CN108731856A - 柔性触觉传感器 - Google Patents

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任洪亮
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    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material

Abstract

本发明公开了一种基于多次柔性纺织材料的柔性触觉传感器，其包括由柔性压阻织物材料构成的压阻织物层、导电布或导电编织线等柔性导电织物材料构成的导电织物层、以及柔性非导电织物材料构成的非导电保护层。导电织物层中间夹有压阻织物层，而非导电保护层又将导电织物层和压阻织物层夹持和封闭在其内部。本发明的柔性触觉传感器与传统的刚性触觉传感器相比，具有适应性强、耐冲击、灵敏度高的优势，而与现有的柔性触觉传感器相比，具有响应速度快、易于集成、稳定性高、功耗低、成本低的优势。

Description

柔性触觉传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及基于多层柔性纺织材料的柔性触觉传感器。
背景技术
人与环境交互或者机器人与环境的物理交互过程中，接触力数据可用来判断是否接触到外界物体或测量被接触物体的特征，例如，重量、形状、尺寸和刚度等复杂细节。触觉传感器在非结构化环境中的使用通常要求具有足够的灵活性以符合可能接触到的三维曲面，能够提供良好的传感器响应、足够的空间分辨率，具有可接受的测量准确性水平，并且有一定的柔性以吸收外部冲击。然而，在新兴的软体机器人领域，传统的刚性触觉传感器无法同时满足所有上述要求。
随着导电纱、导电纺织品、导电聚合物等柔性电子材料的发展，具有柔性的触觉传感器，由于能够自适应不规则曲面和承受外力冲击，因此在越来越多的领域得到应用，特别是医疗领域，例如，关于身体运动姿态的医疗数据的获取、生理信号的监测、脑机接口的实现等。
现有柔性传感器通常采用的感测机制包括在受到外力作用时测量电容、电压、光强、和电阻等物理量，从而估计受到的处力，其实现的途径大多是利用各种刚性的触觉敏感元件，依赖柔性的组织结构组合而成，或利用柔性材料作为传递触觉信息的媒介。现有的柔性传感器难以兼顾柔软性和可靠性，并且高性能触觉传感器的发展，通常需要复杂的制造过程，导致成本高。
发明内容
基于此，有必要针对现有柔性触觉传感器存在的缺点，提供一种在各种弯曲表面和动态作用力下都能有效工作的新的柔性触觉传感器。
为实现本发明的目的，提出了一种柔性触觉传感器，其包括：
至少一个压阻织物层，其由柔性压阻织物材料构成；
两个第一导电织物层，其由柔性导电织物材料构成，所述两个第一导电织物层对称地设置在所述至少一个压阻织物层的两侧，以将所述至少一个压阻织物层夹在所述两个第一导电织物层中间，并且每个所述第一导电织物层的面积均小于所述压阻织物层的面积；以及
两个非导电保护层，其由柔性非导电织物材料构成，所述两个非导电保护层分别对称地设置在所述两个第一导电织物层的背向所述压阻织物层的一侧，每个所述非导电保护层的面向所述第一导电织物层的一侧涂有可熔接材料，并且每个所述非导电保护层面的面积均大于所述压阻织物层的面积，以致所述两个非导电保护层适于通过熔接方式封闭所述压阻织物层和所述第一导电织物层。
在其中一个实施例中，所述柔性触觉传感器还包括信号读取电路，所述信号读取电路的一端电连接至所述两个第一导电织物层，所述信号读取电路的另一端电连接至信号读取装置。
在其中一个实施例中，每个所述压阻织物层的厚度均为0.38毫米。
在其中一个实施例中，所述柔性触觉传感器包括两个压阻织物层。
在其中一个实施例中，每个所述第一导电织物层均由导电布制成。
在其中一个实施例中，每个所述第一导电织物层均由导电编织线制成。
在其中一个实施例中，所述柔性触觉传感器包括两个压阻织物层，并且还包括一个第二导电织物层，所述第二导电织物层与所述第一导电织物层的形状和尺寸相同，并且与所述第一导电织物层中心对齐地夹在所述两个压阻织物层之间。
在其中一个实施例中，每个所述第一导电织物层均由导电布制成，而所述第二导电织物层由导电编织线制成。
在其中一个实施例中，每个所述第一导电织物层均由导电编织线制成，而所述第二导电织物层由导电布制成。
在其中一个实施例中，所述柔性触觉传感器还包括两个信号读取电路，其 中一个信号读取电路的一端电连接至所述两个第一导电织物层中的其中一个第一导电织物层和所述第二导电织物层，另一端电连接至信号读取装置；另一个信号读取电路的一端电连接至所述两个第一导电织物层中的另一个第一导电织物层和所述第二导电织物层，另一端也电连接至信号读取装置。
本发明的柔性触觉传感器基于多层柔性纺织材料，特别是采用了由柔性压阻织物材料构成的压阻织物层，以及由导电布或导电编织线等柔性导电织物材料构成的导电织物层，能够在非结构化环境下的使用中同时保证灵活性和可靠性。与传统的刚性触觉传感器相比，根据本发明的柔性触觉传感器具有适应性强、耐冲击、灵敏度高的优势。并且与现有的柔性触觉传感器相比，根据本发明的柔性触觉传感器具有响应速度快、易于集成、稳定性高、功耗低、成本低的优势。因此，根据本发明的柔性触觉传感器可适用于不同的弯曲表面和动态交互的接触力测量。
附图说明
图1为根据本发明的第一实施例的柔性触觉传感器的结构示意图；
图2为根据本发明的实施例的柔性触觉传感器的等效电路图；
图3为根据本发明的第二实施例的柔性触觉传感器的结构示意图；
图4为根据本发明的第三实施例的柔性触觉传感器的结构示意图；
图5为根据本发明的第四实施例的柔性触觉传感器的结构示意图；
图6为根据本发明的第五实施例的柔性触觉传感器的结构示意图；
图7为根据本发明的第六实施例的柔性触觉传感器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
第一实施例
图1展示了根据本发明的第一实施例的柔性触觉传感器的结构示意图。如图1所示，柔性触觉传感器具有五个高度可拉伸的柔性纺织材料层1-5，其中，第1层和第5层为非导电保护层30，第2层和第4层为导电织物层21A，第3层为压阻织物层10。两个导电织物层21A对称地设置在压阻织物层10的两侧以将压阻织物层10夹在这两个导电织物层21A中间。两个导电织物层21A的面积均略小于压阻织物层10的面积，从而避免这两个导电织物层21A的接触而导致短路。两个非导电保护层30分别对称地设置在两个导电织物层21A的背向压阻织物层10的一侧，并且这两个非导电保护层30的面积均大于压阻织物层10的面积，从而能够完全覆盖导电织物层21A和压阻织物层10以形成保护性外覆盖层。
压阻织物层10由柔性压阻织物材料构成，例如，在本实施例中，可能采用由72％锦纶，28％弹性纤维组成的LTT-SLPA形成可伸缩面料层，然后在该可伸缩面料层上涂覆聚吡咯导电聚合物形成柔性压阻织物材料。在本实施例中，构成压阻织物层10的柔性压阻织物材料层具有0.38毫米的近似厚度。本领域技术人员可以理解的是，该柔性压阻织物材料可以是市场上可以获得的、可根据施加的涂层厚度不同而形成不同的电阻变化的柔性压阻织物材料。
导电织物层由柔性导电织物材料构成，例如，在本实施例中，导电织物层21A可能由导电布制成，该导电布包括由76％的尼龙和24％的弹性纤维组成可伸缩面料层，以及镀在该可伸缩面料层上的医用级导电银。构成的导电织物层21A具有在两个方向上拉伸的能力，并且具有0.40毫米的近似厚度和小于0.5欧姆的表面电阻率。
非导电保护层30由柔性非导电织物材料构成，例如，在本实施例中，可能采用高弹性乙烯基织物材料构成非导电保护层30。非导电保护层30的目的是形成柔性触觉传感器的非导电层。非导电保护层30面向导电织物层的一侧涂有可熔接材料，以致两个非导电保护层30适于通过熔接封闭压阻织物层和导电织物层，以形成绝缘保护。
在本实施例中，柔性触觉传感器还包括信号读取电路(未图示)，该信号读 取电路的一端电连接至两个导电织物层21A，信号读取电路的另一端电连接至信号读取装置。信号读取电路连接至导电织物层的一端具有两根接线，这两根接线分别连接到两个导电织物层21A，通过信号读取装置可读取两个导电织物层21A之间的。本领域技术人员可以理解的是在执行非导电保护层30的熔接之前，需在将信号读取电路电连接到导电织物层。电连接和熔接可采用本领域已经的惯用技术实现，在此不再赘述。
以下说明本实施例的柔性触觉传感器的工作原理。压阻织物层10被夹在两个导电织物层21A之间，两个导电织物层21A在压阻织物层10上的重叠区域形成单个感测元件。当柔性触觉传感器接触物体而受到外力作用时，柔性的非导电保护层、导电织物层和压阻织物层在外力作用下相继被压缩。压阻织物层在接触点位置的压缩将导致接触点位置电阻减少，即在接触点位置两个导电织物层之间的电阻减少。因此，柔性触觉传感器实现压阻原理是，由于施加的外力使传感器受到局部变形，而引起压阻织物层的电阻变化从而导致导电织物层之间的电阻的变化。
在本实施例中，采用了Arduino平台作为信号读取装置来检测柔性触觉传感器的电阻变化，其中，还采用了低通滤波器(LPF)来去除测量过程中可能存在的噪声。如图2所示，信号读取电路连接至Arduino平台的模拟输入引脚。由于压阻材料的电阻输出取决于施加的外力，因此柔性触觉传感器的感测元件相当于一个可变电阻Rsensor，其电阻值取决于所施加的外力大小。连接到外部电压源的电阻这种变化反映为在导电层中的电位差Vsensor的变化。为了使得电流流动造成的能量损失最小化，压阻织物层设计为在未受外力作用的情况下具有较高的电阻，因而在这种情况下通过压阻织物层的电流极小，这对于电池供电的便携式系统特别有利。Arduino平台通过测量导电织物层之间的电位差的变化可以得到施加在柔性触觉传感器上的外力的变化。对于具有多敏感元件阵列的传感器，感测元件的阵列是通过形成导电带的重叠区域形成的。信号读取可采用每个感测元件单独连接到信号读取装置，或采用复用电路连接到信号读取装置以减少模拟引脚数。本领域技术人员可以理解的是，这些电路连接和控制的实现手段均为本领域的惯用技术手段，在此不再赘述。
在本实施例中，柔性触觉传感器采用了单层压阻织物层和双层导电布，因此可以根据其分层架构简称为“单压双布”式柔性触觉传感器。
第二实施例
如图3所示，本实施例的柔性触觉传感器的结构类似于第一实施例的柔性触觉传感器的结构，不同之处在于，本实施例的柔性触觉传感器的第2层和第4层的导电织物层21B均由导电编织线制成。导电编织线在导电织物层中的排列模式是彼此正交，以确保较高数量的重叠点，形成更高的导电性。本实施例采用的导电编织线是具有高韧性的捻纱，电阻率小于500欧姆每米。
在本实施例中，柔性触觉传感器采用了单层压阻织物层和双层导电编织线，因此可以根据其分层架构简称为“单压双线”式柔性触觉传感器。
第三实施例
如图4所示，本实施例的柔性触觉传感器的结构类似于第一实施例的柔性触觉传感器的结构，不同之处在于，本实施例的柔性触觉传感器包括两个压阻织物层10，即第3层和第4层。压阻织物层的增加可以增加传感器的灵敏度，因此，即使施加有较小的外力，双层压阻织物层的形变会引起电阻的急剧下降，从而导致导电层的电位差的较大变化。本领域技术人员可以理解的是，还可以根据实际应用的需要设置两个以上的压阻织物层。压阻织物层每增加一层约有200到300微米的传感器厚度增加。
在本实施例中，柔性触觉传感器采用了双层压阻织物层和双层导电布，因此可以根据其分层架构简称为“双压双布”式柔性触觉传感器。
第四实施例
如图5所示，本实施例的柔性触觉传感器的结构类似于第三实施例的柔性触觉传感器的结构，不同之处在于，本实施例的柔性触觉传感器的第2层和第5层的导电织物层21B均由导电编织线制成。
在本实施例中，柔性触觉传感器采用了双层压阻织物层和双层导电编织线 层，因此可以根据其分层架构简称为“双压双线”式柔性触觉传感器。
第五实施例
如图6所示，本实施例与前述实施例的不同在于，本实施例的柔性触觉传感器同时包括了由导电布制成的导电织物层和由导电编织线制成的导电织物层。具体地，该柔性触觉传感器的第1层和第7层为非导电保护层30，第2层和第6层为导电织物布21A，第4层为导电编织线22B，第3层和第4层为压阻织物层10。该柔性触觉传感器能够同时具有导电布和导电编织线的特点。
在本实施例中，柔性触觉传感器还可能包括两个信号读取电路(未图示)，其中一个信号读取电路的传感器端的两根接线分别电连接至第2层的导电织物布21A和第4层的导电编织线22B，另一个信号读取电路的传感器端的两根接线分别电连接至第4层的导电编织线22B和第6层的导电织物布21A，这两个信号读取电路连接至第4层的导电编织线22B的接线可以复用。两个信号读取电路的信号读取端连接至信号读取装置，例如，Arduino平台。信号读取装置可以测量得到三个导电层(第2层、第4层和第6层)之间的电位差。
在本实施例中，柔性触觉传感器采用了双层压阻织物层和外导电布、内导电编织线的混合型导电层，因此可以根据其分层架构简称为“双压布线”式柔性触觉传感器。
第六实施例
如图7所示，本实施例的柔性触觉传感器的结构类似于第五实施例的柔性触觉传感器的结构，不同之处在于，本实施例的柔性触觉传感器的第2层和第6层的导电织物层均由导电编织线制成，而第4层的导电织物层由导电布线制成。
在本实施例中，柔性触觉传感器采用了双层压阻织物层和外导电编织线、内导电布的混合型导电层，因此可以根据其分层架构简称为“双压线布”式柔性触觉传感器。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种柔性触觉传感器，其包括：
至少一个压阻织物层，其由柔性压阻织物材料构成；
两个第一导电织物层，其由柔性导电织物材料构成，所述两个第一导电织物层对称地设置在所述至少一个压阻织物层的两侧，以将所述至少一个压阻织物层夹在所述两个第一导电织物层中间，并且每个所述第一导电织物层的面积均小于所述压阻织物层的面积；以及
两个非导电保护层，其由柔性非导电织物材料构成，所述两个非导电保护层分别对称地设置在所述两个第一导电织物层的背向所述压阻织物层的一侧，每个所述非导电保护层的面向所述第一导电织物层的一侧涂有可熔接材料，并且每个所述非导电保护层面的面积均大于所述压阻织物层的面积，以致所述两个非导电保护层适于通过熔接方式封闭所述压阻织物层和所述第一导电织物层。
2.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述柔性触觉传感器还包括信号读取电路，所述信号读取电路的一端电连接至所述两个第一导电织物层，所述信号读取电路的另一端电连接至信号读取装置。
3.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其特征在于，每个所述压阻织物层的厚度均为0.38毫米。
4.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其特征在于，每个所述第一导电织物层均由导电布制成。
5.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其特征在于，每个所述第一导电织物层均由导电编织线制成。
6.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述柔性触觉传感器包括两个压阻织物层。
7.根据权利要求6所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述柔性触觉传感器还包括一个第二导电织物层，所述第二导电织物层与所述第一导电织物层的形状和尺寸相同，并且与所述第一导电织物层中心对齐地夹在所述两个压阻织物层之间。
8.根据权利要求7所述的柔性触觉传感器，其特征在于，每个所述第一导电织物层均由导电布制成，而所述第二导电织物层由导电编织线制成。
9.根据权利要求7所述的柔性触觉传感器，其特征在于，每个所述第一导电织物层均由导电编织线制成，而所述第二导电织物层由导电布制成。
10.根据权利要求7～9任一项所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述柔性触觉传感器还包括两个信号读取电路，其中一个信号读取电路的一端电连接至所述两个第一导电织物层中的其中一个第一导电织物层和所述第二导电织物层，另一端电连接至信号读取装置；另一个信号读取电路的一端电连接至所述两个第一导电织物层中的另一个第一导电织物层和所述第二导电织物层，另一端也电连接至信号读取装置。
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