CN105606265B - 一种基于液压力传导的柔性触觉传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液压力传导的柔性触觉传感器。柔性封装外层内，腔体阵列柔性层固定安装在腔体阵列金属基座上，腔体阵列柔性层和腔体阵列金属基座之间形成多个密封且相互隔离不连通的油液填充空腔，油液填充空腔充满有传导油液，每个油液填充空腔内的腔体阵列金属基座底面固定有硅压力敏感单元，并开有四个通孔分别密封安装金属接线柱和密封塞。本发明柔性触觉传感器具有稳定性好、灵敏度高、具备静动态信号检测能力、制备工艺成熟、集成方便的特点，可用于人工假肢、机器人手等智能化机电设备。

Description

一种基于液压力传导的柔性触觉传感器

技术领域

本发明涉及一种柔性触觉传感器，尤其是涉及一种基于液压力传导的柔性触觉传感器。

背景技术

触觉传感器在智能假肢和机器人手领域有着广泛的应用需求，假肢手或机器人手为了保证各种操作(如抓取物体)的稳定可靠均需要触觉传感器提供触觉反馈信息，同时为了在接触过程中能顺应物体表面形态又要求触觉传感器具有一定的柔性。但是，触觉传感器柔性易变形的要求往往导致触觉传感器可靠性显著降低，尤其是触觉传感器的电路接线容易损坏。

目前的柔性触觉传感器对于电路接线的稳定性缺少考虑，电路接口还是位于触觉传感器反复变形的区域，没有进行相关的保护设计；同时相应的敏感部件也因为采用了性能还不成熟的柔性材料(如聚合物纤维)，使触觉传感器的测量精度也偏低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于液压力传导的柔性触觉传感器，能够对触觉传感器的内部引线形成微环境保护，同时保证较高的检测精度，并具备静态、动态信号检测能力。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括柔性封装外层以及被包裹在柔性封装外层内的腔体阵列柔性层、固定金属片和腔体阵列金属基座，腔体阵列柔性层安装在腔体阵列金属基座上，并通过固定金属片和螺栓固定连接；腔体阵列柔性层和腔体阵列金属基座之间形成多个密封且相互隔离不连通的油液填充空腔，油液填充空腔充满有作为液压力传导介质的传导油液，每个油液填充空腔内的腔体阵列金属基座底面固定有硅压力敏感单元，并开有四个通孔，其中三个通孔中密封安装金属接线柱，三个接线柱中两个接线柱孔连接电源正负端用以供电，另外一个接线柱连接敏感单元用以连接信号端。另一个通孔用于充入传导油液并通过密封塞塞紧，金属接线柱位于油液填充空腔内的一端经内部金线与硅压力敏感单元连接，金属接线柱位于油液填充空腔外的一端与外部引线连接。

所述的油液填充空腔为近圆柱形。

所述的腔体阵列金属基座上设有多个间隔均布的凹槽，腔体阵列柔性层设有与各个凹槽对应的半球形突起，突起在凹槽上配合形成油液填充空腔，整个腔体阵列柔性层外覆盖有固定金属片，相邻的两个油液填充空腔之间的腔体阵列金属基座顶面设有螺纹孔，相邻的两个油液填充空腔之间的腔体阵列柔性层和固定金属片处均设有与螺纹孔相对应的通孔，螺栓穿过固定金属片和腔体阵列柔性层通孔后连接到腔体阵列金属基座。

所述的柔性封装外层上表面具有与腔体阵列柔性层各个半球形突起对应的用于触觉感知的微凸起阵列。

所述的腔体阵列金属基座上的凹槽具有9个，呈3×3方式间隔阵列均布。

所述的柔性封装外层和腔体阵列柔性层均由柔性材料制成，固定金属片和腔体阵列金属基座均由刚性金属材料制成。

所述每个油液填充空腔的腔体阵列金属基座底面的四个通孔分别为接线柱孔和密封孔。

所述的金属接线柱通过玻璃熔融烧结方式固定于腔体阵列金属基座的接线柱孔中，并在金属接线柱柱侧面与接线柱孔内壁之间设有作为绝缘层的玻璃浆料。

所述的密封塞为圆柱形，圆柱面与腔体阵列金属基座上的密封孔形成过盈配合。

所述的硅压力敏感单元通过玻璃熔融烧结方式固定于腔体阵列金属基座上。

所述的柔性封装外层、腔体阵列柔性层采用硅橡胶，优选地采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)；所述的固定金属片、腔体阵列金属基座、金属接线柱和密封塞材料均为不锈钢；所述的传导油液采用硅油。

本发明的基本工作原理是：

当所述柔性封装外层上的微凸起阵列与物体接触时，例如机械手抓握物体时会产生静态接触压力，从而使柔性封装外层和腔体阵列柔性层产生对应的变形；由于各个油液填充空腔内充满不可压缩的传导油液，变形的腔体阵列柔性层会挤压传导油液，根据帕斯卡定理，传导油液内部形成液压力，液压力大小通过硅压力敏感单元测量，硅压力敏感单元将压力信号转化为电信号通过内部金线、接线柱、外部引线传输给后续处理电路。

当所述柔性封装外层上的微凸起与物体接触状态发生变化时，例如机械手抓取物体的瞬间或机械手在物体表面滑移时会产生动态接触压力，这种动态接触压力以机械波的形式依次通过柔性封装外层、腔体阵列柔性层、传导油液，并通过硅压力敏感单元测量，硅压力敏感单元将机械波信号转化为电信号通过内部金线、接线柱、外部引线传输给后续处理电路。

本发明的有益效果是：

1)采用的敏感单元为硅压力敏感单元，灵敏度高、精度高，性能稳定可靠，且制造工艺成熟，成本低；且硅压力敏感单元位置远离直接变形区域，不易损坏。

2)通过液压力的方式进行压力传导，内部压力均匀分布(忽略重力产生的静压力)，且油液介质为硅油，物理、化学性质稳定，对敏感单元及内部引线形成微环境，隔离外部压力的直接接触，起到保护作用，增强传感器的耐用性；且油液的任意形变特性也兼顾了传感器的柔性封装要求；

3)同时具备静态和动态压力信号检测能力；

4)传感器总体结构紧凑，方便集成于智能机器人手或假肢手。

附图说明

图1是本发明的截面结构示意图；

图2是本发明的拆分立体结构示意图；

图3是本发明中腔体阵列柔性层的立体结构示意图；

图4是本发明中腔体阵列柔性层的另一个视角的立体结构示意图；

图5是本发明中腔体阵列金属基座的立体结构示意图；

图6是本发明中腔体阵列金属基座的俯视图。

图中：1、柔性封装外层，2、腔体阵列柔性层，3、固定金属片，4、腔体阵列金属基座，5、硅压力敏感单元，6、金属接线柱，7、密封塞，8、内部金线，9、外部引线，10、传导油液，11、螺栓，4a、螺纹孔，4b、接线柱孔，4c、密封孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括柔性封装外层1以及被包裹在柔性封装外层1内的腔体阵列柔性层2、固定金属片3和腔体阵列金属基座4，腔体阵列柔性层2安装在腔体阵列金属基座4上，并通过固定金属片3和螺栓11固定连接；腔体阵列柔性层2和腔体阵列金属基座4之间形成多个密封且相互隔离不连通的油液填充空腔，油液填充空腔充满有作为液压力传导介质的传导油液10，每个油液填充空腔内的腔体阵列金属基座4底面固定有硅压力敏感单元5，并开有四个通孔，其中三个通孔中密封安装金属接线柱6，另一个通孔用于充入传导油液10并通过密封塞7塞紧，金属接线柱6位于油液填充空腔内的一端经内部金线8与硅压力敏感单元5连接，金属接线柱6位于油液填充空腔外的一端与外部引线9连接。

腔体阵列柔性层2与腔体阵列金属基座4共同构成腔体阵列。

如图5和图6所示，腔体阵列金属基座4上设有多个间隔均布的圆形凹槽，如图3和图4所示，腔体阵列柔性层2设有与金属基座4上各个凹槽对应的半球形突起，突起中也设有圆柱形凹槽，突起中凹槽与金属基座4上凹槽配合形成油液填充空腔。腔体阵列柔性层2底面设有与金属基座4上凹槽对应的圆环形突起，圆环形突起外圈尺寸与腔体阵列金属基座4的凹槽孔内圈尺寸一致，起到定位和一定密封作用。

整个腔体阵列柔性层2外覆盖有固定金属片3，固定金属片3用于夹紧腔体阵列柔性层2和腔体阵列金属基座4，使腔体阵列柔性层2与腔体阵列金属基座4的接触界面上形成足够的密封压力，保证各个腔体中油液的密封性。

如图2所示，从上至下依次为柔性封装外层1、螺栓11、固定金属片3、腔体阵列柔性层2、腔体阵列金属基座4。如图5和图6所示，相邻的两个油液填充空腔之间的腔体阵列金属基座4顶面设有螺纹孔4a，相邻的油液填充空腔之间的腔体阵列柔性层2和固定金属片3处均设有与螺纹孔4a相对应的通孔，螺栓11穿过固定金属片3和腔体阵列柔性层2的通孔后连接到腔体阵列金属基座4，拧紧于腔体阵列金属基座4对应的螺纹孔4a中，使得固定金属片3、腔体阵列柔性层2和腔体阵列金属基座4三者紧固连接。通过固定金属片3将腔体阵列柔性层2与腔体阵列金属基座4夹紧，保证各油液腔体的密封性。

腔体阵列柔性层2、固定金属片3和腔体阵列金属基座4安装后，柔性封装外层1对传感器进行最后的封装。柔性封装外层1上表面具有与腔体阵列柔性层2各个半球形突起对应的微凸起阵列，微凸起阵列用于增强对接触压力的集中感知。

硅压力敏感单元5用于检测各个腔体内部的液压力变化，金属接线柱6和硅压力敏感单元5均通过玻璃熔融烧结方式固定于腔体阵列金属基座4上。内部金线8在各个腔体内部连接硅压力敏感单元5和金属接线柱6。外部引线9连接金属接线柱与后续处理电路。三个金属接线柱6中的两个用于供电电源的正负接口连线，另外一个用于信号接口的连线。

每个油液填充空腔的腔体阵列金属基座4底面的四个通孔分别为接线柱孔4b和密封孔4c。金属接线柱6通过玻璃熔融烧结方式固定于腔体阵列金属基座4的接线柱孔4b中，并在金属接线柱6柱侧面与接线柱孔4b内壁之间设有作为绝缘层的玻璃浆料。密封塞7在传导油液10充满各个腔体后塞住腔体阵列金属基座4上的密封孔4c，保证腔体最终的密封性。

柔性封装外层1和腔体阵列柔性层2均由柔性材料制成，固定金属片3和腔体阵列金属基座4均由刚性金属材料制成。

本发明的制备和工作过程如下：

1)根据特定的应用场合需求，如传感器集成空间大小、空间分辨率、压力检测范围、灵敏度、动态频率范围、传感器的柔性程度等指标，确定柔性传感器的总体尺寸和各个部件的尺寸，以及硅压力敏感单元5的具体型号。具体实施中的腔体阵列金属基座4上的凹槽具有9个，呈3×3方式间隔阵列均布。

2)固定金属片3、腔体阵列金属基座4、金属接线柱6、密封塞7选用不锈钢材料，通过传统机械加工工艺可保证相应的尺寸和精度要求。硅压力敏感单元5、金属接线柱6通过玻璃熔融烧结与腔体阵列金属基座4固定，内部金线8通过超声点焊分别将硅压力敏感单元5的电源接口端、信号接口端与相对应的金属接线柱6连接。

3)腔体阵列柔性层2选用PDMS材料，通过模具注塑工艺实现形状的制备，并可通过调节PDMS主剂和副剂的配比来调整腔体阵列柔性层2最后成型的柔软程度。之后，通过螺栓11将固定金属片3、腔体阵列柔性层2、腔体阵列金属基座4夹紧在一起，实现可靠的密封性。

4)柔性封装外层1选用PDMS材料，选定PDMS主剂和副剂的配比来确定最终的传感器表面柔软程度。将由步骤3得到的传感器组件固定于特定形状的模具中进行PDMS注塑，最后固化成型完成传感器的表面柔性封装。

5)将步骤4得到的传感器组件浸没于硅油中，整体放入真空腔中进行抽真空处理，使腔体阵列内充满硅油。从真空腔中整体取出传感器组件，保证取出过程中硅油不从密封孔4c中溢出，将密封塞7塞入密封孔4c中，保证最终腔体阵列的密封性且不含气泡。

6)将步骤5得到的传感器组件进行表面油污清洗，将外部引线焊接于各个金属接线柱外端面，最终完成本发明柔性触觉传感器的制备。

工作时，当手的静态接触压力施加到柔性封装外层1的表面微凸起阵列上时，对应微凸起阵列下方的腔体产生变形，基于帕斯卡定理，传导油液10内部产生对应的液压力，液压力大小由硅压力敏感单元5测量，硅压力敏感单元5将静态液压力信号转化为对应的静态电压信号，依次通过内部金线8、金属接线柱6、外部引线9传输给外部处理电路。当动态接触压力施加到柔性封装外层1的表面微凸起上时，动态接触信号以机械波形式依次通过柔性封装外层1、腔体阵列柔性层2、传导油液10传导给硅压力敏感单元5，硅压力敏感单元5将动态液压力信号转化为对应的动态电压信号，依次通过内部金线8、金属接线柱6、外部引线9传输给外部处理电路。

综合来说，本发明的柔性触觉传感器技术效果显著突出，结构紧凑，耐用性强，具有稳定性好、灵敏度高、具备静动态信号检测能力、制备工艺成熟、集成方便的特点，在智能化机电设备中应用广泛。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于液压力传导的柔性触觉传感器，其特征在于：包括柔性封装外层(1)以及被包裹在柔性封装外层(1)内的腔体阵列柔性层(2)、固定金属片(3)和腔体阵列金属基座(4)，腔体阵列柔性层(2)安装在腔体阵列金属基座(4)上，并通过固定金属片(3)和螺栓(11)固定连接；腔体阵列柔性层(2)和腔体阵列金属基座(4)之间形成多个密封且相互隔离不连通的油液填充空腔，油液填充空腔充满有传导油液(10)，每个油液填充空腔内的腔体阵列金属基座(4)底面固定有硅压力敏感单元(5)，并开有四个通孔，其中三个通孔中密封安装金属接线柱(6)，另一个通孔用于充入传导油液(10)并通过密封塞(7)塞紧，金属接线柱(6)位于油液填充空腔内的一端经内部金线(8)与硅压力敏感单元(5)连接，金属接线柱(6)位于油液填充空腔外的一端与外部引线(9)连接；

所述的腔体阵列金属基座(4)上设有多个间隔均布的凹槽，腔体阵列柔性层(2)设有与各个凹槽对应的半球形突起，突起在凹槽上配合形成油液填充空腔，整个腔体阵列柔性层(2)外覆盖有固定金属片(3)，相邻的两个油液填充空腔之间的腔体阵列金属基座(4)顶面设有螺纹孔(4a)，相邻的两个油液填充空腔之间的腔体阵列柔性层(2)和固定金属片(3)处均设有与螺纹孔(4a)相对应的通孔，螺栓(11)穿过固定金属片(3)和腔体阵列柔性层(2)通孔后连接到腔体阵列金属基座(4)。

2.根据权利要求1所述的一种基于液压力传导的柔性触觉传感器，其特征在于：所述的柔性封装外层(1)上表面具有与腔体阵列柔性层(2)各个半球形突起对应的微凸起阵列。

3.根据权利要求1所述的一种基于液压力传导的柔性触觉传感器，其特征在于：所述的腔体阵列金属基座(4)上的凹槽具有9个，呈3×3方式间隔阵列均布。

4.根据权利要求1所述的一种基于液压力传导的柔性触觉传感器，其特征在于：所述的柔性封装外层(1)和腔体阵列柔性层(2)均由柔性材料制成，固定金属片(3)和腔体阵列金属基座(4)均由刚性金属材料制成。

5.根据权利要求1所述的一种基于液压力传导的柔性触觉传感器，其特征在于：所述每个油液填充空腔的腔体阵列金属基座(4)底面的四个通孔分别为接线柱孔(4b)和密封孔(4c)。

6.根据权利要求1所述的一种基于液压力传导的柔性触觉传感器，其特征在于：所述的金属接线柱(6)通过玻璃熔融烧结方式固定于腔体阵列金属基座(4)的接线柱孔(4b)中，并在金属接线柱(6)柱侧面与接线柱孔(4b)内壁之间设有玻璃浆料。

7.根据权利要求1所述的一种基于液压力传导的柔性触觉传感器，其特征在于：所述的硅压力敏感单元(5)通过玻璃熔融烧结方式固定于腔体阵列金属基座(4)上。

8.根据权利要求1或4所述的一种基于液压力传导的柔性触觉传感器，其特征在于：所述的柔性封装外层(1)、腔体阵列柔性层(2)采用硅橡胶；所述的固定金属片(3)、腔体阵列金属基座(2)、金属接线柱(6)和密封塞(7)材料均为不锈钢；所述的传导油液(10)采用硅油。