm之间；压电测量支路通过开关阵列获取每个点位处的上电极与下电极输出的压电薄膜的输出信号，压电测量支路设置有信号放大器用于放大压电薄膜的输出信号至处理模块；电容测量支路至少包括电容数字转换电路，电容数字转换电路通过开关阵列分别耦合各上电极及下电极，用于获取各点位处上电极的自电容和/或各点位处的上电极与下电极之间的互电容和/或各点位处上电极与其相邻上电极之间的互电容；处理模块耦合电容数字转换电路、信号放大器，用于依据自电容和/或互电容确定按压触觉传感器时的受压点，并基于受压点相邻的非受压点的压电薄膜的输出信号，对受压点处压电薄膜的输出信号进行补偿进而输出压力检测信号。

3、相较之现有技术，本发明优势在于：

4、(1)上电极及下电极都作为压电薄膜的信号输出电极和电容传感器的传感电极的复用电极，达到结构全复合，利于传感器薄膜实现超薄厚度，同时上电极采用复用而非两种电极平面错位间隔，利于密集点阵构建；压电测量支路和电容测量支路均从上电极及下电极获取电信号输入处理模块，达到电路全复合，传感器体积最小，结构与电路较大程度简化，实现超薄密集点阵，满足空间分辨率要求；

5、(2)将上下电极层复用为电容传感器的两个极板，相比传统平行板电容传感器，电极间的电介质由空气或海绵变为压电材料，达到电容稳定性提升，同时压力直接作用压电材料，保障压电效应完整性；

6、(3)电容传感器结合电容数字转换电路(cdc)，例如ad i 7142、ad i 7147，采用δ-σ调制方式通过多次对被测电容进行充放电并与参考电容比较的方法(参见：uspatent number:5,134,401)直接将被测电容值转换成数字值，可以将对电容的测量灵敏度提高到1ff级别，即便微小压力下由于中间为无缝隙的压电材料导致电容的两极板的距离只有微弱变化，也能成功获取电容信号，同时达到去杂散电容干扰；

7、(4)电容点阵基于受压点与非受压点的自电容和/或互电容达到按压位置、按压范围的检测，通过电容规避了压电受温度影响敏感缺陷，对受力点的检测更为准确；

8、(5)压电薄膜通过聚合物材料制成获得高灵敏特性，基于受压点相邻的非受压点的压电薄膜的输出信号，对受压点处压电薄膜的输出信号进行补偿，实达到密集点阵下消除热释电效应的影响的可行实施。

9、作为一种改进方案，基于，按压多模态触觉传感器时，受压点处的上电极及下电极之间的互电容大于非受压点处的互电容，和/或受压点处的上电极的自电容大于非受压点处的自电容，和/或受压点处的上电极与其相邻上电极之间的互电容大于非受压点处的互电容，作为区分受压点与非受压点的判断条件。

10、本发明中，压电薄膜的上下两面可以分别设置至少两个上层电极及至少两个下层电极；上层电极与下层电极上下完全或部分对准，以对准的一组所在位置作为点位。此时，下电极与下电极为点状电极；或者下电极与下电极为条形电极，下电极与下电极中的其中一者沿水平方向按一定间距排列，另一者沿垂直方向按一定间距排列从而在竖直投影方向形成交错点阵。作为改进的，可以设置下电极作为一整体的公共电极，电容数字转换电路配置为输出激励至公共电极，并分别从各个上电极接收互电容信号，可避免相邻电极之间激励信号的串扰。值得注意的是，上下电极是基于平行板电容原理，通过电极之间间距的改变引起互电容变化，上电极之间采用平面电容原理，基于电场中的介电常数发生改变进而引起互电容变化。

11、作为另一种改进方案，上电极与下电极可以设置为平面电极，此时，电容传感器构建成平行板电容。或者，上电极或下电极其中一者为平面电极，另一者为朝压电薄膜方向凸起的曲面电极，如球形电极或半球形电极，曲面电极一方面的优势在于能够提升力学检测的灵敏度，另一方面达到单维力或多维力的检测。

12、作为另一种改进方案，考虑到人型机器人的节能需求，尤其在触觉传感器需大面积铺设带来的电耗问题更为敏感，而在休眠状态下，处理模块及电容数字转换电路(cdc)的待机耗电可维持在1微安以下，如果需要测量电容，cdc维持激励信号需要至少十几微安，因此，我们希望常态下触觉传感器能够进行休眠，同时，密集点阵架构下，还进一步希望能够在任意一点位受到按压时均能达到唤醒，并且考虑通道数的有限数量级限制以及结构限制，为此，提出一种休眠方案：配置触觉传感器在非工作状态下进入休眠；在休眠前，配置各上电极通过开关阵列共接至信号放大器的其中一输入端，下电极接至信号放大器的另一输入端，所述信号放大器的输出作为处理模块的唤醒信号；所述处理模块，基于所述唤醒信号解除休眠后，周期性分时扫描所述压电薄膜的输出信号及电容信号。由于压电薄膜极化后，按压压电材料使之形变，压电材料是将机械能转化为电能，属于无源自产电，此时压电薄膜配合信号放大器，待机电耗降低至500na左右，以其作为唤醒解除休眠后再分时扫描，触觉传感器整体电耗能降低一个数量级，同时上电极通过开关阵列并联共同接入放大器一输入，下电极通过接入放大器另一输入，只需一个处理通道即可达到任意一点位受到按压时均能唤醒。在下电极具有多个的方案中，休眠前配置各下电极通过开关阵列共接至信号放大器的另一输入端。

13、作为另一种改进方案，基于受压点相邻的非受压点的压电薄膜的输出信号，对受压点处压电薄膜的输出信号进行补偿的方式可以包括：获取受压点处压电薄膜的输出信号，以及与该受压点相邻的非受压点的压电薄膜的输出信号，基于两者的差分结果输出压力检测信号。由于压电信号在一定范围内呈线性，超出范围后呈非线性，直接利用差分简单消除热释电干扰，对于检测精度虽然也能起改善目的，但改善程度有限，对于简单差分进行补偿的方案，可使用于对精度要求不那么高的场景。本发明中，设置基于受压点相邻的非受压点的压电薄膜的输出信号确定受压点相邻处的温度信息，即检测接触温度。在此基础上，作为另外一种更优补偿方式，可以事先建立温度与压电薄膜的受温度影响的输出信号变化量之间的映射关系，所述映射关系配置为表格对应关系和/或函数关系；传感器工作时，依据确定受压点相邻处的温度信息，通过所述映射关系获取对应输出信号变化量对受压点处压电薄膜的输出信号进行补偿，能够不仅对线性部分，对非线性部分也能得到较好修正，检测精度较高，适用于高精度要求场景。

14、作为另一种改进方案，在多模态触觉传感器未受压的状态下，基于至少一个点位处的压电薄膜的输出信号输出对应点位处的温度信号，利用未受压下聚合物压电材料仅有热释电效应，依据各点位上的压电薄膜的输出量推算出各点位处温度的变化量，实现非受力点的温度测量，模拟皮肤对温度的感知变化。

15、作为另一种改进方案，由于结构全复合，压电薄膜的输出信号与电容传感器的电容信号共用同一电极输出，或者，电容传感器检测过程中如遇压电材料形变将引入压电薄膜的输出信号，可将电容数字转换电路输入至上电极或下电极的激励信号的频率区间配置为与压电薄膜的输出信号的频率区间不同，处理模块，基于频率的差异作为区分压电薄膜的输出信号与电极的互电容的判断条件，达到信号区分处理。

16、作为另一种改进方案，传感器还包括有模拟开关，上电极及下电极通过模拟开关的切换来分时接通压电测量支路、电容测量支路，通过在设置模拟开关，通过模拟开关分时切换压电薄膜的输出采集与电容激励的施加，避免压电薄膜的输出信号与传感器的激励信号之间的串扰问题，同时芯片借助于模拟开关对分时控制也更为方便。在此基础上，进一步地，配置每个测量周期t至少包含两个子周期t1和t2：在子周期t1中，模拟开关切换压电测量支路，上电极及下电极输出由压电薄膜形变产生的电压至处理模块；在子周期t2中，模拟开关切换电容测量支路，电容数字转换电路输出激励信号至上电极或下电极，采集另一者的电信号至处理模块。通过周期进行切换，芯片的切换速度足够，可以同步得到电容信号以及压电输出信号两条波形，利用两条波形相互印证综合判断，提升压力检测准确性。

17、本发明中，模拟开关、压电测量支路、电容测量支路可以以离散元器件的形式独立构建于芯片之外，也可以与处理模块封装集成芯片内。

18、本发明中，上电极和/或下电极的远离压电薄膜的侧面设置绝缘层作为保护以及电气隔离。上电极和/或下电极通过丝印或电镀设置于压电薄膜侧面，丝印或电镀工艺能够让电极以极薄的状态附着压电薄膜上，避免电极影响薄膜的形变性能。

19、作为另一种改进方案，电容数字转换电路，配置为至少获取通过至少两个上电极组成的互电容，达到对外部物体的材质的识别，分辨即将或刚刚接触的物体是人类肢体或其他物体。作为该改进方案的一种优化，压电薄膜的顶面设置有至少三个上电极，开关阵列配置为允许选择性组合任意至少两个上电极形成一对用于检测互电容的电极组和/或选择性并联任意至少两个上电极形成面积增加的大电极，该结构下，采用变面积和/或变间距的方式，通过不同的选择使所形成的各对电极组中两电极的面积或间距出现差异，如此，cdc所获取到的每对电极组形成的互电容的电场线深度就会产生差异，以此达到更精准的接触觉感知。

20、作为另一种改进方案，为解决压电材料的静态力检测缺陷，配置处理模块在触觉传感器受动态施压时配置为基于压电薄膜的输出信号输出压力检测信号，以及在触觉传感器受静态施压时配置为基于上电极与下电极之间的互电容输出压力检测信号。利用上电极及下电极复用构建按压点处的电容传感器在按压点处进行静态力检测，弥补按压点处压电薄膜在静态力下无输出的缺陷。进一步地，在触觉传感器未受压状态下标定上电极及下电极之间的互电容初始值；处理模块，对上电极及下电极之间的互电容趋于稳定，且与互电容初始值存在差异的时间段标记为静态阶段。通过对电容信号波形以及与互电容初始值之间的差异的作为判断，即便在先施加静态力后上电触觉传感器的极端情况下，系统也能正确区分静态动态，同时电容信号较之压电信号稳定的特点，达到动态静态区分速度的提升。更进一步地，考虑到电容存在充放电时间，为避免电容还未充满电但施加压力已经没了这种极端情况下无法准确检测，配置在触觉传感器受力初始阶段优先配置基于压电薄膜的输出进行压力测量，并在检测到处于静态阶段后切换至基于上电极及下电极之间的互电容进行压力测量，两者的工作顺序的先后形成互补，解决电容初始灵敏度问题。作为另一种改进，在触觉传感器受静态施压时，配置受压点处的上电极通过开关阵列并联成大电极，受压点处的下电极通过开关阵列并联成大电极，采集上下两层大电极之间的互电容用于静态压力检测，由于受压处关联电极合并为大电极，电极面积增加，电容信号幅度提升，检测准确性进一步增强。

21、还提供一种电子皮肤，包括上述触觉传感器。

22、还提供一种机器人，包括上述电子皮肤。