CN107677296B - 一种全柔性接近-触压觉传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全柔性接近‑触压觉传感器，其特征在于：呈垂直型“三明治”结构，是以有顶部无底部的柔性矩形腔体为支撑，从上至下依次设置有柔性接近觉传感单元、柔性触觉传感单元和柔性压觉传感单元。本发明全柔性接近‑触压觉传感器可实现接近‑触觉‑压觉全过程感知，为多功能电子皮肤提供了一种可行性设计思路。
Description
技术领域
本发明属于传感器领域，具体涉及一种全柔性接近-触压觉传感器。
背景技术
随着智能材料和柔性电子学的迅速发展，以及机器人技术、传感技术日益成熟，为智能机器人感知系统的研究及应用开辟了全新的道路。电子皮肤(e-skin)作为一种具备高柔韧度和拉伸性，且和人类皮肤一样可实现外界环境信息感知功能的人造柔性电子器件无疑成为智能机器人感知系统的核心。近年来，电子皮肤受到了科研工作者的广泛关注，在接近觉、触觉以及压觉等方面取得了可观的研究成果。
接近觉传感器主要应用于人机交互领域，其作用在于获取接近物体的准确距离和状态信息，从而辅助机器人实现软抓取、安全灵巧操作等。表1为视觉传感器、距离传感器与接近觉传感器的主要区别，虽然计算机视觉技术和距离传感技术已较为成熟，在检测范围、精度及响应时间等方面也可应用于人机交互领域实现安全交互，然而，因受操作空间、光线以及穿戴便携性等因素限制，在某些特定的应用场景诸如深海勘探、虚拟手术、虚拟装配以及智能抓取等应用领域很难满足实际应用需求。在人机交互环节中引入接近觉传感器，为智能机器人提供接近信息成为提升交互安全性的有效途径之一，具备不同结构与工作原理的接近觉传感器被逐渐提出。
表1视觉传感器、距离传感器与接近觉传感器的主要区别
合肥工业大学的黄英等人在接近觉传感器研究方面取得了较好的研究成果，提出了电阻-电容、电感-电容双模式接近觉传感器，双模式接近觉传感器克服了单一模式接近觉感知目标属性受限的弊端，并成功应用于机械手实现接近感知功能。然而，所提出的电感-电容双模式传感器是基于印刷电路板工艺，其非柔性特点限制该接近觉传感器无法安装在智能机器人手指、手臂等弯曲表面。基于平面结构的电阻-电容双模式接近觉传感器，电阻式和电容式接近传感单元处于同一平面，不利于提升接近觉传感器的集成度。基于平面多电极结构的电容式接近传感器的工作原理是：当目标物接近时，同面多电极间相对介电常数会发生相应变化，依据电容输出与目标接近物间函数关系可以检测接近信息。电容式接近觉传感器具有比电阻式接近觉传感器更高的响应速率和灵敏度，相比于电感式接近觉传感器，电容式接近觉传感器既可检测金属目标物也可检测非金属目标物的接近信息。另外，借助丝网印刷、旋涂、喷墨打印等工艺，可以很便利地制备超薄、高集成度的低剖面接近觉传感器。
基于硅基或金属应变的压力传感器在航空航天、工业制造等领域得到广泛应用，这类压力传感器同样不具备柔性特点。基于碳系导电复合材料的压敏传感器成为柔性压力传感器的主要方法之一，通过控制导电填料在母体中含量、填充相结构等可以制备具有不同力学特性与电学特性的压力传感单元。苏州纳米所张珽研究员及其团队研制出一种超灵敏度、高稳定性的电子仿生皮肤，可以对脉搏、心跳、喉部肌肉群震动等人体健康相关生理信号实时监测，以低成本的丝绸为模板代替昂贵且制备工艺复杂的硅基模板，以单壁碳纳米管为敏感材料，实现了具有微纳米结构柔性导电薄膜的可控制备，构筑出具有高灵敏度、高稳定性的柔性仿生电子皮肤。高丽大学的Choong C L等人通过在硅基表面光刻倒金字塔模具，将PDMS注入模具固化脱模获得表面具有金字塔微结构的柔性基体，并在其表面涂覆一层导电聚合物，利用在触觉力作用下金字塔微结构与电极间接触电阻和体电阻发生变化，实现高灵敏度触觉感知。合肥工业大学的黄英等人使用多巴胺/三(羟甲基)氨基甲烷混合溶液对聚氨酯海绵基体进行改性，再将炭黑/石墨烯/硅橡胶复合导电材料层层包覆聚氨酯海绵三维骨架制备高灵敏度、高重复性触觉传感单元，实验发现，可以实现对喉结振动等进行检测，有望应用于语音识别。严格意义上讲，压力传感器可分为触觉传感器和压觉传感器，其中，触觉传感器是指较小范围内(10kPa)压力信息，上述压力传感器均具备高灵敏度、低量程等特点，可实现触觉感知。然而，其感知压力信息的量程有限，容易出现感知“饱和”，即无法实现大量程压力信息感知。相反，基于压阻原理的压力传感器可以提升压力信息觉感知量程，用作压觉传感器，却存在在低量程段，压觉传感器容易出现感知“死区”的弊端。
为了克服压觉传感器存在小量程范围感知“死区”以及触觉传感器存在大量程范围感知“饱和”的问题，具备触压觉功能的压力传感器显得尤为重要并成为研究热点之一。
发明内容
为克服传统压觉传感器存在小量程范围感知“死区”以及触觉传感器存在大量程范围感知“饱和”的弊端，本发明提出了一种兼备接近感知、触觉感知和压觉感知的多功能全柔性传感器结构，所要解决的问题在于以同面叉指电极构成电容式柔性接近觉传感单元、以薄膜应变传感器构成柔性触觉传感单元、基于压阻效应制备柔性压觉传感单元，通过层层组装方式设计成垂直型“三明治”结构的全柔性接近-触压觉传感器。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明公开了一种全柔性接近-触压觉传感器，其特点在于：所述的全柔性接近-触压觉传感器整体呈垂直型“三明治”结构，是以有顶部无底部的柔性矩形腔体为支撑，从上至下依次设置有柔性接近觉传感单元、柔性触觉传感单元和柔性压觉传感单元；
所述的柔性接近觉传感单元设置在所述柔性矩形腔体顶部外表面的中心，为同面叉指电极结构，各叉指沿与所述柔性矩形腔体顶部短边平行的方向伸出，激励端和接收端分别为三叉指和四叉指状，且相邻叉指之间的间隙相同；
所述的柔性触觉传感单元呈矩形，设置在所述柔性矩形腔体的内腔中，并固定于所述柔性矩形腔体顶部内表面的中心；且所述的柔性触觉传感单元的各边缘与所述的柔性接近觉传感单元的各外边缘一一对应的位于相同的垂直面；
所述的柔性压觉传感单元与所述柔性矩形腔体顶部的面积相等，并固定在所述柔性矩形腔体下方，形成所述柔性矩形腔体的底部；在所述柔性压觉传感单元的上表面、位于所述柔性矩形腔体的内腔中设置有柔性矩形隔离层，且所述柔性矩形隔离层(4)的各侧面皆固定在在所述柔性矩形腔体(2)内腔的相应侧面上。
优选的，所述的柔性触觉传感单元的下表面与位于其正下方的所述柔性矩形隔离层非接触。
优选的，在所述柔性接近觉传感单元上表面涂有一层硅橡胶保护层，以防止与导体目标物接触时导致同面叉指电极短接。
优选的，所述的全柔性接近-触压觉传感器的各部分采用硅橡胶作粘接剂通过层层组装方式进行集成。
优选的，所述柔性接近觉传感单元以有机硅导电银胶为材质，所述柔性矩形腔体和所述柔性矩形隔离层均以硅橡胶为材质。
优选的，所述柔性触觉传感单元是以单壁碳纳米管/炭黑/硅橡胶复合导电材料制备的触觉敏感单元，其中，导电填料单壁碳纳米管与炭黑的质量比为1:1，导电填料占母体硅橡胶的质量分数9～12％。
优选的，所述柔性压觉传感单元是以石墨烯/炭黑/硅橡胶复合导电材料制备的触觉敏感单元，其中，导电填料石墨烯与炭黑的质量比为2:1，导电填料占母体硅橡胶的质量分数6～9％。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、与传统非柔性传感器相比，本发明的全柔性接近-触压觉传感器，克服了传统刚性传感器作电子皮肤时存在的不易形变、难以共形、穿戴舒适性差等弊端，可作为柔性电子皮肤大面积布设于智能机器人手部、手臂等弯曲部位，为提升智能机器人感知外界环境能力提供技术支撑；
2、本发明的全柔性接近-触压觉传感器，通过设计合理的垂直型“三明治”传感器结构，将接近觉、触觉及压觉等传感单元进行有机的集成及封装，解决了分立传感单元集成度低、不易提升感知分辨率等问题；且采用成熟的层层组装技术，具有制备流程简单、低成本等优势；同时，本发明实现了接近-触觉-压觉全过程感知功能，全柔性接近-触压觉传感器为多功能电子皮肤提供了一种可行性设计思路；
3、本发明的全柔性接近-触压觉传感器，通过调节触觉传感单元和压觉传感单元的感知量程，可巧妙地解决传统压觉传感器存在小量程范围感知“死区”以及触觉传感器存在大量程范围感知“饱和”的问题；垂直型触压觉传感器结构设计在提升传感器集成度的同时又可实现触觉、压觉信息的连续感知。
附图说明
图1是本发明全柔性接近-触压觉传感器的整体结构图；
图2是本发明全柔性接近-触压觉传感器的拆分结构图；
图3是本发明全柔性接近-触压觉传感器中接近觉传感单元的结构图；
图4是本发明全柔性接近-触压觉传感器中触觉传感单元的结构图；
图5是本发明全柔性接近-触压觉传感器中触觉传感单元的剖面结构图；
图6是本发明全柔性接近-触压觉传感器中触觉传感单元与隔离层的剖面结构图；
图7是本发明全柔性接近-触压觉传感器中压觉传感单元的结构图；
图8是本发明全柔性接近-触压觉传感器中接近觉传感单元的工作原理图；
图9是本发明全柔性接近-触压觉传感器中触觉传感单元的工作原理图；
图10是本发明全柔性接近-触压觉传感器中接近觉传感单元的尺寸参数图；
图11是本发明全柔性接近-触压觉传感器中触觉传感单元的尺寸参数图；
图12是本发明全柔性接近-触压觉传感器中压觉传感单元的尺寸参数图；
图中标号：1柔性接近觉传感单元；2柔性矩形腔体；3柔性触觉传感单元；4柔性矩形隔离层；5柔性压觉传感单元。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的全柔性接近-触压觉传感器的结构为：全柔性接近-触压觉传感器整体呈垂直型“三明治”结构，是以有顶部无底部(即整体呈“帽”形)的柔性矩形腔体2为支撑，从上至下依次设置有柔性接近觉传感单元1、柔性触觉传感单元3和柔性压觉传感单元5。
如图3所示，柔性接近觉传感单元1设置在柔性矩形腔体2顶部外表面的中心，为同面叉指电极结构，各叉指沿与柔性矩形腔体2顶部短边平行的方向伸出，激励端和接收端分别为三叉指和四叉指状，且相邻叉指之间的间隙相同；同时，在柔性接近觉传感单元1上表面涂有一层硅橡胶保护层，以防止与导体目标物接触时导致同面叉指电极短接。
如图4和图5所示，柔性触觉传感单元3呈矩形，设置在柔性矩形腔体2的内腔中，并固定于柔性矩形腔体2顶部内表面的中心；且柔性触觉传感单元3的各边缘与柔性接近觉传感单元1的各外边缘一一对应的位于相同的垂直面。
柔性压觉传感单元5与柔性矩形腔体2顶部的面积相等，并固定在柔性矩形腔体2下方(各边垂直对齐)，形成柔性矩形腔体2的底部；在柔性压觉传感单元5的上表面、位于柔性矩形腔体2的内腔中设置有柔性矩形隔离层4，且所述柔性矩形隔离层(4)的各侧面皆固定在在所述柔性矩形腔体(2)内腔的相应侧面上。柔性矩形隔离层4可以防止柔性触觉传感单元3在受力应变时与正下方柔性压觉传感单元5接触，对柔性压觉传感单元5输出造成影响。
如图6和图7所示，柔性触觉传感单元3位于柔性矩形腔体2顶部的内表面的中心，与正下方的柔性矩形隔离层4非接触，以便为柔性触觉传感单元3预留受力应变所需空间。
全柔性接近-触压觉传感器的各部分采用硅橡胶作粘接剂通过层层组装方式进行集成。
柔性接近觉传感单元1以有机硅导电银胶为材质，柔性矩形腔体2和柔性矩形隔离层4均以硅橡胶为材质。
柔性触觉传感单元3是以单壁碳纳米管/炭黑/硅橡胶复合导电材料制备的触觉敏感单元，其中，导电填料单壁碳纳米管与炭黑的质量比为1:1，导电填料占母体硅橡胶的质量分数9～12％。柔性压觉传感单元5是以石墨烯/炭黑/硅橡胶复合导电材料制备的触觉敏感单元，其中，导电填料石墨烯与炭黑的质量比为2:1，导电填料占母体硅橡胶的质量分数6～9％。
本发明的全柔性接近-触压觉传感器制作工艺主要基于丝网印刷、3D打印技术及硅橡胶流体成型技术。通过丝网印刷工艺在基体(如硅基体、玻璃等)成型柔性接近觉传感单元1、柔性触觉传感单元3和柔性矩形隔离层4。利用三维建模软件(如SolidWorks、AutoCAD、3D MAX等)设计本发明全柔性接近-触压觉传感器中柔性矩形腔体2和柔性压觉传感单元5所需模具，将硅橡胶基体和石墨烯/炭黑/硅橡胶复合导电材料注入各自模具中放入真空干燥箱中室温固化，待各部件固化后脱模，并使用硅橡胶作粘接剂将柔性接近觉传感单元1、柔性矩形腔体2、柔性触觉传感单元3、柔性矩形隔离层4和柔性压觉传感单元5层层组装即得本发明的全柔性接近-触压觉传感器。
本发明的全柔性接近-触压觉传感器的工作原理如下：
柔性接近觉传感单元1是由同面叉指电极构成，利用叉指电极中激励端-接收端间电容与目标接近物间距离关系感知当前目标接近物的距离信息，其工作原理如图8所示，当有目标接近物靠近时，激励端-接收端间有效介电常数会发生变化，影响输出电容值，且输出电容是关于目标接近物与叉指电极间距离的函数。
柔性触觉传感单元3工作原理如图9所示，当外力F作用于柔性矩形腔体2上表面时，作用力传递至柔性触觉传感单元3并使柔性触觉传感单元3发生形变，该形变可以等效为柔性触觉传感单元3发生一定的拉伸，从而引起输出柔性触觉传感单元3输出电阻发生改变，且输出电阻是关于F的函数。
柔性压觉传感单元5工作原理是基于压阻效应，当外力F继续增加时，柔性触觉传感单元3形变继续增加并与柔性矩形隔离层4接触，将外力F传递至柔性压觉传感单元5，柔性压觉传感单元5受力作用被压缩，有效导电通路发生变化，导致输出电容发生变化，且输出电阻是关于外力F的函数。
接近感知阶段：当目标物由远处连续接近时，首先是柔性接近觉传感单元1输出电容发生连续变化，直至目标物接触柔性接近觉传感单元1时，输出电容发生突变，此时认为目标接近物开始接触全柔性接近-触压觉传感器；
触觉感知阶段：当检测到柔性接近觉传感单元1输出电容发生突变后，柔性触觉传感单元3开始工作，检测触觉信息，在柔性触觉传感单元3与柔性矩形隔离层4未接触之前，柔性压觉传感单元5是不工作的，即无输出电阻变化；
压觉感知阶段：随着外力F继续增加，柔性触觉传感单元3形变继续增加并与柔性矩形隔离层4接触，柔性压觉传感单元5开始工作。可见，本发明一种全柔性接近-触压觉传感器可实现接近、触觉以及压觉全过程感知。
具体的，本发明的传感器按如下步骤进行制作：
首先，基于丝网印刷或喷涂打印、旋涂等工艺制备柔性接近觉传感单元1，柔性接近觉传感单元1中同面叉指电极尺寸参数如图10所示，选择YC-02型有机硅导电银胶作电极材料，YC-02型有机硅导电银胶甲、乙组分按质量比10:1均匀混合后室温下可自行固化，且固化后具有良好的导电性、可拉伸性及柔软性等优点。柔性触觉传感单元3的尺寸参数如图11所示，以单壁碳纳米管/炭黑/硅橡胶复合导电材料制备触觉敏感单元，其中，单壁碳纳米管与炭黑质量比为1:1，导电填料占母体(硅橡胶)质量分数9～12％。同理，成型柔性矩形隔离层4，其尺寸为13.5mm×9.5mm×0.2mm。
其次，基于3D打印技术及硅橡胶流体成型技术制备柔性矩形腔体2和柔性压觉传感单元5，其具体尺寸参数如图11和图12，将硅橡胶基体和石墨烯/炭黑/硅橡胶复合导电材料(石墨烯与炭黑质量比为2:1，导电填料占母体(硅橡胶)质量分数6～9％)注入各自模具中放入真空干燥箱中室温固化，待各部件固化后脱模，并使用硅橡胶作粘接剂将各部件层层组装。
Claims (7)
1.一种全柔性接近-触压觉传感器，其特征在于：所述的全柔性接近-触压觉传感器整体呈垂直型“三明治”结构，是以有顶部无底部的柔性矩形腔体(2)为支撑，从上至下依次设置有柔性接近觉传感单元(1)、柔性触觉传感单元(3)和柔性压觉传感单元(5)；
所述的柔性接近觉传感单元(1)设置在所述柔性矩形腔体(2)顶部外表面的中心，为同面叉指电极结构，各叉指沿与所述柔性矩形腔体(2)顶部短边平行的方向伸出，激励端和接收端分别为三叉指和四叉指状，且相邻叉指之间的间隙相同；
所述的柔性触觉传感单元(3)呈矩形，设置在所述柔性矩形腔体(2)的内腔中，并固定于所述柔性矩形腔体(2)顶部内表面的中心；且所述的柔性触觉传感单元(3)的各边缘与所述的柔性接近觉传感单元(1)的各外边缘一一对应的位于相同的垂直面；
所述的柔性压觉传感单元(5)与所述柔性矩形腔体(2)顶部的面积相等，并固定在所述柔性矩形腔体(2)下方，各边垂直对齐，形成所述柔性矩形腔体(2)的底部；在所述柔性压觉传感单元(5)的上表面、位于所述柔性矩形腔体(2)的内腔中设置有柔性矩形隔离层(4)，且所述柔性矩形隔离层(4)的各侧面皆固定在在所述柔性矩形腔体(2)内腔的相应侧面上。
2.根据权利要求1所述的一种全柔性接近-触压觉传感器，其特征在于：所述的柔性触觉传感单元(3)的下表面与位于其正下方的所述柔性矩形隔离层(4)非接触。
3.根据权利要求1所述的一种全柔性接近-触压觉传感器，其特征在于：在所述柔性接近觉传感单元(1)上表面涂有一层硅橡胶保护层，以防止与导体目标物接触时导致同面叉指电极短接。
4.根据权利要求1所述的一种全柔性接近-触压觉传感器，其特征在于：所述的全柔性接近-触压觉传感器的各部分采用硅橡胶作粘接剂通过层层组装方式进行集成。
5.根据权利要求1所述的一种全柔性接近-触压觉传感器，其特征在于：所述柔性接近觉传感单元(1)以有机硅导电银胶为材质，所述柔性矩形腔体(2)和所述柔性矩形隔离层(4)均以硅橡胶为材质。
6.根据权利要求1所述的一种全柔性接近-触压觉传感器，其特征在于：所述柔性触觉传感单元(3)是以单壁碳纳米管/炭黑/硅橡胶复合导电材料制备的触觉敏感单元，其中，导电填料单壁碳纳米管与炭黑的质量比为1:1，导电填料占母体硅橡胶的质量分数9～12％。
7.根据权利要求1所述的一种全柔性接近-触压觉传感器，其特征在于：所述柔性压觉传感单元(5)是以石墨烯/炭黑/硅橡胶复合导电材料制备的触觉敏感单元，其中，导电填料石墨烯与炭黑的质量比为2:1，导电填料占母体硅橡胶的质量分数6～9％。
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