思政元素：机器人的电子皮肤

1、接近觉传感器

在调研机器人的接近觉传感器看到了电容式接近觉传感器，根据网上的资料和论文，大致整理记录一下。其检测目标并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。

1.1基本概念

电容

电容器是电子电路中常见的无源元件之一，是通过静电电容来积蓄电荷或释放电荷的元件。电容器由两块金属板和夹在它们之间的电介质组成。通过找到电容值和实际距离值之间的关系（是一种非线性的关系），最终实现距离的检测功能。

电容式传感器

电容式传感器由许多不同的介质构成，例如铜、氧化铟锡 (ITO) 和印刷油墨。 铜电容传感器可以在标准 FR4 PCB 以及柔性材料上实现。 ITO 允许电容式传感器的透明度高达 90%（对于一层解决方案，例如触摸电话屏幕）。

测量原理

作为一种具有高介电常数的导电介质，人体与周围环境形成了一个耦合电容。 该电容很大程度上取决于人体体型、衣服、周围物体的类型和天气等因素。但无论耦合的范围如何宽，该电容值仅在皮法到纳法之间变化。当人移动时，耦合电容改变，因而可以将移动物体与静态物体中区分开来。（在40MHz时， 肌肉和皮肤及血液的介电常数很大，约为97,而脂肪和骨骼的介电常数在15左右）

所有的物体都与其他物体具有某种程度的电容耦合。如果有人(或者任何物体)移动到已经建立电容耦合的物体附近，作为物体侵入的结果，会引起耦合电容值发生改变。

如图所示，测试板和地之间的电容为C1。当人移动到板附近时，形成另外的两个电容:一个是测试板与人体之间的电容Ca，另一个是人体和地之间的电容 Cb。因此导致测试板和地之间的电容C增大了ΔC。

1.2 电容式接近传感器

根据原理可将其分为自电容式（capacitive single ended mode，self-capacitive mode or shunt mode）与互电容式（mutual capacitance mode，differential mode）两种。

在简单的平行片电容中间隔着一层电介质，该系统中的大部分能量聚集在电容器极板之间，少许的能量会溢出到电容器极板以外的区域，当手指放在电容触摸系统时，相当于放置于能量溢出区域（称为：边缘场），并将增加该电容触摸系统的导电表面积。

a. 自电容

自电容是感应块相对地之间的电容，这个地在这里指的是电路的地，虽然这个地离感应块可能很近，也可能很远，但它总是存在的。当感应块上施加一个激励信号时，由于自电容的存在，将在感应块和地之间产生一个随激励信号变化的电场。

自电容传感器可以具有与互电容传感器相同的 X-Y 网格，但列和行独立运行。 使用自电容，电流可感应每列或每行物体的电容负载。 这会产生比互电容感应更强的信号，但它无法准确分辨多个物体，多个物体出现会导致“重影”或位置感应错位。

检测物体（例如手指）增加了对地寄生电容，利用传感器进行检测。

b. 互电容

互电容由发射极和接收极组成，两极之前产生了电场，电场中的大部分能量直接聚集在电容器极板之间。少许能量会泄露到电容器极板以外的空间，而由这些泄露能量所形成的电场被称为“边缘场”，当把手指放在边缘电场的附近将增加电容式传感系统的导电表面积。

当与地面有高耦合的导电物体（如人类）可以部分屏蔽电场，因此，与自电容模式相比，它降低了电极之间的电容。而如果与地面的耦合很低的物体靠近这个场，则会发生相反的效应，并且耦合由于物体内部的极化而增加。（互电容是不是可以通过场的增强与减弱判断出金属与非金属）根据这种变化，可以实现距离的检测。

每行和每列的每个交叉点处都有一个电容器。 例如，一个 12×16 的阵列将有 192 个独立的电容器。 向行或列施加电压。 将物体靠近传感器表面会改变局部电场，从而降低互电容。 可以测量网格上每个单独点的电容变化，通过测量另一个轴上的电压来准确确定触摸位置。 互电容允许多点触控操作，可以同时准确跟踪多个手指、手掌或触控笔。

1.3 实际的应用场景

电容式接近觉的汽车安全系统

感应探针嵌在车辆座椅中。它可以制作成金属板、金属网或者导电织物等形状。探针构成电容器 Cp的一个极板。电容器的另一个极板由汽车车体或放置在地毯下的单独的板构成。参考电容器Cx、由一个简单的固定或微调电容器组成，该电容应放置在接近座位探针的地方。探针板和参考电容分别连接到电荷探测器的两个输人端(电阻R1和R2)。导线应尽可能地缠绕以减少寄生信号的输入（可使用双绞线电缆）。

2、触觉传感器