CN110388998B - 一种基于柔性多孔材料的可变刚度传感阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性多孔材料的可变刚度传感阵列。包含动态微力柔性感知层、静态力柔性感知层和封装层；动态力柔性感知层包括由柔性多孔材料与敏感导电材料混合制成的柔性多孔传感薄层以及相应的导电电极；静态力柔性感知层包括柔性传感单元、硅胶气室以及包裹在两者外起连接作用的柔性基底，所有柔性传感单元两端串接后引出两个输出端作为电学信号传输通道，所有的硅胶气室底部穿有通气管；封装层由喷涂有绝缘材料的纺织薄层组成。本发明所述传感阵列具有灵敏度可调、传感阵列刚度可调的功能；本发明中的硅胶气室与柔性多孔材料具有安全、缓冲、吸能的优势，还具有可更换，个性化安装的特点。

Description

一种基于柔性多孔材料的可变刚度传感阵列

技术领域

本发明涉及了一种传感装置，特别是涉及了一种基于柔性多孔材料的可变刚度传感阵列。

背景技术

目前，随着现代科技的发展，机器人出现已经解决了许多工业生产中的问题。在技术不断进步以及人力成本不断攀升的背景下，机器人逐渐也从工业生产走到了人们日常生活之中，在这种情况下，不可避免的会存在机器人与人、机器人与环境间的交互。

在人与机器人进行交互的过程中，交互的安全性至关重要。在安全性考虑中，意外碰撞是一个不可忽视的关键问题。能够真正融入人类生活并与人协同工作的机器人一定具有在复杂动态非结构环境下完成预期协作动作、在保证安全性的前提下与人友好自然地交互的能力。机器人专用敏感电子皮肤是解决该问题的方法之一，其通常由成千上万个柔性传感器组成，并安装在机器人本体的关键位置，如高频运动的机械臂的表面等极易发生碰撞事故并对人体造成重度损伤的位置。

目前，大部分被广泛使用的柔性压力传感阵列感知范围都是固定的；同时，在实现高灵敏度感知的情况下往往感知范围会大幅缩减，这就形成了柔性压力传感阵列在使用时的矛盾：无法同时实现高灵敏度感知与大范围感知。在人机交互过程中，极大程度上的限制了机器人皮肤的应用。

发明内容

为了解决现有的柔性传感阵列装置无法同时实现高灵敏度感知与大范围感知的问题。本发明提出了一种基于柔性材料的可变刚度传感阵列，可以应用于机器人人机交互中的敏感电子皮肤。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：

本发明包括自上而下依次连接在一起的封装层、动态微力柔性感知层和静态柔性感知层，静态柔性感知层包括柔性基底以及排布在柔性基底内的多个柔性传感单元、硅胶气室单元，多个柔性传感单元和硅胶气室单元在柔性基底内呈间隔阵列排布，呈阵列排布的所有柔性传感单元和硅胶气室单元分别构成柔性传感单元层和硅胶致动层。

所述的动态微力柔性感知层与柔性传感单元均采用具有多孔结构的柔性材料制备而成，多孔结构的柔性材料包括但不限于聚氨酯海绵，多孔结构的柔性材料的制备步骤具体为：将炭黑颗粒加入正己烷溶液中充分搅拌至分散均匀形成导电溶液，然后将激光切割好的聚氨酯海绵单元放入导电溶液中充分浸泡，最后将浸泡后含有导电溶液的多孔结构单元放入烘箱或加热台上烘干即可。炭黑颗粒与正己烷溶液的质量比为1：5。

所述的每个柔性传感单元主要由柔性传感单元主体、铜电极针和电线组成，柔性传感单元主体的内部贯穿插有两个铜电极针，每个铜电极针外露于柔性传感单元主体外的一端作为引出端，每个铜电极针的引出端连接各自的电线；柔性基底中每一行的所有柔性传感单元的其中一个铜电极针的电线共同串接，柔性基底中每一列的所有柔性传感单元的另外一个铜电极针的电线共同串接。

所述的两个铜电极针均沿径向水平贯穿柔性传感单元主体的上部和下部。每一行或每一列串接后电线作为输出端与外部电路相连接。

所述的封装层、动态微力柔性感知层和静态柔性感知层三者通过缝制的手段连接形成统一整体，封装层采用超薄无弹织布材料制成；

所述的每个硅胶气室单元主要由气室主体、气室封盖、气管和无弹性布组成，气室主体开有空腔作为气室，气室通过气室封盖进行密封，气室封盖开有用于插装气管的通孔，气管通过通孔与气室连通，密封的气室主体经无弹性布包裹捆绑后形成硅胶气室单元。所述的气室主体通过气管作为引出气体传输通道与外部的气压控制阀及气泵相连接。

所述的静态柔性感知层制作方法具体为：柔性基底是将柔性传感单元层和硅胶致动层按间隔阵列的形式排布在模具中，柔性基底通过发泡工艺填充到柔性传感单元、硅胶气室、和模具三者的间隙中，形成静态柔性感知层。所述的柔性基底每一行或每一列的柔性传感单元和硅胶气室单元均交错排布，使得相邻两个柔性传感单元之间布置硅胶气室单元，相邻两个硅胶气室单元之间布置柔性传感单元。

本发明的工作原理是：

所述的柔性多孔传感单元在受到外界压力作用时，内部发生形变，从而导致柔性多孔传感单元内部的微观丝状导电通路数目发生改变，进而电阻值发生变化，进而通过监测柔性多孔传感单元电学参数电阻值的大小可用于检测外力大小。

本发明的可变刚度体现在将可变气压的硅胶气室与柔性传感单元并联排列。从机械结构方面，可以一个可变气压的硅胶气室与一个柔性传感单元以及两只之间起连接作用的柔性基底视为一个结构，将该结构简化为两个弹簧并联承受同一外力，其中柔性传感单元与起连接作用的柔性基底可视为固定刚度的弹簧；可变气压的硅胶气室可视为刚度随内部气压变化而变化的可变刚度的弹簧。在此模型中，通过调节硅胶气室内部的气压，来改变等效可变弹簧的刚度，进而改变整个皮肤阵列的刚度。由于，柔性传感单元的工作机理是：受到外界压力作用时，内部发生形变，从而导致柔性多孔传感单元内部的微观丝状导电通路数目发生改变，进而电阻值发生变化。在相同外力作用的情况下，硅胶气室内部的气压越高，其等效的弹性模量越大，柔性传感单元的形变量越小，相应的电阻变化的量值也就越小。反之，电阻变化的量值也就越大。

多层机构具有将功能分散化分布的作用：封装层(1)具有防尘，绝缘，保护，美观的作用；动态微力柔性感知层(2)由于其层厚小，适用于探测较为微小，动态的压力；静态柔性感知层由于其层厚相对较大，适用于探测较大的静态压力，而且静态柔性感知层内部包含可变气压的硅胶致动层，能够通过硅胶致动层的刚度的变化改变静态柔性感知层的感知范围。

本发明其有益效果为：

本发明与传统整体平面阵列相比，传统的传感阵列中柔性多孔传感单元感知范围固定，在制备完成后其传感灵敏度与感知范围都已固定，不能够随着外界环境的改变而改变，从而造成了传感阵列应用的局限性。而本发明中的可变刚度传感阵列可以在不同的应用场合以通过改变气压的方式来改变传感阵列的灵敏度，由于每个硅胶气室都是独立的气管，在使用时可以根据需要对特定位置的刚度进行调整以实现灵敏度改变，以达到个性化位置分布的目的。

另一方面，本发明在使用时，依据需求来在组装时调整硅胶气室与敏感单元的数量配比。当硅胶气室相对较多时，传感阵列的刚度变化范围也行对较大，可以抵御更大的冲击，能够检测更大的外力；当敏感单元相对较多时，传感阵列的传感分辨率更高，能够检测更多的外力信息。

同时，本传感阵列中，通过改变气室的气压大小可以改变皮肤的刚度，进而改变传感阵列的缓冲能力。能有效缓冲物体(譬如人体)与传感装置的接触，可以在碰撞等情况发生时降低损害。

附图说明

图1为本发明可变刚度传感阵列装置的前视图；

图2为本发明可变刚度传感阵列装置的结构示意图；

图3为本发明可变刚度传感阵列装置的静态柔性感知层的俯视图；

图4为本发明可变刚度传感阵列装置可变气压的硅胶气室与柔性传感单元并联排列结构细节示意图；

图5为本发明可变刚度传感阵列装置可变气压的硅胶气室与柔性传感单元并联排列结构等效的弹簧原理示意图；

图6为本发明可变刚度传感阵列装置柔性传感单元结构示意图；

图7为本发明可变刚度传感阵列装置可变气压的硅胶气室结构示意图；

图8为本发明可变刚度传感阵列装置可变气压的硅胶气室在不同内部气压下，承受外力与形变量的关系曲线图；

图9为本发明可变刚度传感阵列装置可变气压的硅胶气室在不同内部气压下，多孔敏感单元电阻值与承受外力的关系曲线图。

图中：1.封装层、2.动态微力柔性感知层、3.柔性基底、4.柔性传感单元层5.硅胶致动层、6.静态柔性感知层、40.柔性传感单元、401.电线、402.铜电极针、403.柔性传感单元主体、50.硅胶气室单元、501.气室主体、502.气室封盖、503.气管、504.无弹性布(504)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1、图3所示，本发明具体实施包含封装层1、动态微力柔性感知层2、排布在柔性基底3内部的柔性传感单元层4、可变气压的硅胶致动层5，柔性传感单元40、可变气压的硅胶气室50在柔性基底2内部呈交替等间隔阵列排布，形成静态柔性感知层。具体地，包含等距离阵列排布的柔性传感单元层4、可变气压的硅胶致动层5紧密连接构成的静态柔性感知层；将封装层1，动态微力柔性感知层2，静态柔性感知层从上到下叠放在一起，然后通过缝制的方法将封装层1与底层的静态柔性感知层缝制连接在一起，动态微力柔性感知层2自然地被夹叠在封装层1与静态柔性感知层之间。

如图2所示，柔性传感单元层4主要由多孔结构的柔性传感单元40等间隔阵列排布组成，可变气压的硅胶致动层5主要由可变气压的硅胶气室50等间隔阵列排布组成，将等距离等数量间隔摆放的柔性传感单元40与可变气压的硅胶气室50放入聚氨酯发泡模具中，加入聚氨酯发泡材料使其聚氨酯泡沫自适应地填充进柔性传感单元40、硅胶气室50、模具的间隙中，从而连接包裹柔性传感单元层4、可变气压的硅胶致动层5形成统一整体。按照上述方案排列在模具中之后，利用发泡工艺倒模制成静态柔性感知层6，柔性传感单元层4、可变气压的硅胶致动层5通过柔性基底3的连接形成整体的静态柔性感知层6。

如图3、图4所示，所有柔性传感单元40的两端分别通过铜电极针402连接电线401串接后引出两个输出端作为电学信号传输通道与外部的分析电路相连接：对于其中任一端来说具体为，每相邻两个岛上的柔性传感单元40同一侧端部之间通过电线连接，且与外框壳的内边缘相邻的所有柔性传感单元40同一侧端部通过电线引出连接到同一输出端；可变气压的硅胶致动层5主要由可变气压的硅胶气室50间隔阵列排布组成；所有可变气压的硅胶气室50的底端分别通过气管503引出气体传输通道与外部的控制阀及气泵相连接。

在使用时，将电源信号传输线排布在模具内部，通过发泡工艺包裹内部的电源信号传输线，电源信号传输线可利用但不仅限于铜线。电源信号传输线与外部分析电路相连接。

由于外力的作用会使得柔性多孔传感单元40发生几何形变，从而导致柔性多孔传感单元40内部的导电通路数目发生改变，进而电阻值发生变化。通过监测柔性多孔传感单元40电学参数电阻值的大小可用于检测外力大小。

柔性多孔传感单元40呈圆柱状结构，但不仅限于圆柱状结构；可变气压的硅胶气室50的形状呈圆柱体但不仅限于圆柱体。柔性传感单元40的两端分别通过铜电极针402连接电线401串接后引出两个输出端作为电学信号传输通道与外部的分析电路相连接。柔性多孔传感单元101的轴线与柔性基底铅锤平行；装配完成后，柔性多孔传感单元40与电源信号传输导线接触。

电源信号传输导线连接外部的单片机于分析电路，通过欧姆定律监测柔性多孔传感单元40的阻值。然后将信号发送至外部的计算机分析设备，从而进行反馈和相应安全策略的实施。

安装后非按压情况下，柔性多孔传感单元40保持原有形状；

按压下，柔性多孔传感单元40发生弹性形变，受按压力作用向按压力的方向发生压缩，柔性多孔传感单元40内部导电通路数目发生改变，引发两电极之间的阻值发生变化。

具体实施的柔性传感单元40所述的动态微力柔性感知层2与柔性传感单元40是通过将包括但不限于成型好的聚氨酯海绵浸泡入包括但不限于炭黑等含敏感导电材料的溶液中再取出，或将炭黑等含敏感导电材料的溶液滴在聚氨酯海绵上；然后烘干，再用正己烷溶液进行清洗，然后再烘干制成获得。

具体实施方式为：将10克炭黑颗粒加入50克正己烷溶液中，充分搅拌至分散均匀，然后将激光切割好的多孔结构单元放入溶液中，使其充分浸泡，最后将浸泡后含有导电溶液的多孔结构单元放入烘箱或加热台上烘干即可。

柔性多孔传感单元40与可变气压的硅胶气室50可以通过在模具内排列的方式来个性化的设置基于多孔结构与柔性物质的可变刚度传感阵列内部的柔性多孔传感单元40与可变气压的硅胶气室50密度与排列方式。

具体实施的基于多孔结构与柔性物质的可变刚度传感阵列装置上的柔性多孔传感单元布置方式为包括但不限于4×4阵列，更高阶阵列结构形式相同。更高阶的阵列结构具有更加多的柔性多孔传感单元40，可以实现更大范围的压力传感。

所述柔性基底3作为柔性传感单元层4、可变气压的硅胶致动层5的载体，底面贴合到安装表面。柔性基底3的外框壳呈方形但不仅限于方形。制成柔性基底3的材料均为柔性材料，柔性材料包括但不限于聚氨酯；柔性多孔传感单元40的材料包括但不限于聚氨酯；敏感导电材料包括但不仅限于炭黑。

如图3所示，通过一种基于多孔结构与柔性物质的可变刚度传感阵列的静态柔性感知层的俯视图可以明显的看出柔性传感单元层4、可变气压的硅胶致动层5混合等间隔排列，并通过柔性基底3将其连接为统一整体。

如图4所示，实线部分为柔性多孔传感单元40、可变气压的硅胶气室50的外部轮廓，柔性多孔传感单元40内部的粗虚线为插入单元40内部的铜电极针，可变气压的硅胶气室50内部的粗虚线为硅胶腔室内壁与气管轮廓；外部的细虚线为埋在柔性基底3电线401。

如图5所示，本发明中可变刚度体现在将可变气压的硅胶气室与柔性传感单元并联排列。从机械结构方面，可以一个可变气压的硅胶气室与一个柔性传感单元以及两只之间起连接作用的柔性基底视为一个结构，将该结构简化为两个弹簧并联承受同一外力，其中柔性传感单元与起连接作用的柔性基底可视为固定刚度的弹簧；可变气压的硅胶气室可视为刚度随内部气压变化而变化的可变刚度的弹簧。

k＝k₁+k₂

其中k是指整体柔性传感阵列在忽略刚度不均条件下的平均刚度，k₁是指柔性多孔传感单元40与柔性基底3的平均刚度，k₂是指可变气压的硅胶致动层5的平均刚度。

如图6所示，本发明中的柔性多孔传感单元40的整体是由末端接有电线401的铜电极针402插入柔性多孔传感介质403，为了在柔性基底内线路排布方便，上下两端的铜电极针402垂直交叉。

如图7所示，本发明中的可变气压的硅胶气室50的整体是由气室顶端501粘合在气室底端502，将气管503插入气室底端502，在组装完之后，利用无弹性薄布504捆绑已组装好的部件，形成可变气压的硅胶气室50，为了使无弹性薄布504能够有效束缚可变气压的硅胶气室的体积变化，可利用扎带将无弹性薄布504固定在气管503上。

如图8所示，将本发明中的可变气压的硅胶气室50固定在夹具上，利用拉压试验机以10mm/min的速度从硅胶气室50顶部向下施加作用力，其外界压力、内部气压压强与硅胶气室在受压方向的形变量的关系图如图8所示。

如图9所示，将本发明中的含有一个可变气压的硅胶气室50与一个柔性多孔传感单元40的柔性多孔材料的可变刚度传感阵列(最小组合单元)，利用拉压试验机以10mm/min的速度从可变刚度传感阵列施加作用力，其外界压力、内部气压压强与柔性多孔传感单元40的电阻的关系图如图9所示。

由图8、图9可见，本发明对硅胶气室50施加的内部气压不同，传感阵列具有的刚度与对外力的敏感程度不同。说明了内部气压的变化可以使传感阵列的传感特性(灵敏度，量程等)发生改变。

在对最小可变刚度传感阵列施加不同内部气压的情况下，电阻随外力的变化曲线不同。综上，本发明静态柔性感知层6在采用气室与传感单元并联排列的结构下，达到了能够通过改变气室气压来改变传感阵列物理特性(刚度：图8中各曲线的斜率)，以及传感特性(灵敏度：图8中各曲线的斜率，量程：图9中各曲线对应的横坐标范围等)的技术效果，实现了对传感器性能的操控。

Claims (8)

1.一种基于柔性多孔材料的可变刚度传感阵列，其特征在于：包括自上而下依次连接在一起的封装层(1)、动态微力柔性感知层(2)和静态柔性感知层(6)，静态柔性感知层(6)包括柔性基底(3)以及排布在柔性基底(3)内的多个柔性传感单元(40)、硅胶气室单元(50)，多个柔性传感单元(40)和硅胶气室单元(50)在柔性基底(3)内呈间隔阵列排布，呈阵列排布的所有柔性传感单元(40)构成柔性传感单元层(4)，呈阵列排布的所有硅胶气室单元(50)构成硅胶致动层(5)。

2.根据权利要求1所述的一种基于柔性多孔材料的可变刚度传感阵列，其特征在于：所述的动态微力柔性感知层(2)与柔性传感单元(40)均采用具有多孔结构的柔性材料制备而成，多孔结构的柔性材料包括聚氨酯海绵，多孔结构的柔性材料的制备步骤具体为：将炭黑颗粒加入正己烷溶液中充分搅拌至分散均匀形成导电溶液，然后将激光切割好的聚氨酯海绵单元放入导电溶液中充分浸泡，最后将浸泡后含有导电溶液的多孔结构单元放入烘箱或加热台上烘干即可。

3.根据权利要求1所述的一种基于柔性多孔材料的可变刚度传感阵列，其特征在于：所述的每个柔性传感单元(40)由柔性传感单元主体(403)、铜电极针(402)和电线(401)组成，柔性传感单元主体(403)的内部贯穿插有两个铜电极针(402)，每个铜电极针(402)外露于柔性传感单元主体(403)外的一端作为引出端，每个铜电极针(402)的引出端连接各自的电线(401)；柔性基底(3)中每一行的所有柔性传感单元(40)的其中一个铜电极针(402)的电线(401)共同串接，柔性基底(3)中每一列的所有柔性传感单元(40)的另外一个铜电极针(402)的电线(401)共同串接。

4.根据权利要求3所述的一种基于柔性多孔材料的可变刚度传感阵列，其特征在于：所述的两个铜电极针(402)均沿径向水平贯穿柔性传感单元主体(403)的上部和下部，每一行或每一列的柔性传感单元(40)的电线(401)串接后作为输出端与外部电路相连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于多孔结构与柔性物质的可变刚度传感阵列，其特征在于：所述的封装层(1)、动态微力柔性感知层(2)和静态柔性感知层(6)三者通过缝制的手段连接形成统一整体，封装层(1)采用无弹织布材料制成；

6.根据权利要求1所述的一种基于柔性多孔材料的可变刚度传感阵列，其特征在于：所述的每个硅胶气室单元(50)主要由气室主体(501)、气室封盖(502)、气管(503)和无弹性布(504)组成，气室主体(501)开有空腔作为气室，气室通过气室封盖(502)进行密封，气室封盖(502)开有用于插装气管(503)的通孔，气管(503)通过通孔与气室连通，密封的气室主体(501)经无弹性布(504)包裹捆绑后形成硅胶气室单元(50)。

7.根据权利要求1所述的一种基于柔性多孔材料的可变刚度传感阵列，其特征在于：所述的静态柔性感知层(6)制作方法具体为：柔性基底(3)是将柔性传感单元层(4)和硅胶致动层(5)按间隔阵列的形式排布在模具中，柔性基底(3)通过发泡工艺填充到柔性传感单元(40)、硅胶气室单元(50)、和模具三者的间隙中，形成静态柔性感知层(6)。

8.根据权利要求1所述的一种基于柔性多孔材料的可变刚度传感阵列，其特征在于：所述的柔性基底(3)每一行或每一列的柔性传感单元(40)和硅胶气室单元(50)均交错排布，使得相邻两个柔性传感单元(40)之间布置硅胶气室单元(50)，相邻两个硅胶气室单元(50)之间布置柔性传感单元(40)。

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