CN109946000A - 一种点阵式柔性压力分布传感装置及其压力定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种点阵式柔性压力分布传感装置及压力定位方法，包括点阵式柔性压力分布传感和多路数据处理模块；所述点阵式柔性压力分布传感器包括表面凸起、弹性基体聚合物层、经向电极、柔性敏感单元和纬向电极；所述经向电极以平铺的方式置于纬向电极的上面或下面，以形成空间上的垂直结构；所述柔性敏感单元放置在每个经纬向电极的交叉点处之间；所述弹性基体聚合物层包裹在经向电极、柔性敏感单元和纬向电极外面；所述表面凸起置于弹性基体聚合物层的上表面；所述经向电和纬向电极通过导线与多路数据采集模块连接，以测量每个交叉点处柔性敏感单元的电阻变化值。本发明可用来检测不同受力下的电阻变化，数据采集与处理相对简单且准确度较高。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种力传感装置，具体涉及一种点阵式柔性压力分布传感装置及其压力定位方法，属于传感器技术领域。
【背景技术】
当今世界，智能机器人技术突飞猛进，对机器人触觉传感技术领域的研究也日益兴盛。柔性触觉传感器系统在非结构化中的反馈控制以及碰撞安全性检测领域有着广泛的运用。因此，研制出满足要求的柔性触觉传感器是现代智能机器人发展中的关键技术之一。柔性触觉传感器应当具有类似人类皮肤的柔软性和灵活性，能够适应不同曲面、不同压力下的外界环境变化，并且能够快速准确地获取外界信息。随着微电子技术的发展和各种有机材料的出现，已经提出了多种多样的柔性触觉传感器的研制方案，但目前大都属于实验室阶段，达到产品化的不多。
触觉传感技术的研究开始于上世纪70年代，当时的研究仅限于与对象的接触与否，传感器少且精度不高。到了80年代，触觉传感技术的研究快速发展，同时传感器的研究涉及声、光、热等领域并且面向工业化。90年代以后，触觉传感技术在触觉图像处理、形状辨识、主动触觉感知等领域有着重大突破。
日本研究团队采用将电导线穿插于压敏导电橡胶之中的方法设计了一种柔性触觉传感器，该传感器拥有很薄的厚度以及良好的灵敏性，但是无法测量剪切力的大小。90年代初，北京理工大学研究团队研制出具有接触觉、滑觉和触觉图像识别功能的传感器，但是该传感器造价昂贵且准确度不高。而到现在，国内外的市场上基本没有出现耐用、可靠且具有通用性的柔性触觉传感器。
因此，为解决上述问题，确有必要提供一种创新的点阵式柔性压力分布传感装置及其压力定位方法，以克服现有技术中的所述缺陷。
【发明内容】
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种点阵式柔性压力分布传感装置，其成本较低，可以用来检测不同受力下的电阻变化，数据采集与处理相对简单且准确度较高。
本发明的第二目的在于提供一种点阵式柔性压力分布传感装置的压力定位方法。
为实现上述第一目的，本发明采取的技术方案为：一种点阵式柔性压力分布传感装置，其包括点阵式柔性压力分布传感以及多路数据处理模块；其中，所述点阵式柔性压力分布传感器包括表面凸起、弹性基体聚合物层、经向电极、柔性敏感单元和纬向电极；所述经向电极以平铺的方式置于纬向电极的上面或下面，以此形成空间上的垂直结构；所述柔性敏感单元放置在每个经纬向电极的交叉点处之间；所述弹性基体聚合物层包裹在经向电极、柔性敏感单元和纬向电极外面；所述表面凸起置于弹性基体聚合物层的上表面；所述经向电和纬向电极通过导线与多路数据采集模块连接，以测量每个交叉点处柔性敏感单元的电阻变化值。
本发明的点阵式柔性压力分布传感装置进一步为：所述弹性基体聚合物层以浇筑的方式包裹在经向电极、柔性敏感单元和纬向电极外面。
本发明的点阵式柔性压力分布传感装置进一步为：所述压力分布传感装置的测量范围通过以下三部分调节：①通过调节柔性敏感单元的弹性模量来达到改变传感器测量范围的目的；②通过调节经纬向电极的距离，即交叉点处的敏感单元的厚度来改变其初始电阻值，起到调节传感器量程的作用；③通过调节基体聚合物的弹性模量，改变传感器整体的柔度，起到改变传感器测量范围及其敏感度的作用。
为实现上述第二目的，本发明采取的技术方案为：一种点阵式柔性压力分布传感装置的压力定位方法，通过压力分布传感器受到外界载荷变化，弹性基体聚合物受力发生形变，处于其内的经纬向电极之间也会相互靠近，使得交叉点处的柔性敏感单元随着外力大小而产生变形，从而使其电阻发生相应变化；
电阻值变化由电极传输到多路数据处理模块进行数据处理，得到各个交叉点的电阻变化值。
为实现上述第二目的，本发明采取的另一技术方案为：一种点阵式柔性压力分布传感装置的压力定位方法，其用来检测三维作用力的大小与方向；当外界载荷F1垂直作用在传感器的表面上，表面凸起受到正压力的作用，该凸起周围的柔性敏感单元受力基本相等，通过测量各个点的电阻变化可以计算得作用力的大小和位置；当外界载荷F2水平作用在传感器表面时，其表面凸起受到剪切力作用，则凸起周围的敏感单元受力不一致，导致电阻变化不一致，通过测量各个交叉点的电阻变化，可以解得剪切力的大小和方向。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明采用的是一种点阵式柔性复合材料压力传感装置，可适用于各种复杂曲面上，可承受更大的外界载荷并具有较高的精确度，因此使用性更强。
2.由于各个交叉点之间的敏感单元相互不接触，因此各点之间的相互耦合作用也较小，测得的电阻值较准确，且数据的采集与处理相对简单。
3.该传感器还可以根据各个敏感单元的电阻变化测量剪切力以及倾覆力矩，因此适用的工作环境更多。
【附图说明】
图1是本发明的点阵式柔性压力分布传感装置的结构示意图。
图2是柔性压力分布传感器的示意图。
图3是柔性压力分布传感装置的工作流程图。
【具体实施方式】
请参阅说明书附图1和附图2所示，本发明为一种点阵式柔性压力分布传感装置，主要由点阵式柔性压力分布传感以及多路数据处理模块等几大部分组成，当外界载荷作用在点阵式柔性压力分布传感装置上，由于各个点的作用力的大小和方向不同，柔性压力分布传感器将作用在传感装置上的压力分布信息转化为各个点处的电阻变化，该变化由多路数据采集模块的扫描电路测量并转化为数字信号，再由该多路数据处理模块内置的运算单元通过解耦计算处理得到外界压力分布信息。
其中，所述点阵式柔性压力分布传感器由表面凸起1、弹性基体聚合物层2、经向电极3、柔性敏感单元(如包覆PDMS的碳纳米管)4和纬向电极5等几部分组成。
所述经向电极3以平铺的方式置于纬向电极5的上方或下方，以此形成空间上的垂直结构。所述柔性敏感单元4放置在每个经纬向电极3、5的交叉点处之间，该敏感单元4由具有压阻效应的柔性复合材料制成，用于测量电阻的变化。
所述弹性基体聚合物层2包裹在经向电极3、柔性敏感单元4和纬向电极5外面；具体的说，弹性基体聚合物(如PDMS)以浇筑的方式包裹在经向电极3、柔性敏感单元4和纬向电极5外面，待烘烤固化之后可以形成具有一定弹性的点阵式柔性符合材料压力分布传感器。
所述表面凸起1置于弹性基体聚合物层2的上表面。
所述经向电3和纬向电极5通过导线与多路数据采集模块连接，以测量每个交叉点处柔性敏感单元的电阻变化值，即每个经向电极3和纬向电极5交叉点处的柔性敏感单元6的电阻变化值都由多路数据采集模块通过扫描电路依次测量，每测量一次记录一组测量数据，最后通过多路数据处理模块的解耦算法得到每个交叉点处的受力大小，进一步得到传感器的外界压力分布信息。
进一步的，所述压力分布传感装置的测量范围通过以下三部分调节：①通过调节柔性敏感单元2的弹性模量来达到改变传感器测量范围的目的；②通过调节经纬向电极3、5的距离，即交叉点处的敏感单元的厚度来改变其初始电阻值，起到调节传感器量程的作用；③通过调节基体聚合物4的弹性模量，改变传感器整体的柔度，起到改变传感器测量范围及其敏感度的作用。
同时，在整个点阵式柔性压力分布传感装置中还可以采用多层的结构。将柔度不同的复合材料层叠加在一起，制成一个具有多层结构的柔性压力传感装置。其作用在于：在外界载荷变化范围较大时，较软的复合材料层具有检测范围小，精度高等特点；而较硬的复合材料层具有检测范围大，精度较低等特点。二者之间可以优势互补，达到测量范围广，精度高等优点。
图3是整个点阵式柔性复合材料压力分布传感装置的工作流程图，其中包括柔性复合材料点阵式结构的制备、冲击试验以及多路数据处理模块对信息的采集与处理等。其中电阻值的测量采用恒压测电流的方法，最终得到交叉点处敏感单元的电阻值，作用力分布信息也会耦合在所获得的电阻值数据中。
采用上述点阵式柔性压力分布传感装置对压力定位方法如下：通过压力分布传感器受到外界载荷变化，弹性基体聚合物2受力发生形变，处于其内的经纬向电极3、5之间也会相互靠近，使得交叉点处的柔性敏感单元4随着外力大小而产生变形，从而使其电阻发生相应变化。
电阻值变化由电极传输到多路数据处理模块进行数据处理，得到各个交叉点的电阻变化值。
最后通过多路数据处理模块基于预存的解耦算法得到每个交叉点处的受力大小，进一步得到传感器的外界压力分布信息。再将多路数据处理模块通过数据线与相关设备连接，以此实现数据的交换与可视化功能。
另外，该柔性压力分布传感装置还可以用来检测三维作用力的大小与方向，即当外界载荷F1垂直作用在传感器的表面上，表面凸起1受到正压力的作用，该凸起1周围的柔性敏感单元4受力基本相等，通过测量各个点的电阻变化可以计算得作用力的大小和位置；当外界载荷F2水平作用在传感器表面时，其表面凸起1受到剪切力作用，则凸起1周围的敏感单元4受力不一致，导致电阻变化不一致，通过测量各个交叉点的电阻变化，可以解得剪切力的大小和方向。
以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种点阵式柔性压力分布传感装置，其特征在于：包括点阵式柔性压力分布传感以及多路数据处理模块；其中，所述点阵式柔性压力分布传感器包括表面凸起、弹性基体聚合物层、经向电极、柔性敏感单元和纬向电极；所述经向电极以平铺的方式置于纬向电极的上面或下面，以此形成空间上的垂直结构；所述柔性敏感单元放置在每个经纬向电极的交叉点处之间；所述弹性基体聚合物层包裹在经向电极、柔性敏感单元和纬向电极外面；所述表面凸起置于弹性基体聚合物层的上表面；所述经向电和纬向电极通过导线与多路数据采集模块连接，以测量每个交叉点处柔性敏感单元的电阻变化值。
2.如权利要求1所述的点阵式柔性压力分布传感装置，其特征在于：所述弹性基体聚合物层以浇筑的方式包裹在经向电极、柔性敏感单元和纬向电极外面。
3.如权利要求1所述的点阵式柔性压力分布传感装置，其特征在于：所述压力分布传感装置的测量范围通过以下三部分调节：①通过调节柔性敏感单元的弹性模量来达到改变传感器测量范围的目的；②通过调节经纬向电极的距离，即交叉点处的敏感单元的厚度来改变其初始电阻值，起到调节传感器量程的作用；③通过调节基体聚合物的弹性模量，改变传感器整体的柔度，起到改变传感器测量范围及其敏感度的作用。
4.一种点阵式柔性压力分布传感装置的压力定位方法，其特征在于：压力分布传感器受到外界载荷变化，弹性基体聚合物受力发生形变，处于其内的经纬向电极之间也会相互靠近，使得交叉点处的柔性敏感单元随着外力大小而产生变形，从而使其电阻发生相应变化；
电阻值变化由电极传输到多路数据处理模块进行数据处理，得到各个交叉点的电阻变化值。
5.一种点阵式柔性压力分布传感装置的压力定位方法，其特征在于：其用来检测三维作用力的大小与方向；当外界载荷F 1垂直作用在传感器的表面上，表面凸起受到正压力的作用，该凸起周围的柔性敏感单元受力基本相等，通过测量各个点的电阻变化可以计算得作用力的大小和位置；当外界载荷F2水平作用在传感器表面时，其表面凸起受到剪切力作用，则凸起周围的敏感单元受力不一致，导致电阻变化不一致，通过测量各个交叉点的电阻变化，可以解得剪切力的大小和方向。
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