CN110068413A - 基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器，包括：半球型柔性腔体、四个球曲面感应极板、柔性公共极板、柔性基体；其中，四个所述的球曲面感应极板等间隔的贴合固定在所述半球形柔性腔体的内壁上，以所述半球形柔性腔体的中轴线为对称线两两对称，且各球曲面感应极板皆互不接触，在四个球曲面感应极板的底部均设置有电极引线，电极引线穿过柔性基体被引出；所述柔性公共极板设置在柔性基体上，柔性公共极板与四个球曲面感应极板互不接触，四个呈空间立体排布的球曲面感应极板与底部柔性公共极板构成四个独立的电容式触觉敏感单元，并构成差分式结构。该传感器具备法向力、切向力检测功能，且检测灵敏度高。

Description

基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器。

背景技术

触觉作为人体重要感官之一，是感知外部环境信息、与外界信息进行交互的主要媒介。近年来，基于力学敏感材料模拟人体皮肤在触觉感知方面的优异功能制备电子皮肤(e-skin)得到了广泛关注，通过重塑触觉感知功能在可穿戴电子、软体机器人、医疗健康、虚拟现实和人工智能等领域展现出重要应用价值。传统的硅基、金属应变片式触觉传感器用作电子皮肤在柔性、延展性及穿戴舒适性等方面存在弊端，为模仿人体皮肤触觉感知特性，具备柔性、可拉伸、高灵敏度等特点的触觉传感器成为国内外电子皮肤的研究热点。

随着智能材料与制备工艺的不断发展，旋涂成膜、微流体成型、层层组装、浸渍包覆、3D打印等技术被广泛应用于柔性电子学领域，如柔性天线、柔性电子皮肤、柔性电极等。柔性触觉传感器按敏感机理可分为电阻式、压电式、光电式和电容式等几类；其中，电容式柔性触觉传感器因具备优良的动态响应特性和检测灵敏度在电子皮肤研究中得到了广泛应用。

目前，设计具有微结构特点的复合介质层是提升电容式柔性触觉传感器灵敏度的一种常用方法。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张珽团队基于荷叶疏水特性，以荷叶表面固有的微结构为模板，制备复合介质层电容式柔性触觉传感器，可实现高灵敏和快速触觉感知。但是目前制备微结构复合介质层通常需要繁琐的工艺，而且多应用于类平行板结构的电容式柔性触觉传感器研究中，可实现高灵敏度法向力感知，但不具备切向力检测能力或检测灵敏度较低。因此，研发具有高灵敏度法向力和切向力触觉感知功能的电容式柔性触觉传感器仍是电子皮肤研究所面临的问题之一。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器，以解决现有电容式柔性触觉传感器不具备切向力检测能力或检测灵敏度较低的技术难题。

为实现上述目的，本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器，包括：半球型柔性腔体、四个球曲面感应极板、柔性公共极板、柔性基体；其中，四个所述的球曲面感应极板等间隔的贴合固定在所述半球形柔性腔体的内壁上，以所述半球形柔性腔体的中轴线为对称线两两对称，且各球曲面感应极板皆互不接触，在四个球曲面感应极板的底部均设置有电极引线，电极引线穿过柔性基体被引出；所述柔性公共极板设置在柔性基体上，柔性公共极板与四个球曲面感应极板互不接触，四个呈空间立体排布的球曲面感应极板与底部柔性公共极板构成四个独立的电容式触觉敏感单元，并构成差分式结构；所述柔性基体设置在半球型柔性腔体的底部，与半球型柔性腔体形成封闭结构。

作为本发明的优选，所述球曲面感应极板、柔性公共极板以及电极引线均以有机硅导电银胶为材质；所述半球型柔性腔体和柔性基体选用硅橡胶材料制备。

作为本发明的优选，所述柔性公共极板表面均匀旋涂一层硅橡胶绝缘层，所述硅橡胶绝缘层控制在厚度为45-55μm。

作为本发明的进一步优选，所述有机硅导电银胶中导电银胶和固化剂的质量比为10:1。

本发明的第二个目的在于提供一种基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤S1、利用三维建模软件和3D打印机制备触觉传感器中半球型柔性腔体和柔性基体所对应的模具；

步骤S2、将硅橡胶注入对应的模具，置于真空干燥箱，待室温固化后脱模即可获得所需半球型柔性腔体和柔性基体；

步骤S3、在半球型柔性腔体和柔性基体相应位置均匀涂覆有机硅导电银胶，制备球曲面感应极板和柔性公共极板；

步骤S4、在柔性公共极板表面旋涂厚度为45-55μm的硅橡胶隔离层；

步骤S5、将柔性基体与半球型柔性腔体进行粘接并引出电极引线，即可获得基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器。

本发明的第三个目的在于提供一种基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器的三维力触觉感知方法，具体包括以下步骤：

步骤S1、按照公式(1-3)计算单个独立的电容式触觉敏感单元的电容，

式中，r为半球型柔性腔体的内腔半径，m，n(0<m，n<πr/2)为球曲面感应极板两端距离半球型柔性腔体内腔垂直中心边和水平边的弧长，l为球曲面极板上各点与水平底端夹角θ在底端投影长度，dθ为夹角增加量，rdθ为夹角增加dθ时其投影宽度，ε₀为真空介电常数(ε₀＝8.85×10^-12F/m)，ε_r为相对介电常数；

步骤S2、触觉传感器在未受力时，设初始电容分别为和受三维力F＝(F_XF_YF_Z)^T作用时，四个电容的输出变化量分别为ΔC₁、ΔC₂、ΔC₃和ΔC₄，各个分量力引起对应电容传感器输出电容值(和)满足公式(4-6)中关系，

步骤S3、通过标定和与三维力分量F_X、F_Y和F_Z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。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明提供的传感器通过在半球型柔性腔体内壁等分设置四个呈空间立体排布的球曲面感应极板，与底部柔性公共极板组成电容柔性触觉传感器，并构成差分式结构，相比于传统类平行板结构的电容柔性触觉传感器，呈空间立体排布的球曲面感应极板更有利于在受力作用下发生位移形变，外部作用力可通过半球型柔性腔体直接施加于感应极板；此外，四个球曲面感应极板与柔性公共极板构成差分式触觉敏感单元，可进一步提升电容式柔性触觉传感器检测灵敏度。

2、本发明提供的基于球曲面的电容式柔性触觉传感器具备法向力和切向力感知功能，可实现三维力触觉感知功能，将电容式柔性触觉传感器固定于手指，并做出连续单击鼠标和敲击键盘输入‘O’‘K’字母等动作时，球曲面电容式柔性触觉传感器可实现检测指尖触觉感知并区分不同手指动作；此外，球曲面电容式柔性触觉传感器可连续检测同一指尖动作，表明该触觉传感器作电子皮肤在触觉感知中具有良好机械鲁棒性和稳定性，可作为电子皮肤应用于人机交互、软体机器人、软抓取、人工智能等领域。

3、本发明提供的电容式柔性触觉传感器相比于电阻式的触觉传感器，具备更优良的动态响应特性和检测灵敏度，在0.5Hz的循环动态加载下，球曲面极板电容式柔性触觉传感器仍可做出快速响应，并展现出良好的机械重复性和电学稳定性，其动态响应时间短，对本发明中的球曲面电容式柔性触觉传感器施加一阶跃激励，动态响应时间为70ms。

附图说明

图1a为电容式柔性触觉传感器三维示意图；

图1b为电容式柔性触觉传感器三维剖视图；

图2为电容式柔性触觉传感器制备流程图；

图3a为单个球曲面极板电容式触觉传感器截面参数结构示意图；

图3b为单个球曲面极板电容式触觉传感器俯视参数示意图；

图4a为电容式柔性触觉传感器F_z向应力应变仿真结果；

图4b为电容式柔性触觉传感器F_x向应力应变仿真结果；

图5为容性触觉信号采集与处理系统；

图6a为容性触觉传感信息下位机采集流程图；

图6b为容性触觉传感信息上位机采集流程图；

图7为法向力作用下电容式触觉传感器输出特性图；

图8为切向力作用下电容式触觉传感器输出特性图；

图9为循环动态加载测试图；

图10为球曲面极板电容式柔性触觉传感器响应特性图；

图11为触觉传感器固定于手指，连续单击鼠标测试图。

图12为触觉传感器固定于手指，连续单击‘O’‘K’字母测试图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器

参见图1a、1b，本发明提供的基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器，包括：半球型柔性腔体1、四个球曲面感应极板2、柔性公共极板3、柔性基体4；其中，四个所述的球曲面感应极板2等间隔的贴合固定在所述半球形柔性腔体1的内壁上，以所述半球形柔性腔体1的中轴线为对称线两两对称，且各球曲面感应极板皆互不接触，在四个球曲面感应极板的底部均设置有电极引线5，电极引线5穿过柔性基体4被引出；所述柔性公共极板3设置在柔性基体4上，柔性公共极板3与四个球曲面感应极板2互不接触，四个呈空间立体排布的球曲面感应极板2与底部柔性公共极板3构成四个独立的电容式触觉敏感单元(C₁、C₂、C₃、C₄)，并构成差分式结构；所述柔性基体4设置在半球型柔性腔体1的底部，与半球型柔性腔体形成封闭结构。

其中，所述球曲面感应极板2、柔性公共极板3以及电极引线5均以有机硅导电银胶(YC-02，南京喜力特胶黏剂有限公司)为材质，YC-02型有机硅导电银胶(导电银胶和固化剂的质量比10:1)固化后具有良好的电学特性和机械特性；

所述半球型柔性腔体1和柔性基体4选用硅橡胶(GD401，中昊晨光化工研究院有限公司)制备，单组份室温硫化GD401硅橡胶在空气中可自行固化成型，具有优良的电气绝缘性、化学稳定性和柔弹性。

另外，为防止球曲面感应极板2应力应变时与柔性公共极板短接，柔性公共极板表面均匀旋涂一层硅橡胶绝缘层，所述硅橡胶绝缘层控制在厚度为50μm左右。

本发明提供的空间立体排布的球曲面感应极板更有利于在受力作用下发生位移形变，外部作用力可通过半球型柔性腔体直接施加于球曲面感应极板；此外，四个球曲面感应极板与柔性公共极板构成差分式触觉敏感单元，可进一步提升电容式柔性触觉传感器检测灵敏度。

实施例2基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器的制备方法

参见图2，本发明提供的一种基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤S1、利用三维建模软件和3D打印机(Makerbot Replicator 2x，精度100μm，美国)制备触觉传感器中半球型柔性腔体和柔性基体所对应的模具；

步骤S2、将硅橡胶注入模具，置于真空干燥箱(DZF-6021型，上海索谱仪器有限公司)，待室温固化后脱模，即可获得所需半球型柔性腔体和柔性基体；

步骤S3、在半球型柔性腔体和柔性基体相应位置均匀涂覆YC-02型有机硅导电银胶制备球曲面感应极板和柔性公共极板；

步骤S4、在柔性公共极板表面旋涂厚度约为50μm的硅橡胶隔离层；

步骤S5、最后将柔性基体与半球型柔性腔体进行粘接并引出电极引线即可获得基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器。

实施例3基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器的触觉感知方法

基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器工作原理可等效为变极板间距式类平行板电容器；首先，通过理论计算分析文中电容式柔性触觉传感器输出电容与结构参数之间的函数关系，考虑其极板结构具有非平面、面积不相等的特点，文中基于微积分原理，将球曲面感应极板电容器等效为无限多个微电容器(类平行板电容器)的级联，并根据电容器级联规律进行积分。图3为单个球曲面极板电容器参数结构示意图，如图3(a)所示，假定半球型柔性腔体的内腔半径r，球曲面感应极板(厚度忽略不计)两端距离半球型柔性腔体内腔垂直中心边和水平边的弧长分别为m，n(0<m，n<πr/2)。如图3(b)所示，球曲面极板上各点与水平底端夹角θ在底端投影长度(记作l)满足公式(1)，当夹角增加dθ时，其投影宽度为rdθ，在dθ极小时，该微电容可视为类平行板电容器，微电容满足公式(2)中关系，将球曲面极板电容器等效为各微电容并联而成，则总电容C如公式(3)所示。

式中，ε₀为真空介电常数(ε₀＝8.85×10^-12F/m)，ε_r为相对介电常数。

基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器工作原理如下：触觉传感器在未受力时，设初始电容分别为和受力F作用时四个电容的输出变化量分别为ΔC₁、ΔC₂、ΔC₃和ΔC₄，基于ANSYS有限元仿真分析外力作用下对球曲面感应极板的影响规律，简化后的球曲面极板电容式柔性触觉传感器应力应变结果如图4所示，由仿真结果可以看出，在法向力F_Z作用下(图4(a))，球曲面感应极板与柔性公共极板间距减少，引起四个电容增加量相等；在切向力F_X(F_Y)作用(下图4(b))，X轴(Y轴)方向差分电容输出增加，Y轴(X轴)方向差分电容输出无变化；此外，文中提出的基于球曲面的电容式柔性触觉传感器可用于三维力检测，在三维力F＝(F_XF_YF_Z)^T作用下，各个分量力引起对应电容传感器输出电容值(和)满足公式(4-6)中关系，通过标定和与三维力分量F_X、F_Y和F_Z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。

本发明为实现多路容性触觉信息提取，采用容性触觉信号采集与处理系统进行提取，具体情况如下：

传统的电容测量方法主要有谐振法、中和电流法、脉宽调制法、数字相敏检波器法和交流电桥法等，通过分立元件将电容信号转化为电压、电流、频率或脉宽等信号，上述方法存在电路设计复杂、测量精度低等弊端。目前，集成电容检测芯片可分为CAV424/444系列，Pcap01/02/03系列和AD(ANALOG DEVICES)公司的AD774X与AD714X系列的电容数字转换器。依据公式(3)，取r＝5mm，m＝n＝1mm时，理论计算单个球曲面电容式触觉传感单元输出电容值约为0.2555pF(忽略柔性公共极板表面硅橡胶隔离层)。

考虑到球曲面电容式触觉传感单元输出电容变化范围、测量精度及实时性等因素，选择高性能电容数字转换器AD7147-1和STM32微处理器搭建容性触觉信号采集与处理系统(如附图5所示)。AD7147-1拥有I²C接口及片内环境自校准功能，其有源交流屏蔽技术有效地消除了容性输入端与触觉传感单元间的寄生电容，高达16位CDC精度，13路容性输入，结合32位微处理器可以较为方便实现多路容性触觉信息采集，其容性触觉传感信息采集流程图如附图6a、6b所示，下位机对容性触觉信息进行实时采集并通过串口传至上位机，上位机接收到数据验证无误后保存以便进一步分析。

另外，本发明还使用LS-WD-100型万能拉压力机对文中球曲面极板电容式柔性触觉传感器进行力学特性表征，并通过容性触觉信息采集与处理系统实时采集触觉传感器输出。附图7为0～5N范围内法向力作用下，球曲面极板电容式柔性触觉传感单元输出特性曲线，可以看出，法向力作用下，球曲面感应极板与柔性公共极板间距减小，输出电容值均呈增加趋势，与上述分析结果保持一致，且在0～2N和2～5N范围内具有良好的分段线性，其检测灵敏度分别为0.807N^-1和0.278N^-1。在0～5N范围内切向力作用下电容式柔性触觉传感器的输出特性曲线如图8所示，在切向力作用下，球曲面感应极板与柔性公共极板间距减小，同时，沿切向力方向的球曲面感应极板与柔性公共极板之间的等效极板面积发生变化，最终表现为：差分电容C₁-C₃呈现增加趋势，C₂-C₄基本保持不变，由此实现切向力检测。

再者，本发明为确定该电容式柔性触觉传感器具有良好的动态响应特性，对本发明的球曲面电容式柔性触觉传感器施加频率为0.5Hz的动态加载，观察其动态响应特性曲线如图9所示，可以看出，在0.5Hz的循环动态加载下，球曲面极板电容式柔性触觉传感器仍可做出快速响应并展现出良好的机械重复性和电学稳定性。而且，为进一步测量其动态响应时间，对本发明球曲面电容式柔性触觉传感器施加一阶跃激励，测得其响应特性曲线如图10所示，响应时间约为70ms。

最后，为证明本发明的球曲面极板电容式柔性触觉传感器用作电子皮肤实现触觉感知的可行性，将电容式柔性触觉传感器固定于手指，并做出连续单击鼠标和敲击键盘输入‘O’‘K’字母等动作，同时，容性触觉信号采集与处理系统实时记录球曲面电容式柔性触觉传感器的输出，其测试结果分别如图11和图12所示，可以看出，通过佩戴发明提出的球曲面电容式柔性触觉传感器可实现检测指尖触觉感知并区分不同手指动作。此外，球曲面电容式柔性触觉传感器可连续检测同一指尖动作，说明该触觉传感器作电子皮肤在触觉感知中具有良好机械鲁棒性和稳定性，进一步论证了其用作电子皮肤实现触觉感知的可行性。

Claims (6)

1.一种基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器，其特征在于，包括：半球型柔性腔体、四个球曲面感应极板、柔性公共极板、柔性基体；其中，四个所述的球曲面感应极板等间隔的贴合固定在所述半球形柔性腔体的内壁上，以所述半球形柔性腔体的中轴线为对称线两两对称，且各球曲面感应极板皆互不接触，在四个球曲面感应极板的底部均设置有电极引线，电极引线穿过柔性基体被引出；所述柔性公共极板设置在柔性基体上，柔性公共极板与四个球曲面感应极板互不接触，四个呈空间立体排布的球曲面感应极板与底部柔性公共极板构成四个独立的电容式触觉敏感单元，并构成差分式结构；所述柔性基体设置在半球型柔性腔体的底部，与半球型柔性腔体形成封闭结构。

2.权利要求1所述的一种基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述球曲面感应极板、柔性公共极板以及电极引线均以有机硅导电银胶为材质；所述半球型柔性腔体和柔性基体选用硅橡胶材料制备。

3.权利要求1所述的一种基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述柔性公共极板表面均匀旋涂一层硅橡胶绝缘层，所述硅橡胶绝缘层控制在厚度为45-55μm。

4.权利要求2所述的一种基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述有机硅导电银胶中导电银胶和固化剂的质量比为10:1。

5.权利要求1所述的基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤S1、利用三维建模软件和3D打印机制备触觉传感器中半球型柔性腔体和柔性基体所对应的模具；

步骤S2、将硅橡胶注入对应的模具，置于真空干燥箱，待室温固化后脱模即可获得所需半球型柔性腔体和柔性基体；

步骤S3、在半球型柔性腔体和柔性基体相应位置均匀涂覆有机硅导电银胶，制备球曲面感应极板和柔性公共极板；

步骤S4、在柔性公共极板表面旋涂厚度为45-55μm的硅橡胶隔离层；

步骤S5、将柔性基体与半球型柔性腔体进行粘接并引出电极引线，即可获得基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器。

6.权利要求1所述的基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器的三维力触觉感知方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤S1、按照公式(1-3)计算单个独立的电容式触觉敏感单元的电容，

式中，r为半球型柔性腔体的内腔半径，m，n(0<m，n<πr/2)为球曲面感应极板两端距离半球型柔性腔体内腔垂直中心边和水平边的弧长，l为球曲面极板上各点与水平底端夹角θ在底端投影长度，dθ为夹角增加量，rdθ为夹角增加dθ时其投影宽度，ε₀为真空介电常数(ε₀＝8.85×10^-12 F/m)，ε_r为相对介电常数；

步骤S2、触觉传感器在未受力时，设初始电容分别为和受三维力F＝(F_XF_YF_Z)^T作用时，四个电容的输出变化量分别为ΔC₁、ΔC₂、ΔC₃和ΔC₄，各个分量力引起对应电容传感器输出电容值(和)满足公式(4-6)中关系，

步骤S3、通过标定和与三维力分量F_X、F_Y和F_Z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。