CN103134622A

CN103134622A - 三维柔性触觉传感器阵列

Info

Publication number: CN103134622A
Application number: CN2013100374700A
Authority: CN
Inventors: 孙鑫; 庄学坤; 赵敏; 潘宏青; 王耀雄; 高放; 王菲露; 汪玉冰; 葛运建; 双丰
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2033-01-31
Also published as: CN103134622B

Abstract

本发明属于传感器制备技术。三维力柔性触觉传感器阵列包括有序排列的微结构和微结构端点之间的导线，微结构之间填充有绝缘橡胶；每个微结构由三段柱形体构成，第一段柱形体垂直放置，第二段柱形体上端面与第一段柱形体的侧面相交并固定连接，第三段柱形体下端面与第一段柱形体的另一个侧面相交并固定连接，每个微结构的上端面和下端面的中心设置有电触点，每个微结构第一段柱形体上端面的电触点之间及第三段柱形体上端面的电触点之间分别有导线连接；每个微结构的第一段柱形体下端面的电触点之间及第二段柱形体下端面的电触点之间分别有导线连接，上下两层导线相互垂直。本阵列降低了解耦的维度和难度，能检测出三维力的大小，响应时间短，结构紧凑。

Description

三维柔性触觉传感器阵列

技术领域

本发明属于传感器的制备技术，特别涉及三维柔性触觉传感器的阵列结构。

背景技术

触觉传感器对机器人特别是服务机器人和仿人机器人的研发和应用是非常重要的，它可使机器人既能敏锐的感知外部环境，又能灵活自如的运动，实现与人安全自然的接触交互。不仅如此，触觉传感器在体育训练，康复医疗等很多方面都具有广泛的应用。长期以来，科研界为了获得性能优异的触觉传感器，做出了不懈的努力。

中科院合肥智能机械研究所的梅涛等人申请的专利（CN1796954）“柔性三维力触觉传感器”中采用MEMS工艺制作，整体具有一定的柔性，可以检测三维触觉。但是该传感器加工工艺复杂，缺乏高度柔性。

西安交通大学的田疆等人研究了基于导电胶的触觉传感器阵列，先进行动态扫描，然后采用“位置匹配法”恢复图像，不但可以获得物体表面的形状特征，还可以得到物体滑觉信息以及相对速度。但是并不能对施加的多维力进行有效测量，同时由于导电橡胶阻值的非线性特性，其精度和分辨率有待进一步提高。

中科院合肥智能机械研究所的徐菲等利用导电橡胶研制了可检测三维力的“人工皮肤”，这是一种模拟人类皮肤组织，采用多层并联电阻模型，通过检测受力处节点间的并联电阻的变化，来感知多维力信息的柔性触觉模型。但是这种柔性多维触觉传感器结构对算法要求很高，解耦时间偏长，不利于实时受力检测。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明给出一种新型的三维力柔性触觉传感器阵列结构，降低了解耦的维度和难度，能够检测出三维力的大小，并且响应时间短，结构紧凑。

本发明的技术方案如下：

本发明的三维力柔性触觉传感器阵列，包括有序排列的微结构和设置在微结构端点之间的导线，微结构之间填充有绝缘橡胶或其它柔性材料；其特征在于，所述每个微结构由三段柱形体构成，其中第一段柱形体垂直放置，第二段柱形体的上端面与第一段柱形体的一个侧面固定连接，夹角为30°-60°范围内，第二段柱形体的下端面与第一段柱形体的下端面在同一个平面上；第三段柱形体的下端面与第一段柱形体的另一个侧面固定连接，夹角为30°-60°范围内，第三段柱形体的上端面与第一段柱形体的上端面在同一个平面上；第二段柱形体轴线的所在平面与第三段柱形体轴线的所在平面相互垂直；每个微结构的两个上端面和两个下端面的中心分别设置有电触点，每个微结构的第一段柱形体上端面的电触点之间及第三段柱形体上端面的电触点之间分别有导线连接，每根导线在同一平面上并相互平行；每个微结构的第一段柱形体下端面的电触点之间及第二段柱形体下端面的电触点之间分别有导线连接，每根导线在同一平面上并相互平行；上下两层上的导线相互垂直；所述每个柱形体的横截面为正方形、圆形或者其它形状，其横截面积在3-9mm²，其中，垂直放置的柱形体的高度为6-10mm；所述有序排列是指微结构和微结构之间对齐排列，整体成正方形、长方形或者依据需求成其它形状的平面分布，其中，每个垂直放置柱形体与相邻的垂直柱形体的轴线之间的距离为12-20mm；所述微结构的柱形体由具有压阻效应的导电橡胶或其它柔性导电材料制备，所述导线为柔性导线。

在实际制备过程中，所述由三段柱形体以连接方式构成的微结构，也可以使用模具冲压成型而成，以简化操作程序，减低生产成本。

本发明的三维柔性触觉传感器在使用过程中，当其对外受力时，其所受到的力可以分解到三个不同方向，即Z方向，X方向和Y方向上的力。该力使受力处的绝缘橡胶因受挤压而变形，力被传递至微结构上，从而使位于受力处的微结构的三段导电柱体电阻值发生变化。变化的电阻值可通过分别行列扫描获得，由于导电橡胶具有压阻特性，可表示成电阻和压力的状态方程F_i=f（ΔR_i），即可得到力Fi的大小，其中的函数f由材料的物理性质决定。ΔR_i为i 方向上的柱形体的电阻变化，i 为x， y或z。其具体解耦算法是:选定上层一根导线为基线，检测所有第二层导线与其之间的电阻值，这些电阻分别对应到微结构的对应柱形体，形成三个电阻矩阵ΔR _x、ΔR _y、ΔR _z，分别对应垂直Z方向电阻的变化、水平X方向电阻的变化、水平Y方向电阻的变化。最后根据状态方程F_i=f（ΔR_i）解耦出敏感单元的受力。

相对于现有技术，本发明的三维柔性触觉传感器采用N型微结构，将Fx，Fy，Fz分解出来，降低了电阻数据的耦合度，也降低算法的解耦难度和时间复杂度，使实时检测成为可能。由于采用微结构间充填绝缘橡胶或其他柔性材料的结构，使传感器既能同时检测出三维力的大小，能够进行空间三维力的测量，同时又具有良好柔性的特点，所用微结构没有破坏柔性传感器的整体性，采用整体注射成型的方法来定型，其结构紧凑，整体性强，从而使其工作稳定，使用方便，适应性好，适用范围广。

下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。

附图说明：

图1是本发明的传感器阵列中微结构的实施例示意图。

图2是本发明的传感器的阵列实施例结构示意图。

图3是本发明的传感器的解耦算法示意图；

具体实施方式

参见图1，该微结构的柱形体均为正方形柱体，第一段柱形体1垂直放置，其上端面中心有电触点2，下端面中心有电触点3，第二段柱形体4的上端面与其轴线倾斜45°，该端面粘接在第一段柱形体的一个侧面上部，使第二段柱形体4与第一段柱形体1相交连接成45°，其下端面中心有电触点5，该下端面与第一段柱形体的下端面在同一个平面上。第三段柱形体6的下端面与其轴线倾斜45°，该端面粘接在第一段柱形体的另一个侧面下部，使第三段柱形体6与第一段柱形体1相交连接成45°，其上端面中心有电触点7，该上端面与第一段柱形体的上端面在同一个平面上；第二段柱形体轴线的所在平面与第三段柱形体轴线的所在平面相互垂直。

参见图2，该阵列中包括有9个柱形体的微结构，3个一行，共排成3行，每个柱形体上端面中心的电触点有纵向的导线8连接，6根纵向的导线在同一平面上并相互平行，每个柱形体下端面中心的电触点有横向的导线9连接，6根横向导线在同一平面上也相互平行，横向导线与纵向的导线空间垂直。所述9个柱形体的微结构由具有压阻效应的导电橡胶制备，所述导线为柔性导线。在微结构周围及相互之间采用绝缘橡胶封装成整体。

以上实施例中，微结构的使用材料是具有压阻效应的导电橡胶，导线的使用材料是掺杂银微粒的橡胶导线，绝缘橡胶是硅橡胶，这些材料均为市场购得。

下面以图2所示实施例的阵列为例，对解耦算法进行详细说明：

参见图3，选定第一层导线，以其为基线，先检测所有第二层导线与其之间的电阻值，分别根据所对应的三段柱形体形成三个电阻矩阵，分别对应：垂直z方向电阻变化，水平x方向电阻变化，水平y方向电阻变化。所述力Fz确定为上层导线11、13、15和下层导线21、23、25之间的电阻值的变化；力Fx确定为上层导线11、13、15和下层导线22、24、26之间的电阻值的变化；力Fy确定为上层导线12、14、16和下层导线21、23、25之间的电阻值的变化。

参见图1和图3，当传感器上表面受到垂直向下的压力时，对应的柱形体1被压缩产生形变；当传感器上表面受到顺着柱形体倾斜方向的剪切力时，例如沿着x轴正向和y轴反向的力，则对应的柱形体4和6被拉伸产生形变；当传感器上表面受到逆着柱形体倾斜方向的剪切力时，例如沿着x轴反向和y轴正向的力，则对应的柱形体4和6被压缩产生形变。

最后分别结合橡胶的力敏状态方程F _x=f（ΔR _x）、F _y=f（ΔR _y）、F _z=f（ΔR _z）分别得到力F _x、F _y、F _z的大小，ΔR _x、ΔR _y、ΔR _z分别为x、y、z方向上柱形体的电阻变化矩阵。方程中的函数f是由橡胶材料性质决定的，例如：在理想情况下，压力和电阻变化成正比例关系，电阻变化越大，则对应的力越大。对应的状态方程为F=kΔR/R ₀，其中k的取值范围为9.0N-20.0N，R ₀为传感器没有受力时的初始电阻。

Claims

1.一种三维力柔性触觉传感器阵列，包括有序排列的微结构和设置在微结构端点之间的导线，微结构之间填充有绝缘橡胶或其它绝缘柔性材料；其特征在于，所述每个微结构由三段柱形体构成，其中第一段柱形体垂直放置，第二段柱形体的上端面与第一段柱形体的一个侧面固定连接，夹角为30°-60°范围内，第二段柱形体的下端面与第一段柱形体的下端面在同一个平面上；第三段柱形体的下端面与第一段柱形体的另一个侧面固定连接，夹角为30°-60°范围内，第三段柱形体的上端面与第一段柱形体的上端面在同一个平面上；第二段柱形体轴线的所在平面与第三段柱形体轴线的所在平面相互垂直；每个微结构的两个上端面和两个下端面的中心分别设置有电触点，每个微结构的第一段柱形体上端面的电触点之间及第三段柱形体上端面的电触点之间分别有导线连接，每根导线在同一平面上并相互平行；每个微结构的第一段柱形体下端面的电触点之间及第二段柱形体下端面的电触点之间分别有导线连接，每根导线在同一平面上并相互平行；上下两层上的导线相互垂直；所述微结构的柱形体由具有压阻效应的导电橡胶或其它柔性导电材料制备，所述导线为柔性导线。

2.如权利要求1的三维力柔性触觉传感器阵列，其特征在于，所述每个柱形体的横截面为正方形、圆形或者其它形状，其横截面积在3-9mm²，其中，垂直放置的柱形体的高度为6-10mm。

3.如权利要求1的三维力柔性触觉传感器阵列，其特征在于，所述有序排列是指微结构和微结构之间对齐排列，整体成正方形、长方形或者依据需求成其它形状的平面分布，其中，每个垂直放置的柱形体与相邻的垂直柱形体的轴线之间的距离为12-20mm。

4.如权利要求1的三维力柔性触觉传感器阵列，其特征在于，所述由三段柱形体以连接方式构成的微结构，是使用模具冲压成型而成。