CN105758563A - 一种基于电阻抗分布测量的单面电极柔性触觉传感器阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电阻抗分布测量的柔性触觉传感器阵列，其特征在于，采用外形为一平面盘的单面电极阵列，大量的丝状电极安装在电极盘的一侧，垂直于电极盘成正方形拓扑排列，电极安装完毕后用注射成型方法将导电橡胶均匀地灌注到电极节点框架中，其测量方法基于电阻抗测量原理，获取传感器受到外界压力前后其电极阵列的电阻抗分布网络，以传感器受压前后电阻网络电导率变化值为目标重建一幅差分图像。

Description

一种基于电阻抗分布测量的单面电极柔性触觉传感器阵列

技术领域

本发明涉及生物医学工程、机器触觉和工业等技术领域，具体地说，是涉及基于电阻抗分布测量方法的柔性触觉传感器阵列。

背景技术

触觉是人类通过皮肤感知外界环境的一种形式，主要感知来自外界的温度、湿度、压力、振动等，感受目标物体的形状、大小、材质、软硬程度等。基于人类触觉为原理的触觉传感器功能越来越完善并且已发展到很多领域，其主要是通过检测和识别功能来判断所接触物体的状态与特征。

有关触觉传感器的研究一直以来受到国内外学术界和工业界的广泛关注，但由于受制作工艺和材料自身的限制，传感器在结构上实现类似于皮肤柔性还存在困难。敏感材料性能是传感器性能的基础。没有表面柔顺性和缺乏通用性、造价贵、可靠性差被认为是触觉技术难以商用化的主要原因，缺乏柔顺性是它难以和人类皮肤相比的一个主要原因。因此选择合适敏感材料研制传感器倍受关注。

基于微机电系统MEMS的硅压阻式压力传感器可直接将压力变换成电量，但其器件不能承受较大形变和瞬时冲击。聚偏二氟乙烯PVDF薄膜与人的皮肤有很大的相似性，但只有在应力变化的情况下才能产生与所施加的机械应力变化呈正比的电荷，静态特性往往难于测量。此外，上述两种触觉传感器大都是组合式或盔甲式的，无法实现真正意义上的柔性，很难满足实际需求。导电橡胶的良好压敏特性以及柔软性，以及其制作工艺简单，低成本等特点，非常适合作为柔性触觉传感器敏感材料。目前的大量研究都集中在基于导电橡胶的触觉传感器的研究。

以硅橡胶作为基体材料，添加碳系导电填料制备的导电复合材料称为导电橡胶。导电橡胶与常用的导电材料相比具有价格便宜、设计简单，及易于实现多点测量等优点。这种复合材料既具有橡胶的弹性，又具有金属的导电性。作为柔性接触压力测量的导电橡胶的导电粒子含量必须控制在适宜的体积分数范围内，即正好处在发生隧道效应穿透几率迅速上升前的水平，这样胶体在压力下发生一定的形变时，受压部分的导电粒子含量增大，则受压部分的电阻减小，使导电材料可进行压力检测。一般而言，掺入导电填料的胶体基本上可以看作是一个电阻，在不受力的情况下，材料中的导电粒子彼此不接触，颗粒间存在聚合物隔离层，使导电颗粒中自由电子的定向运动受到阻碍，电流无法通过。当胶体受力时，导电粒子被迫彼此接近，就会形成导电粒子网络，从而呈现出导电性。随着外力的变化改变了胶体中导电粒子分布，从而改变了材料的电阻，使这种导电胶体所拥有的一个重要特性就是压力-电阻特性。

阵列式的柔性触觉传感器结构目前应用较多的是采用交叉的两层框架式节点结构。它是用目前广为使用的注射成型方法将导电橡胶浇注到传感器节点框架中。由于导电橡胶的压敏特性，传感器在外力作用下，橡胶会发生形变，节点间阻值也会随之发生变化。传感器的节点间阻值采用行扫描和列扫描的方式获取，从而得到传感器所受到的压力的分布情况。

这种结构由于需要在导电橡胶敏感膜的双侧制作节点电极及其衬底，严重影响了传感器的柔性性能。同时，节点电极及其衬底的强度和牢固度的要求使得测量敏感面的灵敏度大幅降低。此外，其传感器采用上下两层电极的行列结构，结构复杂，结构设计是传感器设计的重要内容，不同结构的设计方法会极大地影响了传感器的数学模型、测量规模、测量精度。

电阻抗技术是一种利用待测对象的电特性及其变化规律提取与待测对象相关信息的检测技术。它通常是借助电极阵列系统向检测对象送入一微小的交流测量电流或电压，检测相应的电阻抗及其变化信息。电阻抗技术既可以静态检测到待测对象电导率分布的绝对值，也可以实现对不同时刻电导率分布的变化的动态检测，同时具有无创、无害，廉价、操作简单和信息丰富等特点。

为了解决上述交叉的两层节点层构成框架的触觉传感器工艺复杂，制备困难等问题，设想基于电阻抗分布测量的单面电极柔性触觉传感器阵列。

发明内容

本发明提出一种基于电阻抗分布测量的单面电极柔性触觉传感器阵列，敏感材料采用兼具柔性和良好压敏特性的导电橡胶，其结构与以往导电橡胶条结构和交叉的两层电极层框架结构的触觉传感器有根本性的差别，测量方法和结果也与以往有显著差异。目的是解决以往的柔性触觉传感器工艺复杂，制备困难，解耦复杂等弊端。

本发明提出的柔性触觉阵列传感器采用单面电极阵列，其结构与交叉的两层节点层构成框架的触觉传感器差异很大。电极阵列外形为一平面盘，将大量的丝状电极安装在电极盘的一侧，并垂直于电极盘成二维分布，电极阵列按正方形拓扑排列。电极安装完毕后，用注射成型方法将导电橡胶浇注到电极节点框架中，其结构示意图俯视图如图1所示，左视图如图2所示。

所述柔性触觉阵列传感器的检测目标是采用电阻抗分布测量方法获取阵列传感器电极阵列的电阻抗分布信息，根据传感器受压前后电极阵列的电导率及其变化，以电导率分布的绝对值为目标重建两幅静态图像或以受压前后的电导率变化值为目标重建一幅差分图像。所述柔性触觉传感器没有受到外界压力时，导电橡胶的电阻是一定的。此时通过数据采集系统对全部相邻电极间的电阻进行测量，或者选定某一电极作为参考电极并测量其余全部电极与参考电极间的阻抗，可以得到导电橡胶无形变时传感器电极网络的电阻抗分布图。由于电极是均匀分布的，导电橡胶浇注到电极节点各处也是均匀的且各处均无形变，此时电极阵列可以等效为均匀分布的电阻网络，如图3所示。当触觉传感器某一局部由于受到外界压力发生形变，如图4所示，根据导电橡胶的压敏特性可知，该局部导电橡胶电阻减小。施加在导电橡胶上面压力的越大，导电橡胶形变越大，它的电阻减小就越显著。采用上述测量方法，可以获得导电橡胶受压形变后电极阵列的电阻抗分布图，即非均匀分布的电阻网络，如图5所示。

为获取以重建导电橡胶受压前后电导率变化值为目标的差分图像，可对受压前后电极阵列电阻抗分布信息进行归一化处理。对比图3和图5柔性触觉传感器局部受压力后电极网络对应位置处电阻值，设电极网络对应位置处受压前后阻值由R变成了R’，则其电导率变化率为（R-R’）/R’R。电极阵列中正方形小网格的电导率用网格四条边上的电导率变化率的均值来表示，并用整个网络各个正方形单元求解得到的电导率均值作为像素填充网格，重建一幅反映单面电极柔性触觉传感器阵列受压形变前后的电导率变化分布图像,其中受压局部及其周边单元的电导率分布如图6所示。由于传感器是局部受压，未受到压力部分在图像中的电导率变化很小或几乎为0，此为背景电导率，不同于背景电导率的部分对应的电极位置即指示了触觉传感器的受压部位。所述单面电极柔性触觉传感器受到的压力越大，受压表面的形变越大，电阻变化将越显著，归一化后的图像中电导率变化的绝对值越大。受压前后电导率变化分布图像直接反应了导电橡胶的所受压力的分布情况。

本发明采用柔性的单面电极传感器阵列，传感器结构较之于交叉两层电极阵列结构的传感器简单，工艺复杂度和制备成本将大大降低。其检测方法基于电阻抗分布测量，目标重建传感器受压前后电极阵列的电阻抗分布图像，原理和检测方法大大简化，所得图像可简单直观地反映导电橡胶形变前后受压大小。

附图说明

图1是本发明注射成型方法灌注导电橡胶的单面电极柔性触觉传感器阵列俯视图。1是导电丝，2是电极，3是电极引线，4是导电橡胶，5是衬底。

图2是本发明注射成型方法灌注导电橡胶的单面电极柔性触觉传感器阵列左视图。6是导电丝，7是导电橡胶，8是衬底，9是电极。

图3是本发明单面电极柔性触觉传感器未受压力时电极阵列的均匀电阻抗分布图。10是阻值为R的电阻。

图4是本发明单面电极柔性触觉传感器局部受压示意图。11是导电丝，12是导电橡胶，13是衬底，14是电极，15是对导电橡胶局部区域施加压力。

图5是本发明单面电极柔性触觉传感器受压形变后电极阵列的电阻抗分布图。16是阻值为R的电阻，17是阻值为R’的电阻，18是阻值为R’’的电阻。

图6是本发明电极阵列中受压前后差分图像中受压局部单元的电导率分布。19是电导率为的单元，20是电导率为的单元，21是阻值为的电阻，22是阻值为的电阻。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1和2所示，本发明的单面电极柔性触觉传感器是在衬底上按正方形拓扑排布一层丝状电极，用注射成型方法将导电橡胶均匀地灌注到电极阵列中，完全覆盖电极阵列。由于电极是均匀分布的，导电橡胶灌注到电极节点各处也是均匀的，触觉传感器电极阵列可以等效为均匀分布的电阻网络，每两个相距正方形边长的电极之间的电阻近似为定值，设对任意的两个电极间电阻进行测量的结果为R，如图3所示。

当触觉传感器某一局部由于受到外界压力发生形变，如图4所示。根据导电橡胶的压敏特性可知，该局部的导电橡胶电阻将减小。施加在导电橡胶上面压力的越大，导电橡胶形变越大，它的电阻减小就越显著。假设受压区域足够小，电极阵列上受压效应表现为该受压区域正下方的正方形单元电极及其相邻的正方形单元电极间的电阻发生相应变化。对受压后的电极阵列每两个相距正方形边长的电极之间的电阻进行测量，获得导电橡胶受压形变后电极阵列的电阻抗分布图，即非均匀分布的电阻网络，如图5所示。受压区域正下方的正方形单元的电极电阻变化为R’，该正方形的四个电极和与其相距正方形单元边长的电极间的电阻变化为R’’。根据受压前后的电极阵列的电阻，可以重建受压前和受压后电极阵列电导率分布的两幅静态图像和受压前后以电导率变化值为目标的一幅差分图像。差分图像中由受压引起电导率变化的局部单元的电导率如图6所示，其中，，,。

Claims (2)

1.一种柔性触觉传感器，其特征是采用单面电极阵列，电极阵列外形为一平面盘，将大量的丝状电极安装在电极盘的一侧，并垂直于电极盘成二维分布，电极阵列按正方形拓扑排列，电极安装完毕后用注射成型方法将导电橡胶均匀灌注到电极节点框架中。

2.按照权利要求1中所述的柔性触觉阵列传感器，基于电阻抗分布测量方法获取传感器电极阵列的电阻抗分布信息，其特征是，所述柔性触觉传感器在没有受到外界压力时导电橡胶的电阻是一定的，电极阵列的电阻抗呈均匀分布，受压后导电橡胶正下方所对的正方形电极单元及其相邻单元电阻发生变化，电极阵列电阻抗呈非均匀分布；通过数据采集系统对电极阵列中所有相距正方形边长的电极间的电阻进行测量并等效为电阻网络，以传感器受压前后电阻网络电导率变化值为目标重建一幅差分图像。