CN109708785B

CN109708785B - 柔性电容型触觉传感器、电子皮肤、可穿戴设备及方法

Info

Publication number: CN109708785B
Application number: CN201811605950.1A
Authority: CN
Inventors: 张旭; 张琪; 鲁琳; 刘鸣; 陈弘达
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2020-10-23
Anticipated expiration: 2038-12-26
Also published as: CN109708785A

Abstract

本发明公开了一种柔性电容型触觉传感器、电子皮肤、可穿戴设备及方法，柔性电容型触觉传感器，包括：传感层、压敏层和驱动层，其中，传感层为上电极层，用于感应触摸位置和压力；压敏层为间隔兼传输层，与传感层连接，用于传输传感层感应到的触摸位置和压力；驱动层为下电极层，与压敏层连接，用于检测和分析触摸位置和压力大小，包含多个结构相同的触觉单元以及各个触觉单元之间的绝缘部；其中，每个触觉单元的结构满足：待测接触点在不同位置时，与该待测接触点的位置对应的各个触觉单元之间的相对面积占比发生变化。该传感器可实现三维压力大小和受压位置的同时检测，具有精度高、功耗小、结构新颖、以及较高的传感灵敏度的特点。

Description

柔性电容型触觉传感器、电子皮肤、可穿戴设备及方法

技术领域

本公开属于传感技术和人工智能应用技术领域，涉及一种柔性电容型触觉传感器、电子皮肤、可穿戴设备及方法。

背景技术

智能机器人的高速发展令世界瞩目，在医疗器械、体育运动、工业设备等领域中扮演越来越重要的角色。智能机器人在工作时与外部环境直接作用，从而感知判断外部环境的物理特性，这就需要机器人对触觉信息进行处理。可见触觉的实现对机器人的智能化是非常重要的。为了适应这样的需求，世界各地的学者对触觉研究给予了充分的重视。

在人机交互时，为了确保安全性，要求触觉传感器具有类似于人类皮肤的柔软性，且能够适应不同外部环境的特性。因此，检测三维压力的柔性触觉传感器引发了研究热潮。类似于人的皮肤，智能机器人配备的电子皮肤是柔软的、具有数据处理能力的微型传感阵列，可以覆盖在智能机器人表面，通过传感器感知外部环境，进而执行命令。

触觉研究中最为重要的因素当属接触力大小以及位置，而现有技术中，一般都是基于单一的力学量进行传感表征和检测，比如检测得到压力的大小，或者检测得到压力的位置，或者在不同的部件分别实现压力的位置或大小的检测，将这些部件集成起来，而很少有在单一的部件中实现三维压力的大小和位置的同时检测，这种集成实现力的大小和位置的设计存在工艺复杂、成本高、性能不稳定的缺陷。

因此在智能器件的发展需求下，有必要提出一种可同时检测三维压力大小及位置、柔韧性良好、性能稳定的触觉传感器。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种柔性电容型触觉传感器、电子皮肤、可穿戴设备及方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种柔性电容型触觉传感器，可同时检测三维压力大小及位置，包括：传感层1、压敏层2和驱动层3，其中，传感层1为上电极层，用于感应触摸位置和压力；压敏层2为间隔兼传输层，与传感层1连接，用于传输传感层1感应到的触摸位置和压力；驱动层3为下电极层，与压敏层2连接，用于检测和分析触摸位置和压力大小，包含多个结构相同的触觉单元4以及各个触觉单元之间的绝缘部5；其中，每个触觉单元的结构满足：待测接触点在不同位置时，与该待测接触点的位置对应的各个触觉单元之间的相对面积占比发生变化。

在本公开的一些实施例中，每个触觉单元4均具有第一数量向外的凸起和第二数量向内的凹陷，每个触觉单元的凸起位置与近邻触觉单元的凹陷位置对应放置，形成相互交叉的叉指结构。

在本公开的一些实施例中，每个触觉单元4具有4个向外的凸起和1个向内的凹陷，其中，有2个凸起的角度相同，为第一角度，另外2个凸起的角度也相同，为第二角度，第二角度为第一角度的2倍，1个向内的凹陷与具有第二角度的凸起对应放置，每四个触觉单元互相交叉形成一个基本的检测单元，通过对各个检测单元的电容输出变化进行建模，实现对触摸位置和压力大小的判断。

在本公开的一些实施例中，压敏层2为紧密排列的针状PDMS阵列。

在本公开的一些实施例中，压敏层2通过模塑技术制备得到。

在本公开的一些实施例中，传感层1为导电织物。

根据本公开的另一个方面，提供了一种电子皮肤，包括本公开提到的任一种柔性电容型触觉传感器。

在本公开的一些实施例中，该电子皮肤设置于机器人的身体部件上。

根据本公开的又一个方面，提供了一种可穿戴设备，包括本公开提到的任一种柔性电容型触觉传感器。

根据本公开的再一个方面，提供了一种基于本公开提到的任一种柔性电容型触觉传感器进行三维压力大小及位置同时检测的方法，该方法包括：对应待测点处于不同位置时，根据各个触觉单元输出的相对面积占比不同，在X轴向和Y轴向，寻找各个触觉单元相对面积最大的区域的位置，从而判断该位置为接触位置；同时，根据待测点的压力大小使压敏层的形变程度不同导致上电极层与下电极层之间的距离不同，在Z轴向，根据距离-电容曲线标定电容值，并利用距离与压力大小的对应关系，得到电容值与压力大小的关系，从而实现三维压力的大小和位置同时检测。

在本公开的一些实施例中，每四个触觉单元互相交叉形成一个基本的检测单元，通过对各个检测单元的电容输出变化进行建模，实现对触摸位置和压力大小的判断。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的柔性电容型触觉传感器、电子皮肤、可穿戴设备及方法，具有以下有益效果：

(1)通过在驱动层中设置多个结构相同的触觉单元，并且每个触觉单元的结构满足：待测接触点在不同位置时，与该待测接触点的位置对应的各个触觉单元之间的相对面积占比发生变化，在接触点移动的过程中，根据驱动层的各个触觉单元输出占比不同，通过对传感器的输出结果进行处理，便可实现三维压力大小和受压位置的同时检测；具有精度高、功耗小、结构新颖的特点；

(2)在一优选实施例中，通过设置触觉单元为相互交叉的叉指结构，有效的满足了上述对于触觉单元结构的要求，同时还有效利用了驱动层的面积，在单位面积内实现了不同触觉单元的变化占比差异较大，有助于提高器件的传感灵敏度；

(3)该柔性电容型触觉传感器采用柔性材料制作，能够精准地检测三维接触力的大小及位置，并具有良好的柔性与延展性，作为电子皮肤，可以设置于机器人的身体部件上，比如包覆在机器人表面，形成类人皮肤，或者作为可穿戴器件实现传感。

附图说明

图1为根据本公开一实施例所示的柔性电容型触觉传感器的结构示意图。

图2为根据本公开一实施例所示的(a)压敏层微针阵列的低倍SEM图谱，和(b)放大之后的微针结构SEM图谱。

图3为根据本公开一实施例所示的驱动层的结构示意图。

图4A为根据本公开一实施例所示的利用COMSOL Multiphysics模拟四个近邻触觉单元的模型示意图。

图4B为与图4A对应的模型中近邻触觉单元的输出与1/Z的关系曲线。

图4C为与图4A对应的模型中近邻触觉单元的输出与X的关系曲线。

图4D为与图4A对应的模型中近邻触觉单元的输出与Y的关系曲线。

图5为根据本公开一实施例所示的在接触点移动时，不同触觉单元相对面积占比变化的示意图。

图6为根据本公开一实例所示的接触点的移动路径与位置计算结果的对比图。

【符号说明】

1-传感层； 2-压敏层；

3-驱动层； 4-触觉单元；

5-绝缘部。

具体实施方式

电容型触觉传感器是将接触力转化为电容量的变化进行表征。在对电容器极板施加压力后，电容器的极板间距及相对面积会发生变化，据此来获取压力信息。电容型传感器因其功耗低，结构简单，输出稳定，温度系数小，动态响应特性好等诸多优点，而广泛应用在触觉传感器。然而基于电容型触觉传感器的实际应用中，传统压力屏仅仅可以用于单点接触力大小的检测，传统触摸屏仅仅可以用于接触力的位置记录，二者对于接触力的情况描述并不全面。这样看来，设计一款可以同时检测压力大小及位置的触觉传感器显得尤为重要。

本公开提出了一种柔性电容型触觉传感器、电子皮肤、可穿戴设备及方法，通过在驱动层中设置多个结构相同的触觉单元，并且每个触觉单元的结构满足：待测接触点在不同位置时，与该待测接触点的位置对应的各个触觉单元之间的相对面积占比发生变化，在接触点移动的过程中，根据驱动层的各个触觉单元输出占比不同，通过对传感器的输出结果进行处理，便可实现三维压力大小和受压位置的同时检测；具有精度高、功耗小、结构新颖的特点。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种柔性电容型触觉传感器。

参照图1所示，本公开的柔性电容型触觉传感器，可同时检测三维压力大小及位置，包括：传感层1、压敏层2和驱动层3，其中，传感层1为上电极层，用于感应触摸位置和压力；压敏层2为间隔兼传输层，与传感层1连接，用于传输传感层1感应到的触摸位置和压力；驱动层3为下电极层，与压敏层2连接，用于检测和分析触摸位置和压力大小，包含多个结构相同的触觉单元4以及各个触觉单元之间的绝缘部5；其中，每个触觉单元的结构满足：待测接触点在不同位置时，与该待测接触点的位置对应的各个触觉单元之间的相对面积占比发生变化。

下面结合附图对本实施例的柔性电容型触觉传感器进行详细介绍。

本实施例中，传感层1为上电极层，用于感应触摸位置和压力，采用良好的导电材料制成，可以是导电织物。

压敏层2为良好的压力传输体，施加压力时，压敏层发生形变来传递压力；压力释放后，压敏层迅速恢复至初始状态，具有良好的可恢复性及稳定性。

本实施例中，参照图2中(a)和(b)所示，压敏层2是紧密排列的针状聚二甲基硅氧烷(PDMS)阵列，具有良好的弹性及可塑性。该压敏层2通过模塑技术制备得到：首先采用传统MEMS硅加工工艺制作模具，再将PDMS注入模具，以1000rpm(转速可以根据实际情况进行调整)进行旋涂后，在85℃下固化30分钟后剥离出所需柔性针状结构。该紧密排列的针状PDMS阵列为良好的压力传输体，施加压力时，针状结构弯曲；压力释放后，针状结构迅速恢复至初始状态，具有良好的可恢复性及稳定性。

图3为根据本公开一实施例所示的驱动层的结构示意图。

本实施例中，每个触觉单元4均具有第一数量向外的凸起和第二数量向内的凹陷，每个触觉单元的凸起位置与近邻触觉单元的凹陷位置对应放置，形成相互交叉的叉指结构。

在一优选的实施例中，通过结构的优化设置，参照图3所示，每个触觉单元4具有4个向外的凸起和1个向内的凹陷，其中，有2个凸起的角度相同，为第一角度，另外2个凸起的角度也相同，为第二角度，第二角度为第一角度的2倍，1个向内的凹陷与具有第二角度的凸起对应放置。本实施例中，对应驱动层的面积大小设置有十六个完全相同且相互交叉的叉指结构的触觉单元4，每四个触觉单元互相交叉形成一个基本的检测单元，通过对各个检测单元(16/4＝4个检测单元)的电容输出变化进行建模，实现对触摸位置和压力大小的判断。

图4A为根据本公开一实施例所示的利用COMSOL Multiphysics模拟四个近邻触觉单元的模型示意图。图4B为与图4A对应的模型中近邻触觉单元的输出与1/Z的关系曲线。图4C为与图4A对应的模型中近邻触觉单元的输出与X的关系曲线。图4D为与图4A对应的模型中近邻触觉单元的输出与Y的关系曲线。

参照图4A～图4D所示，本实施例的电容型触觉传感器的某个触觉单元受到压力作用时，检测区域的其余触觉单元的输出各不相同。利用COMSOL Multiphysics模拟四个近邻触觉单元，触觉单元1、2、3和4的位置如图4A示意，在Z方向，输出电容与距离的倒数1/Z呈线性关系，如图4B所示；在X、Y坐标轴向移动，不同触觉单元输出电容占比不同，接触点沿X轴移动，触觉单元1和3的输出减小，触觉单元2和4的输出增加，如图4C所示；接触点沿Y轴移动，触觉单元3和4的输出减小，触觉单元1和2的输出增加，如图4D所示。

参照图5所示，本公开的电容型触觉传感器能够实现三维压力的大小和位置的同时检测。其中，进行接触位置检测的主要依据是：接触点在不同位置时，与该待测接触点的位置对应的各个触觉单元之间的相对面积占比不同。随着接触点的移动，与接触点的位置对应的各个触觉单元的相对面积S占比发生了变化，如图5中的箭头示意的移动方向，对应两个位置处的各个触觉单元在每个位置处的面积占比发生了变化。因此，在X轴向和Y轴向，根据电容计算公式：C＝ε×S/d，接触相对面积S变化，电容值C随之变化，各个触觉单元输出电容值的占比也对应不同，通过进行比例计算，对电容数据进行处理，寻找各个触觉单元相对面积最大的区域的位置，从而判断该位置为接触位置。进行压力大小检测的主要依据是：接触力F作用时，接触点的压力大小使压敏层的形变程度不同导致上电极层与下电极层之间的距离d不同，存在F(力)-d的关系。在Z轴向，随着接触点的移动，电容型传感器上、下电极层的间距d改变，对应可推导得到力与电容(C-F)的关系，根据电容计算公式：C＝ε×S/d，通过d-C(距离-电容)曲线标定电容值C，并利用距离与压力大小的对应关系得到电容值与压力大小的关系，即利用C-F曲线反标，得到接触点处所受压力大小，如此，根据各个触觉单元的电容输出结果进行处理，可以得到三维压力的大小和位置信息，实现三维压力大小和位置的同时检测。

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种电子皮肤，该电子皮肤包含本公开提到的任一种柔性电容型触觉传感器。

在本实施例中，该电子皮肤设置于机器人的身体部件上，比如包覆在机器人表面，形成类人皮肤，实现触觉传感。

在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种可穿戴设备，该可穿戴设备包含本公开提到的任一种柔性电容型触觉传感器。

在本公开的第四个示例性实施例中，提供了一种基于柔性电容型触觉传感器进行三维压力大小及位置同时检测的方法，该方法包括：对应待测点处于不同位置时，根据各个触觉单元输出的相对面积占比不同，在X轴向和Y轴向，寻找各个触觉单元相对面积最大的区域的位置，从而判断该位置为接触位置；同时，根据待测点的压力大小使压敏层的形变程度不同导致上电极层与下电极层之间的距离不同，在Z轴向，根据距离-电容曲线标定电容值，并利用距离与压力大小的对应关系，得到电容值与压力大小的关系，从而实现三维压力的大小和位置同时检测。

对应图1所示的柔性电容型触觉传感器，驱动层中设置有十六个完全相同且相互交叉的叉指结构的触觉单元4，每四个触觉单元互相交叉形成一个基本的检测单元，通过对各个检测单元(16/4＝4个检测单元)的电容输出变化进行建模，实现对触摸位置和压力大小的判断。

在本公开的一个实例中，还对本公开的实施例所示柔性电容型触觉传感器的性能采用第四个实施例所示的方法进行了测试。

图6为根据本公开一实例所示的接触点的移动路径与位置计算结果的对比图，其中，(a)、(c)、(e)和(g)分别为接触点按照不同的移动路径进行移动的示意图，(b)(d)(f)(h)分别为与(a)、(c)、(e)和(g)的移动路径对应计算得到的位置结果。

对比图6中(a)和(b)所示，当移动路径为直线时，接触点的位置计算结果大致呈直线，与实际移动路径一致；

对比图6中(c)和(d)所示，当移动路径为矩形(特殊的，为正方形)时，接触点的位置计算结果大致呈矩形，与实际移动路径一致；

对比图6中(e)和(f)所示，当移动路径为圆形(特殊的，为椭圆形)时，接触点的位置计算结果大致呈圆形，与实际移动路径一致；

对比图6中(g)和(h)所示，当移动路径为S形时，接触点的位置计算结果大致呈S形，与实际移动路径一致；

由上述结果可知，采用本公开柔性电容型触觉传感器进行接触点的位置判断，接触点的位置计算结果与接触点的移动路径基本一致，接触路径为直线型、方形、圆形、S型都可以精准计算出接触点的位置，实际移动路径可以是上述简单移动路径的组合，该柔性电容型触觉传感器可以在此基础上实现复杂移动路径的辨识。

综上所述，本公开提供了一种柔性电容型触觉传感器、电子皮肤、可穿戴设备及方法，通过在驱动层中设置多个结构相同的触觉单元，并且每个触觉单元的结构满足：待测接触点在不同位置时，与该待测接触点的位置对应的各个触觉单元之间的相对面积占比发生变化，在接触点移动的过程中，根据驱动层的各个触觉单元输出占比不同，通过对传感器的输出结果进行处理，便可实现三维压力大小和受压位置的同时检测；具有精度高、功耗小、结构新颖、以及较高的传感灵敏度的特点。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

并且，为实现图面整洁的目的，一些习知惯用的结构与组件在附图可能会以简单示意的方式绘示之。另外，本案的附图中部分的特征可能会略为放大或改变其比例或尺寸，以达到便于理解与观看本发明的技术特征的目的，但这并非用于限定本发明。依照本发明所公开的内容所制造的产品的实际尺寸与规格应是可依据生产时的需求、产品本身的特性、及搭配本发明如下所公开的内容据以调整，于此进行声明。

再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种柔性电容型触觉传感器，可同时检测三维压力大小及位置，包括：传感层(1)、压敏层(2)和驱动层(3)，其特征在于，

所述传感层(1)为上电极层，用于感应触摸位置和压力；

所述压敏层(2)为间隔兼传输层，与传感层(1)连接，用于传输传感层(1)感应到的触摸位置和压力；

所述驱动层(3)为下电极层，与压敏层(2)连接，用于检测和分析触摸位置和压力大小，包含多个结构相同的触觉单元(4)以及各个触觉单元之间的绝缘部(5)；

其中，每个所述触觉单元的结构满足：待测接触点在不同位置时，与该待测接触点的位置对应的各个触觉单元之间的相对面积占比发生变化；

每个所述触觉单元(4)具有4个向外的凸起和1个向内的凹陷，其中，有2个凸起的角度相同，为第一角度，另外2个凸起的角度也相同，为第二角度，第二角度为第一角度的2倍，每个所述触觉单元的具有第二角度的2个凸起中的其中一个与近邻触觉单元的1个向内的凹陷对应放置，每个触觉单元的具有第二角度的2个凸起中的其中另一个放置于近邻触觉单元的具有第一角度的2个凸起之间，形成相互交叉的叉指结构，每四个触觉单元互相交叉形成一个基本的检测单元，通过对各个检测单元的电容输出变化进行建模，实现对触摸位置和压力大小的判断。

2.根据权利要求1所述的柔性电容型触觉传感器，其中，所述压敏层(2)为紧密排列的针状PDMS阵列。

3.根据权利要求1所述的柔性电容型触觉传感器，其中，所述传感层(1)为导电织物。

4.一种电子皮肤，其特征在于，包括权利要求1至3中任一项所述的柔性电容型触觉传感器。

5.根据权利要求4所述的电子皮肤，其中，该电子皮肤设置于机器人的身体部件上。

6.一种可穿戴设备，其特征在于，包括权利要求1至3中任一项所述的柔性电容型触觉传感器。

7.一种基于权利要求1至3中任一项所述的柔性电容型触觉传感器进行三维压力大小及位置同时检测的方法，其特征在于，包括：

对应待测接触点处于不同位置时，根据各个触觉单元输出的相对面积占比不同，在X轴向和Y轴向，寻找各个触觉单元相对面积最大的区域的位置，从而判断该位置为接触位置；同时，根据待测接触点的压力大小使压敏层的形变程度不同导致上电极层与下电极层之间的距离不同，在Z轴向，根据距离-电容曲线标定电容值，并利用距离与压力大小的对应关系，得到电容值与压力大小的关系，从而实现三维压力的大小和位置同时检测。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，每四个所述触觉单元互相交叉形成一个基本的检测单元，通过对各个检测单元的电容输出变化进行建模，实现对触摸位置和压力大小的判断。