CN109737993B - 基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置及其制备方法 - Google Patents

基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置及制备方法，在柔弹性圆柱体圆柱形表面沿轴向等间隔设置4*N个拉伸应变敏感单元，并以此构成差分结构电子胡须式触觉传感装置。制备工艺基于旋涂工艺和硅橡胶流体成型技术。本发明基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置为柔性触觉传感器实现不同方向切向力和法向力检测提供一种可行性设计方案。

Description

基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置及其制备 方法
技术领域
本发明属于传感器领域，具体涉及一种基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置及其制备方法。
技术背景
“触觉”作为人类五大感官之一，在人们认知过程中发挥重要作用，随着智能机器人的飞速发展及在各行业应用中不断渗透，科学家希望能通过在智能机器人上设置类似人类皮肤功能的电子皮肤，从而让智能机器人可以获取“触觉”信息，可以像人类一样感知外界环境信息并作出响应。智能机器人拥有触觉感知功能对于实现人机安全交互、“软”抓取等具有重要意义，在航空航天、医疗健康、工业生产、教育娱乐等诸多领域具有显著的应用价值。
不同于传统的刚性传感器，为了保证操作灵巧性、灵活性，电子皮肤在外形需要具备柔性特点，为此，具有柔性特点的触觉传感器成为国内外科研工作者的研究热点之一。
目前，柔性触觉传感器得到相关领域学者的重视，并取得了一定的研究成果，按照触觉敏感机理柔性触觉传感器大致可以分为电阻式、电容式和压电式等几类，其中，电阻式柔性触觉传感器具有制备工艺简单、信号易处理等优点而得到广泛应用。
“仿生”是柔性触觉传感器设计主要灵感之一，借鉴大自然中生物自身的独特结构可以设计仿生触觉传感器，“胡须”作为人类、动物等一种重要的触觉感知方式，其结构特点和感知机理同样可以应用于柔性触觉传感器设计。
发明内容
本发明的目的是要提供一种基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置及其制备方法，该触觉传感器结构简单、灵敏度高，可以检测不同方向的切向力和法向力。
本发明的技术方案是：
基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置包括一个柔弹性圆柱体(1)和4*N个拉伸应变敏感单元(2)，N为不小于1的整数；各拉伸应变敏感单元(2)在预拉伸状态下沿柔弹性圆柱体(1)轴向方向等间隔粘接在柔弹性圆柱体(1)表面，且各拉伸应变敏感单元(2)互不接触；处于预拉伸状态下的拉伸应变敏感单元(2)长度小于柔弹性圆柱体(1)的长度，拉伸应变敏感单元(2)两端面与柔弹性圆柱体的两端面之间有一定距离。
基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置的制备方法，
步骤1：拉伸应变敏感单元的制备
首先，将质量比1:2、质量分数6％～9％的石墨烯和炭黑导电填料分散于石脑油分散剂中，超声分散30分钟后磁力搅拌30分钟，然后加入硅橡胶母体再磁力搅拌30分钟，得到分散均分的石墨烯、炭黑和硅橡胶悬浮液；
其次，设定旋涂参数时间为2分钟，旋涂速率为500rpm，通过旋涂工艺制备厚度为50μm的拉伸应变敏感单元，经过旋涂后的石墨烯、炭黑和硅橡胶复合导电材料置入60℃真空干燥箱2小时固化成膜；
最后，将石墨烯、炭黑和硅橡胶复合导电薄膜裁剪成所需尺寸，即可获得拉伸应变敏感单元；
步骤2：柔弹性圆柱体的制备
将硅橡胶注入圆柱形的模具中，室温固化后脱模，裁剪成所需尺寸的柔弹性圆柱体，对4*N个拉伸应变敏感单元施加相同应变，然后通过硅橡胶沿柔弹性圆柱体轴向方向粘接于柔弹性圆柱体表面，固化后即可获得所述基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置。
所述4*N个拉伸应变敏感单元(2)中以柔弹性圆柱体(1)中轴线相互对称的两个拉伸应变敏感单元(2)构成一对差分结构。
所述的柔弹性圆柱体(1)以硅橡胶为材质。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、与传统硅基、光电、压电类触觉传感器相比，本发明基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置克服了刚性触觉传感器体积笨重、不易共形以及不易作为智能机器人柔性皮肤实现穿戴舒适性等弊端；
2、与传统三明治结构或薄膜式触觉传感器相比，本发明基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置仿生物“胡须”结构设计，利用基体弯曲带动差分结构输出阻值的变化实现方向力和切向力的检测，通过对其密封封装，其胡须状结构可以应用在管道等场合实现水流、液位等检测。
3、本发明基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置中4*N个拉伸应变敏感单元均处于一定的预拉伸状态，且构成差分结构，有利于提升触觉感知灵敏度；此外，相比于传统敏感单元处于同于平面的触觉传感器，本发明中4*N个拉伸应变敏感单元构成空间立体结构，在外力作用下，4*N个拉伸应变敏感单元更有利于发生形变。
附图说明
图1是本发明基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置整体结构图；
图2是图1所示基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置的俯视结构图；
图3是本发明基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置在法向力作用下检测原理示意图；
图4是本发明基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置在切向力作用下检测原理示意图；
图5是本发明基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置在实施例中采用尺寸参数；
图中标号：1柔弹性圆柱体；2拉伸应变敏感单元。
具体实施方式
本发明提出了一种结构简单、高灵敏度的电子胡须式触觉传感装置，所要解决的问题在于在柔弹性圆柱体圆柱形表面轴向方向等间隔设置4*N个发生一定预拉伸的拉伸应变敏感单元，并以此构成差分式触觉传感器，可以检测不同方向的切向力和法向力。
下面结合附图对本申请进行详细说明，
如图1和图2所示，本发明基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置的结构为：包括一个柔弹性圆柱体1和4*N个拉伸应变敏感单元2，N为不小于1的整数；各拉伸应变敏感单元2在预拉伸状态下沿柔弹性圆柱体1轴向方向等间隔粘接在柔弹性圆柱体1表面，且各拉伸应变敏感单元2互不接触；处于预拉伸状态下的拉伸应变敏感单元2长度小于柔弹性圆柱体1的长度，拉伸应变敏感单元2上端与圆柱体上端面之间有一定距离，拉伸应变敏感单元2下端与圆柱体下端面之间有一定距离。
4*N个拉伸应变敏感单元2中以柔弹性圆柱体1中轴线相互对称的两个拉伸应变敏感单元2构成一对差分结构。
柔弹性圆柱体1以硅橡胶为材质。
本发明基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置制作工艺主要基于旋涂工艺和硅橡胶流体成型技术。通过旋涂工艺制备拉伸应变敏感单元2：首先，将质量比1:2、质量分数6％～9％的石墨烯和炭黑导电填料分散于石脑油分散剂中，超声分散30分钟后磁力搅拌30分钟，然后加入硅橡胶母体再磁力搅拌30分钟，得到分散均分的石墨烯、炭黑和硅橡胶悬浮液；其次，设定旋涂参数时间为2分钟，旋涂速率为500rpm，通过旋涂工艺制备厚度为50μm的拉伸应变敏感单元2，经过旋涂后的石墨烯、炭黑和硅橡胶复合导电材料置入60℃真空干燥箱2小时固化成膜；最后，将石墨烯、炭黑和硅橡胶复合导电薄膜裁剪成所需尺寸(如图5所示，以40mm×0.5mm为例)即可获得拉伸应变敏感单元2。
基于硅橡胶流体成型技术制备柔弹性圆柱体1：将硅橡胶注入内径为2mm的模具中，室温固化后脱模，裁剪成长度为40mm的柔弹性圆柱体1。对4*N个拉伸应变敏感单元2施加相同应变(例如20％)，然后通过硅橡胶沿柔弹性圆柱体1轴向方向粘接于柔弹性圆柱体1表面，固化后即可获得所述基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置。
本发明基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置的工作原理如下：
如图3和图4所示，以N取1为案例分析本发明基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置实现触觉感知的原理，假设四个拉伸应变敏感单元分别用R1、R2、R3和R4表示，电子胡须式触觉传感装置在未受力作用时初始电阻为
Figure GDA0003009174010000041
和
Figure GDA0003009174010000042
(理论上四个初始电阻值是相等的)。在法向力F作用下，柔弹性圆柱体受力被压缩，带动四个拉伸应变敏感单元随之收缩，输出电阻
Figure GDA0003009174010000043
Figure GDA0003009174010000044
和
Figure GDA0003009174010000045
均减小。同理，在切向力F作用下，柔弹性圆柱体受力被弯曲，等效为柔弹性圆柱体一侧面被拉伸，对应的侧面被压缩，最终表现在被拉伸侧面对应的拉伸应变敏感单元输出电阻增加，被压缩侧面对应的拉伸应变敏感单元输出电阻减小，其余两个对称的拉伸应变敏感单元的输出阻值则依据柔弹性圆柱体的弯曲程度同时增加或减小。由于四个拉伸应变敏感单元构成差分结构，沿弯曲方向差分对输出值增加，非弯曲方向的差分对输出基本不变。
在三维力
Figure GDA0003009174010000051
作用下，四个拉伸应变敏感单元的输出变化量为ΔR1、ΔR2、ΔR3和ΔR4，则三维力F作用下各个分量力引起对应拉伸应变敏感单元输出电阻值(
Figure GDA0003009174010000052
和
Figure GDA0003009174010000053
)满足公式(1-3)中关系：
Figure GDA0003009174010000054
Figure GDA0003009174010000055
Figure GDA0003009174010000056
通过标定
Figure GDA0003009174010000057
和
Figure GDA0003009174010000058
与三维力分量FX、FY和FZ之间的关系，即可反演出三维力信息，从而实现三维力触觉感知功能。

Claims (4)

1.基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置，其特征在于：包括一个柔弹性圆柱体(1)和4*N个拉伸应变敏感单元(2)，N为不小于1的整数；各拉伸应变敏感单元(2)在预拉伸状态下沿柔弹性圆柱体(1)轴向方向等间隔粘接在柔弹性圆柱体(1)表面，且各拉伸应变敏感单元(2)互不接触；处于预拉伸状态下的拉伸应变敏感单元(2)长度小于柔弹性圆柱体(1)的长度，拉伸应变敏感单元(2)两端面与柔弹性圆柱体的两端面之间有一定距离。
2.根据权利要求1所述的基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置的制备方法，其特征在于：
步骤1：拉伸应变敏感单元的制备
首先，将质量比1:2、质量分数6％～9％的石墨烯和炭黑导电填料分散于石脑油分散剂中，超声分散30分钟后磁力搅拌30分钟，然后加入硅橡胶母体再磁力搅拌30分钟，得到分散均分的石墨烯、炭黑和硅橡胶悬浮液；
其次，设定旋涂参数时间为2分钟，旋涂速率为500rpm，通过旋涂工艺制备厚度为50μm的拉伸应变敏感单元，经过旋涂后的石墨烯、炭黑和硅橡胶复合导电材料置入60℃真空干燥箱2小时固化成膜；
最后，将石墨烯、炭黑和硅橡胶复合导电薄膜裁剪成所需尺寸，即可获得拉伸应变敏感单元；
步骤2：柔弹性圆柱体的制备
将硅橡胶注入圆柱形的模具中，室温固化后脱模，裁剪成所需尺寸的柔弹性圆柱体，对4*N个拉伸应变敏感单元施加相同应变，然后通过硅橡胶沿柔弹性圆柱体轴向方向粘接于柔弹性圆柱体表面，固化后即可获得所述基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置。
3.根据权利要求1所述的基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置，其特征在于：所述4*N个拉伸应变敏感单元(2)中以柔弹性圆柱体(1)中轴线相互对称的两个拉伸应变敏感单元(2)构成一对差分结构。
4.根据权利要求1所述的基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置，其特征在于：所述的柔弹性圆柱体(1)以硅橡胶为材质。
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