CN109357609A - 一种大幅面力/位触觉传感器 - Google Patents

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吴海彬
黄书亨
林政康
张友志
王浩淼
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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Abstract

本发明涉及一种大幅面力/位触觉传感器，包括从上到下依次设置上匀强电场层、压阻薄膜层和下匀强电场层；所述上匀强电场层、压阻薄膜层和下匀强电场层的外缘压合封闭；所述上匀强电场层与压阻薄膜层之间以及压阻薄膜层与下匀强电场层之间均设置有夹气层。本发明采用非阵列式柔性结构，通过两组激励电极组分时复用，大大缩减处理周期，能有效检测受压位置坐标和压力大小。

Description

一种大幅面力/位触觉传感器
技术领域
本发明涉及传感器领域，具体涉及一种大幅面力/位触觉传感器。
背景技术
触觉感知是智能机器人获取未知环境信息，防止对周围人类或物体造成不必要的损害，从而实现安全物理人机交互的重要方式。近年来，随着新材料和微电子技术的发展以及对触觉传感技术的一系列研究工作，国内外科研团队均取得不小的突破，在传感器的柔韧性方面有了很大进展，并由小面积逐步扩展到大面积的触觉检测。
专利（CN103267597）发明了一种基于压阻材料的电阻率成像柔性压力传感器。该传感器利用压敏导电橡胶作为压力检测垫，并在其周围均匀分布激励电极。通过检测系统向其中一对电极注入激励电流，从剩余电极上分别采集响应电压信号。当检测垫受到一定压力时，会引起导电橡胶内部电阻率发生变化，从而电极上所采集到的电压也发生改变，根据电阻抗成像技术就能得到所受压力大小和分布。虽然传感器结构、工艺简单，成本较低，但是每一个检测周期所需要采集的数据量多，计算量大，且电阻抗成像的算法相对复杂，对检测系统的要求较高。
专利（CN105067161）发明了一种匀强电场型的机器人触觉传感器。该传感器通过对上、下柔性层导电面的两组平行线状电极分时施加直流偏置电压，从而产生X和Y方向匀强电场。根据匀强电场中电势值沿电场方向等梯度分布，可求得按压点的相对位置。专利（CN105136344）发明了一种非匀强型的机器人触觉传感器。该传感器通过对下柔性层导电面的两组对角点电极分时施加直流偏置电压，从而产生A和B方向非匀强电场，根据修正后的点电荷电场分布公式，可求得按压点的相对位置。上述两发明均基于电场的原理实现了对接触位置的检测，但缺少对压力大小的检测，且导电层间设有网状隔层，以致于存在检测盲区。另外，由于两种传感器都采用直流偏置电压作为激励源，其精度易受到外界温度影响。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大幅面力/位触觉传感器，能够大大缩减处理周期，能有效检测受压位置坐标和压力大小。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种大幅面力/位触觉传感器，包括从上到下依次设置上匀强电场层、压阻薄膜层和下匀强电场层；所述上匀强电场层、压阻薄膜层和下匀强电场层的外缘压合封闭；所述上匀强电场层与压阻薄膜层之间以及压阻薄膜层与下匀强电场层之间均设置有夹气层。
进一步地，所述上匀强电场层和下匀强电场层均由绝缘衬底层、ITO膜和导电线组成，所述ITO膜均匀分布于所述绝缘衬底层一侧；所述导电线分布于ITO膜两端，并与ITO膜电接触。
进一步地，所述上匀强电场层的导电线上设置激励电极组X。
进一步地，所述下匀强电场层的导电线上设置激励电极组Y。
进一步地，所述夹气层在传感器未受压情况下，可以使得上、下匀强电场层与压阻薄膜层分离，且不影响检测的连续性。
进一步地，所述上匀强电场层、压阻薄膜层和下匀强电场层均为柔性和膜片状薄层。
进一步地，所述上匀强电场层、压阻薄膜层和下匀强电场层具有相同的轮廓形状。
进一步地，所述导电线的电导率大于ITO膜电导率×100。
进一步地，所述导电线通过丝网印刷的方式直接印刷在ITO膜上，使二者紧密粘合。
进一步地，所述压阻薄膜层是以绝缘的高分子聚合物为基体，掺入炭黑粒子制成。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明采用具有一定柔性的ITO导电膜和压阻薄膜两种敏感材料，满足仿生皮肤柔性的要求，能够大面积包覆在机器人体表，可以根据实际需要，制作不同尺寸的传感器；
2、本发明传感器激励电极组复用，只需将其连接到所设计的信号采集模块的传感器接口，就能对信号进行提取与处理，同时减少CPU的计算量，提高实时性。
3、本发明对于位置和压力检测分别采用不同激励源，有效降低系统功耗。
附图说明
图1是本发明结构图；
图2是本发明上均匀电场层结构简图；
图3是本发明下均匀电场层结构简图；
图4是本发明一实施例中受压时的结构截面图；
图5是本发明一实施例中压力检测原理图；
图6是本发明一实施例中位置检测原理图；
图中：1-上匀强电场层、2-压阻薄膜层、3-下匀强电场层、4-夹气层、5-封装胶、6-导电通路、11-上匀强电场层的ITO膜，12-上匀强电场层的导电线，13-上匀强电场层的过孔，14-激励电极组X端口，15-X方向电场线，16-X方向等势线，21-绝缘高分子聚合物，22-高导电纳米炭黑粒子，31-下匀强电场层的ITO膜，32-下匀强电场层的导电线，33-下匀强电场层的过孔，34-激励电极组Y端口，35-Y方向电场线，36-Y方向等势线。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种大幅面力/位触觉传感器，包括从上到下依次设置上匀强电场层1、压阻薄膜层2和下匀强电场层3；所述上匀强电场层1、压阻薄膜层2和下匀强电场层3的外缘用封装胶5压合封闭；所述上匀强电场层1与压阻薄膜层2之间以及压阻薄膜层2与下匀强电场层3之间均设置有夹气层4；所述上匀强电场层1和下匀强电场层3均由绝缘衬底层2、ITO膜和导电线组成，所述ITO膜均匀分布于所述绝缘衬底层一侧；所述导电线分布于ITO膜两端，并与ITO膜电接触。所述上匀强电场层的导电线上设置激励电极组X, 并通过过孔13与ITO膜上导电线电接触，还设置有端口14；所述下匀强电场层的导电线上设置激励电极组Y，并通过过孔33与ITO膜上导电线电接触，还设置有端口34。
在本发明一实施例中，所述夹气层在传感器未受压情况下，可以使得上、下匀强电场层与压阻薄膜层分离。而在传感器受压时，由于挤压夹气层，使得上、下匀强电场层与压阻薄膜层在受压位置接触形成导电通路6。
在本发明一实施例中所述上匀强电场层1、压阻薄膜层2和下匀强电场层3均为柔性和膜片状薄层，且具有相同的轮廓形状。
在本发明一实施例中，所述电线的电导率大于ITO膜电导率×100。
在本发明一实施例中，所述导电线通过丝网印刷的方式直接印刷在ITO膜上，使二者紧密粘合。
在本发明一实施例中，所述压阻薄膜层2是以绝缘的高分子聚合物21为基体，掺入炭黑粒子22制成。
本实施例压力检测是基于压阻薄膜的压阻特性，当外界对薄膜施加压力时，在一定范围内电阻值会随着压力的增大而减小，通过检测出压阻薄膜的等效电阻值R，就能根据已标定好的F-R数学模型曲线获取压力值。位置检测是基于匀强电场内场强处处相等的原理，由于等势线是一条直线且电势与位置呈线性关系，因此，只需构建X和Y方向的匀强电场，则每一个位置坐标即为两条等势线交点，通过获取电势值就能换算出该点的位置（x,y），即，其中，和分别为X和Y方向匀强电场内该点的电势值，和分别为X和Y方向的场强，和分别为X和Y方向的压差，和分别为X和Y方向匀强电场的间距。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种大幅面力/位触觉传感器，其特征在于：包括从上到下依次设置上匀强电场层、压阻薄膜层和下匀强电场层；所述上匀强电场层、压阻薄膜层和下匀强电场层的外缘压合封闭；所述上匀强电场层与压阻薄膜层之间以及压阻薄膜层与下匀强电场层之间均设置有夹气层。
2.根据权利要求1所述的一种大幅面力/位触觉传感器，其特征在于：所述上匀强电场层和下匀强电场层均由绝缘衬底层、ITO膜和导电线组成，所述ITO膜均匀分布于所述绝缘衬底层一侧；所述导电线分布于ITO膜两端，并与ITO膜电接触。
3.根据权利要求2所述的一种大幅面力/位触觉传感器，其特征在于：所述上匀强电场层的导电线上设置激励电极组X。
4.根据权利要求2所述的一种大幅面力/位触觉传感器，其特征在于：所述下匀强电场层的导电线上设置激励电极组Y。
5.根据权利要求1所述的一种大幅面力/位触觉传感器，其特征在于：所述上匀强电场层、压阻薄膜层和下匀强电场层均为柔性和膜片状薄层。
6.根据权利要求1所述的一种大幅面力/位触觉传感器，其特征在于：所述上匀强电场层、压阻薄膜层和下匀强电场层具有相同的轮廓形状。
7.根据权利要求2-4任一所述的一种大幅面力/位触觉传感器，其特征在于：所述电线的电导率大于ITO膜电导率×100。
8.根据权利要求2-4任一所述的一种大幅面力/位触觉传感器，其特征在于：所述导电线通过丝网印刷的方式直接印刷在ITO膜上，使二者紧密粘合。
9.根据权利要求1所述的一种大幅面力/位触觉传感器，其特征在于：所述压阻薄膜层是以绝缘的高分子聚合物为基体，掺入炭黑粒子制成。
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