CN108362410B - 一种三维力柔性传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维力柔性传感器，属于传感器技术领域，包括包括柔性基底和微结构，其中柔性基底包括保护夹层、以及放置在保护夹层内且呈阵列式分布的至少三个压敏单元，压敏单元的行列之间由导线连接；微结构包括支撑板，支撑板的上表面设有受力凸块、下表面设有与压敏单元数量相同的支撑柱，支撑柱与支撑板之间为倾斜安装，支撑柱的下端面平齐且分别与压敏单元对应布置。受力时，通过四个支撑柱传递至压敏单元，压敏单元所受作用力方向为倾斜方向，引起压敏单元电阻产生变化的只有正压力。变化的电阻可通过扫描获得，根据理论推导可求得柔性传感器单元所受三维力的大小和方向，如此减少维间耦合度，降低解耦难度。

Description

一种三维力柔性传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种三维力柔性传感器。

背景技术

在精密作业过程中，触觉是人类和智能机器人环境信息感知的重要组成部分。触觉包括接触力、大小、振动、温度、质感等主要感知形式，反映了周围环境和作用对象的状态信息，因而触觉传感器成为机器人与外界对象直接作用的必要媒介。特别是柔性多维触觉传感器，可弯曲成各种非平面形状作为机器人的柔性敏感皮肤，在医疗、航天、农业等非结构化环境中具有广泛应用。

中国专利公开号为CN106017752A公开的柔性多维力传感器，通过检测压力传感单元受力后电压的变化值，获取柔性多维力传感器表面收到的三维力。但该传感器结构中的金属连接件与主体硅胶之间无法紧密贴合，结构不够优化，精度不够。

中国专利公开号为CN103954382A公开的一种变介质式电容柔性三维力触觉传感器中符合多变介质层受力产生形变，通过测量传感器中的四个有效电容的变化值来实现对三维力的检测。该电容传感器具有一定的柔性，可调节三维力的量程和灵敏度，但是电容值容易受到寄生电容、外界环境噪声等干扰，三维力检测结果不准确。

中科院合肥智能机械研究所的孙鑫等研制出的一种三维力柔性触觉传感器阵列，行列扫描测量微结构中导电橡胶柱形体的电阻值，通过解耦得出作用在传感器上的三维力。但是该柔性传感器结构对解耦算法要求较高，解耦纬度和难度大，降低了解耦效率且精度不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维力柔性传感器，减小维间耦合度，降低解耦难度。

为实现以上目的，本发明采用一种三维力柔性传感器，包括柔性基底和微结构，其中柔性基底包括保护夹层、以及放置在保护夹层内且呈阵列式分布的至少三个压敏单元，压敏单元的行列之间由导线连接；微结构包括支撑板，支撑板的上表面设有受力凸块、下表面设有与压敏单元数量相同的支撑柱，支撑柱与支撑板之间为倾斜安装，支撑柱的下端面平齐且分别与压敏单元对应布置。

优选地，所述支撑柱的柱身均沿所述支撑板板面向外倾斜，且每个支撑柱柱身与所述支撑板板面之间倾斜的角度相同。

优选地，所述与压敏单元数量相同的支撑柱呈中心对称。

优选地，所述的支撑柱为四棱柱。

优选地，所述受力凸块为弧形凸块。

优选地，所述至少三个压敏单元呈三角形、矩形矩阵或环形矩阵分布，各压敏单元的行列之间通过与压敏单元相同阵列分布的导线连接。

优选地，所述保护夹层包括上薄膜和下薄膜，所述压敏单元布置在上薄膜和下薄膜之间。

优选地，所述压敏单元由具有压阻效应的柔性应变材料制备。

优选地，所述上薄膜和下薄膜的材质为PET或PVC或硅橡胶，且厚度均为5μm～50μm。

优选地，所述微结构的总高度为0.1mm～1mm、总边长为0.5mm～5mm，且微结构采用橡胶材料制备。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明提供的三维力柔性传感器在受到外部应力作用时，通过微结构中的多个倾斜的支撑柱传递至柔性基底中的压敏单元，压敏单元所受到的作用力方向为支撑柱倾斜的方向，因此，引起压敏单元电阻产生变化的只有正压力。其中，压敏单元电阻的变化可通过扫描获得，根据压敏单元的压阻方程，即可得到压敏单元所受正压力的大小，然后根据压敏单元的正压力推导出X轴和Y轴方向的分力，减小了维间耦合度，降低了解耦难度。

附图说明

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：

图1是一种三维力柔性传感器的结构示意图；

图2是一种三维柔性传感器的俯视图；

图3是具有三个压敏单元的三维力柔性传感器的结构示意图；

图4是压敏单元呈环形布置的结构示意图；

图5是对图1中压敏单元a的受力分析图；

图6是图3中压敏单元a的受力分析图；

图7是图4中压敏单元a的受力分析图。

图中：

12：导线；21：支撑板；22：受力凸块；23：支撑柱；1：压敏单元a；2：压敏单元b；3：压敏单元c；4：压敏单元d；5：上薄膜；6：下薄膜。

具体实施方式

为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。

如图1至图2所示，本实施例公开了一种三维力柔性传感器，包括：柔性基底和微结构，其中柔性基底包括保护夹层、以及放置在保护夹层内且呈阵列式分布的至少三个压敏单元，压敏单元的行列之间由导线12连接，每个压敏单元通过行列两根导线接入外部电路，以便于测量压敏单元的电阻值；微结构包括支撑板21，支撑板21的上表面设有受力凸块22、下表面设有与压敏单元数量相同的支撑柱23，支撑柱23与支撑板21之间为倾斜安装，支撑柱23的下端面平齐且分别与压敏单元对应布置。

需要说明的是，本实施例中的压敏单元随着受力的变化电阻值发生变化，其采用柔性应变材制备，将压敏单元放置在保护夹层内，保护夹层对压敏单元起保护作用，防止压敏单元受到摩损、腐蚀。压敏单元呈分列分行式分布，可方便三维力柔性传感器进行阵列式分布。压敏单元的阵列式分布，可方便增加三维力柔性传感器单元数量，依据实际力分布的需求，按阵列方式布置传感器单元。受力凸块22与支撑板21的上表面为硬连接，支撑板21的下表面与支撑柱23的上端面之间为硬连接，支撑柱23下端面的面积小于压敏单元上表面的面积，如图1所示，四个支撑柱23的下端面分别与压敏单元a1、压敏单元b2、压敏单元c3、压敏单元d4的上表面一一对应布置，使得支撑柱23的下端面与保护层接触并恰好位于压敏单元上。

实际应用中，柔性基底的保护夹层采用柔性材料制备，可以很好的贴附在执行器末端表面，受力凸块22在受到外部应力的作用时，通过四个倾斜的支撑柱23传递至压敏单元，压敏单元受到的作用力方向为支撑柱23倾斜的方向，引起压敏单元电阻发生变化的只有正压力，通过扫描行列导线，先接通第一行导线，检测所有列导线与第一行导线间的电阻，再接通第二行导线，检测所有列导线与第二行导线间的电阻，由此得到压敏单元电阻的变化值，从而根据压敏单元的压阻方程压敏电阻所受正压力的大小，并根据压敏单元所受的正压力，推导出其他两个方向的分离，减小了维间耦合度，降低了解耦难度。

作为进一步优选的方案，支撑柱23的柱身均沿所述支撑板21板面向外倾斜，且每个支撑柱23柱身与所述支撑板21板面之间倾斜的角度相同。其中，支撑柱23的柱身沿支撑板21板面向板面侧边倾斜，倾斜的角度范围为：支撑柱与x轴和y轴间的倾斜角度范围为20o～70o，以便更好的将压敏单元所受作用力的x、y和z方向分力分离出来。

作为进一步优选的方案，本实施例中设置的多个支撑柱23之间为中心对称布置。如图1所示，将四根支撑柱23以支撑板21的中心进行中心对称布置。本实施例中将多个支撑柱设置为中心对称布置，依据其中一个支撑柱的空间角度，可推导出其他支撑柱的空间角度，降低解析解耦公式的难度。

作为进一步优选的方案，本实施例中选取四棱柱作为支撑柱23，可将压敏单元受到的作用力方向固定为侧棱方向。应当说明的是，本领域技术人员也可以根据实际情况选择圆柱、三棱柱等其它形式。

作为进一步优选的方案，受力凸块22为弧形凸块，且受力凸块22与支撑柱23的中心对称点对应布置。其中，本实施例将受力凸块22设计为椭球状，以更好的传递三维力。如图1所示椭球状凸块的中心与支撑板21板面的中心对应布置，可使得微结构受力均匀，避免产生力矩。

作为进一步优选的方案，如图1、图3、图4所示，所述至少三个压敏单元呈三角形、矩形矩阵或环形矩阵分布，各压敏单元的行列之间通过阵列分布的导线连接。

作为进一步优选的方案，如图1所示，保护夹层包括上薄膜5和下薄膜6，所述压敏单元布置在上薄膜5和下薄膜6之间。上薄膜5和下薄膜6的材质为PET或PVC或硅橡胶，且厚度均为5μm～50μm，可保证薄膜具备柔性特性的同时成本不会太高。上薄膜5和下薄膜6采用柔性材质制备，具有良好的柔性，可实现弯曲变形，很好的贴附在执行器末端表面。

作为进一步优选的方案，压敏单元由具有压阻效应的应变电阻制备。应变电阻可印刷或者粘贴在薄膜上。

作为进一步优选的方案，微结构的总高度为0.1mm～1mm，如果高度设置太高影响传感器柔性，高度设置太低影响力的传递；总边长为0.5mm～5mm，边长设置太长会增大传感器单元尺寸，边长设置太小会影响传感器单元与环境对象的接触。本实施例中微结构采用橡胶材料制备，用户也可以根据具体需求来选用其它的材料制备。

需要说明的是，如图1至图2所示，本实施例中的压敏单元、支撑板21、上薄膜5及下薄膜6均涉及为方形，在实际应用中，本领域技术人员也可设计为三角形、圆形或者其它形状。

如图5所示，以对图1中的压敏单元a为例说明其三维力的理论计算过程：

三维力柔性传感器单元受到外部应力作用时，通过微结构中的四个支撑柱23传递至四个压敏单元，压敏单元a1受到的作用力方向为侧棱方向，引起压敏单元a1电阻R₁产生变化的只有正压力F1，变化的电阻R₁可通过扫描获得，根据压敏单元a1的压阻方程F₁＝f(R₁)可得到正压力的大小，其中f由压敏单元材料的压阻特性决定。

压敏单元a1所受作用的的方向为斜四棱柱侧棱方向，由压敏单元a1所受z轴方向正压力为F₁，可推导出压敏单元a1所受x轴方向分力为y轴方向分力为由于四个斜四棱柱中心对称，所述三维力柔性传感器单元的三维力，可通过以下公式解析获得：

F_z＝-(F₁+F₂+F₃+F₄)

其中，F_x、F_y和F_z分别表示三维力柔性传感器单元所受到的x、y和z方向上的力；F₁、F₂、F₃、和F₄分别表示压敏单元a1、压敏单元b2、压敏单元c3和压敏单元d4所受到的正压力；θ表示四棱柱的侧棱与z轴的夹角；表示四棱柱的侧棱在xOy平面上的投影与x轴的夹角。F₁、F₂、F₃、和F₄根据压敏单元的压阻方程F_i＝f(R_i),i＝1,2,3,4获得，R_i分别表示压敏单元的电阻。

如图6所示，对图3中的压敏单元a三维力的理论计算过程进行说明：

压敏单元a1所受作用的的方向为斜三棱柱侧棱方向，由压敏单元a1所受z轴方向正压力为F₁，可推导出压敏单元a1所受x轴方向分力为y轴方向分力为由于三个斜四棱柱中心对称，三棱柱的侧棱在xOy平面上的投影与x轴的夹角为60o，所述三维力柔性传感器单元的三维力，可通过以下公式解析获得：

F_z＝-(F₁+F₂+F₃)

其中，F_x、F_y和F_z分别表示三维力柔性传感器单元所受到的x、y和z方向上的力；F₁、F₂和F₃分别表示压敏单元a1、压敏单元b2和压敏单元c3所受到的正压力；θ表示三棱柱的侧棱与z轴的夹角。

如图7所示，对图4中的压敏单元a三维力的理论计算过程进行说明：

压敏单元a1所受作用的的方向为斜圆柱倾斜方向，y轴通过压敏单元阵列的中心，由压敏单元a1所受z轴方向正压力为F₁，可推导出压敏单元a1所受x轴方向分力为0，y轴方向分力为F₁secθsinθ，由于环形压敏单元的中心对称，所述三维力柔性传感器单元的三维力，可通过以下公式解析获得：

其中，F_x、F_y和F_z分别表示三维力柔性传感器单元所受到的x、y和z方向上的力；F_i分别表示压敏单元i所受到的正压力；θ表示四棱柱的侧棱与z轴的夹角；F_i根据压敏单元的压阻方程F_i＝f(R_i),i＝1,2,...,6获得，R_i分别表示压敏单元的电阻。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种三维力柔性传感器，其特征在于，包括：柔性基底和微结构，其中柔性基底包括保护夹层、以及放置在保护夹层内且呈阵列式分布的至少三个压敏单元，压敏单元的行列之间由导线连接；微结构包括支撑板，支撑板的上表面设有受力凸块、下表面设有与压敏单元数量相同的支撑柱，支撑柱与支撑板之间为倾斜安装，支撑柱的下端面平齐且分别与压敏单元对应布置；

所述支撑柱的柱身均沿所述支撑板板面向外倾斜，且每个支撑柱柱身与所述支撑板板面之间倾斜的角度相同；

所述与压敏单元数量相同的支撑柱呈中心对称；

在受到外部应力作用时，通过微结构中的多个倾斜的支撑柱传递至柔性基底中的压敏单元，压敏单元所受到的作用力方向为支撑柱倾斜的方向，因此，引起压敏单元电阻产生变化的只有正压力；其中，压敏单元电阻的变化可通过扫描获得，根据压敏单元的压阻方程，即可得到压敏单元所受正压力的大小，然后根据压敏单元的正压力推导出X轴和Y轴方向的分力。

2.如权利要求1所述的三维力柔性传感器，其特征在于，所述的支撑柱为四棱柱。

3.如权利要求1所述的三维力柔性传感器，其特征在于，所述受力凸块为弧形凸块，且受力凸块与支撑柱的中心对称点对应布置。

4.如权利要求1所述的三维力柔性传感器，其特征在于，所述至少三个压敏单元呈三角形、矩形矩阵或环形矩阵分布，各压敏单元的行列之间通过与压敏单元相同阵列分布的导线连接。

5.如权利要求1所述的三维力柔性传感器，其特征在于，所述保护夹层包括上薄膜和下薄膜，所述压敏单元布置在上薄膜和下薄膜之间。

6.如权利要求1所述的三维力柔性传感器，其特征在于，所述压敏单元由具有压阻效应的柔性应变材料制备。

7.如权利要求5所述的三维力柔性传感器，其特征在于，所述上薄膜和下薄膜的材质为PET或PVC或硅橡胶，且厚度均为5μm～50μm。

8.如权利要求1所述的三维力柔性传感器，其特征在于，所述微结构的总高度为0.1mm～1mm、总边长为0.5mm～5mm。