Разработка схемотехнического решения и конструкции емкостной матрицы датчиков давления для применения в робототехнике

Разработка схемотехнического решения и конструкции емкостной матрицы датчиков давления для применения в робототехнике

Крестовников Константин Дмитриевич
Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук (СПб ФИЦ РАН), Лаборатория автономных робототехнических систем, аспирант, м.н.с., 199178, Санкт-Петербург, 14-я линия В.О., д. 39, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0001-6303-0344

Ерашов Алексей Алексееевич
СПб ФИЦ РАН, Лаборатория автономных робототехнических систем, программист, 199178, Санкт-Петербург, 14-я линия В.О., д. 39, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0001-8003-3643

Быков Александр Норайрович
СПб ФИЦ РАН, Лаборатория автономных робототехнических систем, м.н.с., 199178, Санкт-Петербург, 14-я линия В.О., д. 39, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0001-8025-7209


Материал поступил в редакцию 21 сентября 2020 года.

Аннотация
В работе представлена разработка матрицы датчиков давления емкостного типа с возможностью масштабирования количества ячеек. Проведен анализ различных конструкций единичных датчиков давления и матриц, рассмотрены их характеристики и методы изготовления. Представлена структура матрицы первичных преобразователей давления, описан принцип работы матрицы и выведены расчетные соотношения. Предложена интерфейсная схема для преобразования изменения емкости первичных преобразователей давления в изменение уровня напряжения. Реализован прототип датчика и эмпирически получена зависимость выходного сигнала от приложенной силы давления к матрице, которая имела в диапазоне до 30 Н близкий к линейному характер. Чувствительность ячеек матрицы к приложенному давлению находится в диапазоне 134,56..160,35. Измеренный дрейф выходных сигналов с ячеек матрицы после 10000 циклов нагружения составил 1,39 %. Для изготовленного образца матрицы датчиков давления на основании экспериментальных данных рассчитано среднее по ячейкам отношение сигнал/шум, которое составило 63,47 дБ. Предложенный прототип выполнен из доступных материалов, имеет низкую конечную стоимость, отсутствует необходимость подстройки каждой ячейки. Емкостный принцип работы датчика, в сравнении с тензорезистивным, позволяет получить большую стабильность выходного сигнала. Масштабируемость и возможность изменения параметров ячеек достигается за счет использования слоистой структуры датчика. Представленную в данной работе матрицу датчиков давления возможно применять в различных робототехнических системах.

Ключевые слова
Матрица датчиков давления, датчик давления, первичный преобразователь давления.

Благодарности
Исследование выполнено при поддержке РНФ (№16-19-00044П).

https://doi.org/10.31776/RTCJ.8406

Индекс УДК 
629.58:532.5

Библиографическое описание
Крестовников К.Д. Разработка схемотехнического решения и конструкции емкостной матрицы датчиков давления для применения в робототехнике / К.Д. Крестовников, А.А. Ерашов, А.Н. Быков // Робототехника и техническая кибернетика. – Т. 8. - №4. – Санкт-Петербург : ЦНИИ РТК. – 2020. – С. 296-307. – Текст : непосредственный.

Литература

  1. Krestovnikov K. Development of a circuit design for a capacitive pressure sensor, applied in walking robot foot / K. Krestovnikov, A. Saveliev, E. Cherskikh // 2020 IEEE 20th Mediterranean Electrotechnical Conference (MELECON). – IEEE, 2020. – Pp. 243-247. DOI: 10.1109/MELECON48756.2020.9140509. – Text: electronic.
  2. Generation of Walking Patterns for Biped Robots Based on Dynamics of 3D Linear Inverted Pendulum / A. Kovalev [et al] // International Conference on Interactive Collaborative Robotics. – Springer, Cham, 2019. – Pp. 170-181. DOI: 10.1007/978-3-030-26118-4_17. – Text: electronic.
  3. Features of solving the inverse dynamic method equations for the synthesis of stable walking robots controlled motion / A.S. Gorobtsov [et al] // Trudy SPIIRAN. – 2019. – Vol. 18. – №. 1. – Pp. 85-122. DOI: 10.15622/sp.18.1.85-122. – Text: electronic.
  4. Ronzhin Al.L. User profile forming based on audiovisual situation analysis in smart meeting room / Al.L. Ronzhin, V.Y. Budkov, An.L. Ronzhin // Trudy SPIIRAN. – 2012. – Vol. 23. – Pp. 482-494. DOI: 10.15622/sp.23.28. – Text: electronic.
  5. A flexible and highly sensitive strain-gauge sensor using reversible interlocking of nanofibers / C. Pang [et al] // Nature materials. – 2012. – Vol. 11. – №. 9. – Pp. 795-801. DOI: 10.1038/nmat3380. – Text: electronic.
  6. A wearable and highly sensitive pressure sensor with ultrathin gold nanowires / S. Gong [et al] // Nature communications. – 2014. – Vol. 5. – №. 1. – Pp. 1-8. DOI: 10.1038/ncomms4132. – Text: electronic.
  7. A highly sensitive capacitive‐based soft pressure sensor based on a conductive fabric and a microporous dielectric layer / O. Atalay [et al] // Advanced materials technologies. – 2018. – Vol. 3. – №. 1. – Pp. 1700237. DOI: 10.1002/admt.201700237. – Text: electronic.
  8. Lei K.F. Development of a flexible PDMS capacitive pressure sensor for plantar pressure measurement / K.F. Lei, K.F. Lee, M.Y. Lee // Microelectronic Engineering. – 2012. – Vol. 99. – Pp. 1-5. DOI: 10.1016/j.mee.2012.06.005. – Text: electronic.
  9. A high-sensitive ultra-thin MEMS capacitive pressure sensor / Y. Zhang [et al] // 2011 16th International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference. – IEEE, 2011. – Pp. 112-115. DOI: 10.1109/TRANSDUCERS.2011.5969151. – Text: electronic.
  10. Bakhoum E.G. Capacitive pressure sensor with very large dynamic range / E.G. Bakhoum, M.H.M. Cheng // IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies. – 2009. – Vol. 33. – №. 1. – Pp. 79-83. DOI: 10.1109/TCAPT.2009.2022949. – Text: electronic.
  11. Bakhoum E.G. Novel capacitive pressure sensor / E.G. Bakhoum & Cheng M.H.M. // Journal of Microelectromechanical Systems. – 2010. – Vol. 19. – №. 3. – Pp. 443-450. DOI: 10.1109/jmems.2010.2047632. – Text: electronic.
  12. High-temperature single-crystal 3C-SiC capacitive pressure sensor / D.J. Young [et al] // IEEE Sensors Journal. – 2004. – Vol. 4. – №. 4. – Pp. 464-470. DOI: 10.1109/JSEN.2004.830301. – Text: electronic.
  13. Chen G.Z. Capacitive contact lens sensor for continuous non-invasive intraocular pressure monitoring / G.Z. Chen, I.S. Chan, D.C.C. Lam // Sensors and Actuators A: Physical. – 2013. – Vol. 203. – Pp. 112-118. DOI: 10.1016/j.sna.2013.08.029. – Text: electronic.
  14. Wireless LTCC-based capacitive pressure sensor for harsh environment / J. Xiong [et al] // Sensors and Actuators A: Physical. – 2013. – V. 197. – Pp. 30-37. DOI: 10.1016/j.sna.2013.04.007. – Text: electronic.
  15. Developing a pressure sensitive mat using proximity sensors for vital sign monitoring / R. Selzler [et al] // 2018 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC). – IEEE, 2018. – Pp. 1 5. DOI: 10.1109/I2MTC.2018.8409859. – Text: electronic.
  16. High-speed matrix pressure sensor for humanoid robot by using thin force sensing resistance rubber sheet / S. Kagami [et al] // SENSORS, 2004 IEEE. – IEEE, 2004. – Pp. 1534-1537. DOI: 10.1109/ICSENS.2004.1426481. – Text: electronic.
  17. A ZMP sensor for a biped robot / M. Shimojo [et al] // Proceedings 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation, ICRA 2006. – IEEE, 2006. – Pp. 1200-1205. DOI: 10.1109/ROBOT.2006.1641872. – Text: electronic.
  18. Skin-inspired highly stretchable and conformable matrix networks for multifunctional sensing / Q. Hua [et al] // Nature communications. – 2018. – Vol. 9. – №. 1. – Pp. 244. DOI: 10.1038/s41467-017-02685-9. – Text: electronic.
  19. A flexible touch-pressure sensor array with wireless transmission system for robotic skin / Y. Huang [et al] // Review of Scientific Instruments. – 2016. – V. 87. – №. 6. – Pp. 065007. DOI: 10.1063/1.4954199. – Text: electronic.
  20. On road tire deformation measurement system using a capacitive-resistive sensor / M. Sergio [et al] // SEN-SORS, 2003 IEEE. – IEEE, 2003. – Vol. 2. – Pp. 1059-1063. DOI: 10.1109/ICSENS.2003.1279105. – Text: electronic.
  21. An embedded artificial skin for humanoid robots / G. Cannata [et al] // 2008 IEEE International Conference on Multisensor Fusion and Integration for Intelligent Systems. – IEEE, 2008. – Pp. 434-438. DOI: 10.1109/MFI.2008.4648033. – Text: electronic.
  22. Khan S. Screen printed flexible pressure sensors skin / S. Khan, L. Lorenzelli, R.S. Dahiya // 25th Annual SEMI Advanced Semiconductor Manufacturing Conference (ASMC 2014). – IEEE, 2014. – Pp. 219-224. DOI: 10.1109/ASMC.2014.6847002. – Text: electronic.
  23. Smart-surface: Large scale textile pressure sensors arrays for activity recognition / J. Cheng [et al] // Pervasive and Mobile Computing. – 2016. – Vol. 30. – Pp. 97-112. DOI: 10.1016/j.pmcj.2016.01.007. – Text: electronic.
  24. Vatamaniuk I.V. Algorithmic model of a distributed corporate notification system in context of a corporate cyber-physical system / I.V. Vatamaniuk, R.N. Yakovlev // Modeling, optimization and information technology. – 2019. – Vol. 7. – №. 4. – Pp. 32-33. DOI: 10.26102/2310-6018/2019.27.4.026. – Text: electronic.
  25. Vatamaniuk I.V. Generalized Theoretical Models of Cyberphysical Systems / I.V. Vatamaniuk, R.N. Yakovlev // Proceedings of the Southwest State University. – 2019. – Vol. 23. – №. 6. – Pp. 161-175. DOI: 10.21869/2223-1560-2019-23-6-161-175. – Text: electronic.
Адрес редакции:  Россия, 194064, Санкт-Петербург, Тихорецкий пр., 21   Тел.: +7(812) 552-13-25 e-mail: zheleznyakov@rtc.ru 
fb1    vk1