CN110793701B - 一种高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器。主要由半球型触头、柔性球曲面激励电极、柔性公共电极以及柔性基底构成；柔性基底为底部支撑，半球型触头为顶部覆盖，内部形成空气腔；在空气腔内粘接有柔性公共电极以及四个柔性球曲面激励电极；柔性公共电极连接在半球型触头和柔性基底之间，并设置于四个柔性球曲面激励电极的中心；四个柔性球曲面激励电极间隔均匀地排布在柔性基底上，且在柔性球曲面激励电极表面设绝缘层；柔性公共电极与柔性球曲面激励电极构成四个呈空间立体分布的电容，整体呈倒状“蘑菇”结构。本发明具有了更高的检测灵敏度及更快的响应速度，可用作柔性电子皮肤应用于人机交互、智能机器人、康复医疗等领域。

Description

一种高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种三维力触觉传感器，尤其是一种高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器及其制备方法，主要应用于软体机器人电子皮肤，用于对外力方向及大小的感知，属于软体机器人和传感器相结合的技术领域。

背景技术

近年来，智能机器人应用领域越来越广泛，各种形式的柔性传感器作为智能机器人感知外界环境的方式，其研制及应用受到了国内外学者的广泛关注。随着机器人工业化应用以及一些行业的高精度作业要求，对于机器人的制作要求越来越严苛。因此，柔性三维力触觉传感器作为机器人触觉传感器的一个重要分支，国内外学者对其研究便趋于追求更快的响应速度、更高的灵敏度、更宽的检测范围、更好的耐用性等。

全柔性材料、高精度感应、快速响应等一系列优良特性使得三维力触觉传感器可适应多数复杂环境，同时配套在一些软体机器人电子皮肤上可应用于众多领域。因此，柔性三维力触觉传感器未来会快速发展，也必将在生活中的各方面发挥重要作用。科研人员充分利用各类柔性材料，包括橡胶、天然材料、高分子材料、仿生材料等固有的柔性，以及一些复合柔性导电材料的导电性或压阻效应，制成了各式三维力传感器。

在国外的相关研究中，法国巴黎综合理工学院Dobrzynska等人采用金制备而成的上下叉指电极结构，上下电极之间填充硅胶为介质层，制作了一种高灵敏度的电容式三维力触觉传感器。三维力作用下，上下电极间距及上下极板有效面积的变化致使四个电容值的改变从而实现三维力信息的获取。由于其结构的限制，传感器分上下两层走线，不易实现传感器结构的阵列化，限制了其应用。伦敦国王学院Pinyo Puangmali等人基于光学传感理论，设计了一种微型三维力传感器，可放置在一个手术器械的顶端，用于测量与组织间相互作用力，来进行组织触诊。但光纤不具备柔性，难以应用到机器人柔性电子皮肤上。大阪府立大学Shingo Harada等人用丝网印刷机印刷厚膜电阻应变计，并在电路板上制成应变式三维力传感器，制成的传感器灵敏度高，且电阻变化受温度影响小。同样因为基底为电路板，不具有柔性，难以应用于电子皮肤中。

国内也有众多高校展开了对柔性三维力触觉传感器的研究。其中，合肥工业大学黄英等人基于力敏导电材料，利用体压阻效应与界面压阻效应，设计了一种柔性三维力触觉传感器，通过测量电阻的变化反演出物体所受三维力信息。压阻式传感器测量精度不高，稳定性稍差。中科院合肥智能机械研究所赵星等人基于微气囊结构，利用传感器底部多个气囊气压值的变化并采用BP神经网络算法进行三维力解耦，实现了三维力信息的检测。该结构制作复杂，不宜应用于大批量制作。重庆大学杜彦刚等人将PVDF粘贴在内凹陷的四棱台的各个平面上，从而实现空间三维力的测量。同时，昆明理工大学程立等人对该结构进行了优化，并在此基础上运用模拟电路进行了三维力的解耦研究，从而降低了误差。该结构有很快的响应速度，但不能将尺寸做到太小，这在一定程度上限制了其应用。

综上可见，目前在国内外柔性三维力触觉传感器已有一定的研究。虽然传感器基本原理多属于电容式、压阻式和光电式三个方向，工作原理较为简单，但设计一个新颖的结构尤为困难。通常，我们需要大量的阅读文献，学习自然科学，充分发挥创新思维，从仿生的一些角度出发，进一步探讨和研究，从而设计出更为优秀的结构。柔性三维力触觉传感器的研究包括柔性传感器技术、柔性材料制备及成型技术、耐用性研究等，其关键问题主要体现在以下几个方面：①柔性三维力触觉传感器测量精度不高，误差范围大。②柔性三维力触觉传感器测量响应速度慢，延迟高。③柔性三维力触觉传感器易损耗，且多为不可逆型破损。因此，采用复合导电材料及高耐用性的柔性材料，设计创新型结构提高传感器的优良性能将是柔性三维力触觉传感器发展的主要趋势。

随着计算机技术、自动化控制技术、传感技术及人工智能的不断发展，机器人在智能制造、体育运动及康复医疗等领域得到广泛应用，并成为长期刚性需求。目前，智能机器人本体正朝着仿生化、自然交互、人机协同等方向发展。柔性三维力触觉传感器作为人机交互的重要桥梁，它避免了传统刚性传感器的各种弊端，同时三维信息的获取，亦有助于准确的获悉作用对象的信息，提升智能机器人的操作精度。为此，面向高精度、快响应的受力感知的应用需求，研制一种高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器显得尤为重要并成为研究热点之一。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器及其制备方法，该传感器的三维力感知响应速度及灵敏度都能够显著提升。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器，主要由半球型触头、柔性球曲面激励电极、柔性公共电极以及柔性基底四个部分构成；以柔性基底为底部支撑，以半球型触头为顶部覆盖，二者在边缘部粘接，内部形成空气腔；在空气腔内粘接有柔性公共电极以及四个柔性球曲面激励电极；柔性公共电极连接在半球型触头和柔性基底之间，并设置于四个柔性球曲面激励电极的中心；四个柔性球曲面激励电极间隔均匀地排布在柔性基底上，且在所述柔性球曲面激励电极的表面设置绝缘层；柔性公共电极与柔性球曲面激励电极构成四个呈空间立体分布的电容，整体呈倒状“蘑菇”结构。

一种高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器的制备方法，具体步骤如下：

首先，基于3D打印技术，分别打印出柔性基底模具、半球型触头模具以及柔性公共电极模具；

接着，先向柔性基底模具中注入硅橡胶材料，再放入真空干燥箱中室温固化，待其固化后脱模，制得柔性基座；

其次，再用多壁碳纳米管、炭黑和硅橡胶的复合导电材料制备柔性公共电极以和半球型触头，其中，多壁碳纳米管与炭黑质量比为1:2，导电填料占母体的质量分数为6％～7％；计算配置的量，向称量好的多壁碳纳米管以及炭黑中加入有机溶剂，并进行磁力搅拌，充分分散团聚的多壁碳纳米管以及炭黑；再向其中加入称量好的硅橡胶，同时进行磁力搅拌；将制作好的复合材料分别注入半球型触头模具及柔性公共电极模具中，并放入真空干燥箱中室温固化，待其固化后脱模；

然后，配置有机硅导电银胶，在制成的柔性基底的半球型腔体表面间隔12度均匀涂抹配置好的有机硅导电银胶，静置进行室温固化后，形成四个柔性球曲面激励电极，最后在有机硅导电银胶的柔性球曲面激励电极表面涂抹硅橡胶，进行绝缘处理；

最后，使用硅橡胶作粘接剂将柔性公共电极分别与柔性基底和半球型触头粘接，并将半球型触头与柔性基底粘接。

相比现有技术，本发明的一种高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器及其制备方法，首先，通过柔性公共电极与柔性球曲面激励电极最终构成四个呈空间立体分布的电容，将柔性公共电极置于空气腔内，通过受力，改变了极板间距同时改变了极板间介质，将空气替换为公共导电柔性材料，从而提高了介电常数，这种空间立体分布的电容具体优良性能使得本发明的电容式柔性三维力触觉传感器，相较于传统三维力传感器，具有了更高的检测灵敏度及更快的响应速度。

其次，本发明的电容式柔性三维力触觉传感器，基于倒状“蘑菇”仿生结构，得益于其独特的仿生结构，相较于传统的三维力结构，在相同作用力下，倒状“蘑菇”仿生结构也具有响应快、测量精度高等优良特性。

再者，本发明高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器的制备工艺，是基于3D打印技术、流体成型工艺和自组装工艺，整体制备流程简单、易操作，适于大批量制作；同时，采用碳系导电相及硅橡胶，制备材料价格低廉，更能应用于实际制作中。

另外，本发明的电容式柔性三维力触觉传感器整体结构为柔性材料，相比于传统刚性三维力传感器，具有更广泛的应用领域，包含但不限于智能机器人电子皮肤相关领域的应用。本发明具有三维力感知功能的触觉传感器，其结构明了，组装简单，相比于其他复杂性三维力传感器，本发明耐用性更好并，且维护便利。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明一个实施例的整体结构示意图。

图2为本发明实施例在透视下的结构爆炸图。

图3为本发明实施例中半球型触头的结构示意图。

图4为本发明实施例中半球型触头的制作模具结构示意图，其中图4a为母板，图4b为公板。

图5为本发明实施例中柔性基底的结构示意图。

图6为本发明实施例中柔性基底的制作模具结构示意图。

图7为本发明实施例中柔性公共电极的结构示意图。

图8为本发明实施例中柔性公共电极的制作模具结构示意图。

图9为本发明实施例中柔性球曲面激励电极的结构示意图。

图中，1、半球型触头，1-1、上半球面，1-2、圆环体，2、空气腔，3、柔性公共电极，3-1、上半球体，3-2、下半椭球体，4、柔性球曲面激励电极，5、柔性基底，5-1、柔性基底外缘。

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的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1至图9示出了本发明一个较佳的实施例的结构示意图，如图1和图2所示，本发明的一种高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器，以柔性基底5为支撑，在由半球型触头1及柔性基底5构成的空气腔2内，粘接柔性球曲面激励电极4以及柔性公共电极3，顶部由半球型触头1覆盖。整体结构自上而下依次为：半球型触头1、空气腔2、柔性公共电极3、柔性球曲面激励电极4和柔性基底5。其中，柔性基底5上表面设置呈半球型腔体，柔性基底5与半球型触头1在边缘部粘接，内部形成空气腔2；柔性公共电极3连接在半球型触头1和柔性基底5之间，并设置于四个柔性球曲面激励电极4的中心，由四个柔性球曲面激励电极4与柔性公共电极3便构成了一个倒状“蘑菇”结构，柔性球曲面激励电极4为蘑菇顶，柔性公共电极3为蘑菇杆；四个柔性球曲面激励电极4间隔均匀地排布在柔性基底5上，且在所述柔性球曲面激励电极4的表面设置绝缘层；柔性公共电极3与柔性球曲面激励电极4构成四个呈空间立体分布的电容，依据法向力及切向力作用于半球型触头1时四个电容值的变化规律，实现三维力方向及大小的实时感知。本发明通过四个电容值的变化，感知半球型触头1受到外力的方向及力的大小，记录外力的时变信息，为智能控制端提供快速、准确的反馈。

如图3所示，所述的半球型触头1包括一体化的上半球面1-1和圆环体1-2，圆环体1-2位于上半球面1-1的下边缘部。如图5所示，所述的柔性基底5采用硅橡胶材料制成，呈圆柱体，其上表面向下形成半球型腔体，半球型腔体的四周具有外缘。半球型触头1的圆环体1-2的直径与柔性基底5的外径尺寸一致，圆环体1-2的宽度与柔性基底外缘5-2的宽度一致。所述半球型触头1的圆环体1-2通过硅橡胶与柔性基底外缘5-2粘结固定，同时将半球型触头1顶部与柔性公共电极3粘接，剩余部分未与任何部分接触。

如图7所示，所述柔性公共电极3包括导电复合材料的上半球体3-1和下半椭球体3-2，整体高度等于由半球型触头1及柔性基底5构成的空气腔2高度，下半椭球体3-2的短半轴长等于上半球体3-1的半径且略小于柔性基底5半球型腔体的宽度。所述柔性公共电极3的上下顶面均通过硅橡胶分别固定在半球型触头1内表面和柔性基底5内半球型腔体的上表面，且仅为顶部及底部小范围固定，所述柔性公共电极3除连接部分，剩余部分未与任何部位接触，均处于空气腔2内。所述的柔性公共电极3通过导线引出，并接地构成公共端。

如图9所示，所述柔性球曲面激励电极4数量为四个，由有机硅导电银胶材料制成，并通过四根导线引出，四个柔性球曲面激励电极4均匀分布于柔性基底5半球型腔体的表面，且彼此具有间隔。四个所述的柔性球曲面激励电极4使用硅橡胶(如GD401、GD402等常用室温硫化橡胶)均匀粘贴在半球型腔体的表面。进而，所述柔性球曲面激励电极4表面的绝缘层可以通过涂抹橡胶形成。

本发明电容式柔性三维力触觉传感器的制作工艺主要基于3D打印技术和硅橡胶流体成型技术，利用多物理场仿真软件COMSOL进行建模，设计本发明一种高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器中半球型触头1、柔性公共电极3及柔性基底5所需的模具。将多壁碳纳米管/炭黑/硅橡胶复合导电材料注入柔性公共电极3以及半球型触头1的模具中，将硅橡胶材料注入柔性基底的道具中。进一步地，将所有模具放入真空干燥箱中室温固化，待其固化后脱模。在制成的柔性基底5的半球型腔体表面间隔均匀涂抹配置好的有机硅导电银胶，静置进行室温固化后，形成四个柔性球曲面激励电极4，再在柔性球曲面激励电极4表面涂抹硅橡进行胶绝缘处理。最后使用硅橡胶作粘接剂将半球型触头1、柔性公共电极3、柔性球曲面激励电极4及柔性基底5层层组装即得本发明一种高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器。具体的例举一下，本发明的传感器按如下步骤进行制作：

首先，基于3D打印技术，分别打印出柔性基底模具(参见图6)、半球型触头模具(参见图4a和4b)以及柔性公共电极模具(参见图8)。向柔性基底模具中注入硅橡胶材料，再放入真空干燥箱中室温固化，待其固化后脱模，成型的柔性基底5如图5，其尺寸为：半径为10mm、高为8mm的圆柱体和半径为7mm的半球型腔体。

其次，用多壁碳纳米管/炭黑/硅橡胶复合导电材料制备柔性公共电极3以及半球型触头1，其中，多壁碳纳米管与炭黑质量比为1:2，导电填料占母体(即硅橡胶)质量分数6～7％。计算配置的量，向称量好的多壁碳纳米管以及炭黑中加入有机溶剂，并进行磁力搅拌，充分分散团聚的多壁碳纳米管以及炭黑。再向其中加入称量好的硅橡胶，同时进行磁力搅拌。将制作好的复合材料分别注入半球型触头模具及柔性公共电极模具中，并放入真空干燥箱中室温固化，待其固化后脱模。成型的柔性公共电极3如图7，其尺寸为：半径为4mm的上半球体3-1和短轴长为4mm，长轴为6mm的下半椭球体3-2。成型的半球型触头1如图3，内表面长轴为7mm，内表面短轴为4mm，厚度为1mm。

然后，配置有机硅导电银胶，在制成的柔性基底5的半球型腔体表面间隔12度均匀涂抹配置好的有机硅导电银胶，静置进行室温固化后，形成四个柔性球曲面激励电极4(参见图9)，最后在有机硅导电银胶的柔性球曲面激励电极4表面涂抹硅橡胶，进行绝缘处理。

最后使用硅橡胶作粘接剂将柔性公共电极3分别与柔性基底5和半球型触头1粘接，并将半球型触头1与柔性基底5粘接，从而获得本发明一种高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器。

本发明一种高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器的工作原理如下：

传感器由柔性公共电极3与柔性球曲面激励电极4构成四个呈空间立体分布的电容，受法向力及切向力作用于半球型触头1时，一部分柔性公共电极3与空气腔2互换位置，改变极板间距的同时改变了极板间介电常数，从而实现电容值的变化。通过对称分布的四个电容值的变化，可以感知所受外力的大小及方向。法向力作用下，柔性公共电极3法向上压缩、切向上扩张，与四个柔性球曲面激励电极4间间距减小，同时介电常数增大，四个电容值同趋势的增大。切向力作用下，柔性公共电极3发生形变，柔性公共电极3整体靠近距离受力方向较远的激励端，两极板间间距减小、介电常数增大，对应的电容值增大；柔性公共电极3远离激励端对应的电容值相应减小。通过多组实验的测量，标定确定外力下的一组电容值，从而在实际应用中可以通过电容值反演出对应的外力大小及方向。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器，其特征是：主要由半球型触头（1）、柔性球曲面激励电极（4）、柔性公共电极（3）以及柔性基底（5）四个部分构成；以柔性基底（5）为底部支撑，以半球型触头（1）为顶部覆盖，二者在边缘部粘接，内部形成空气腔（2）；在空气腔（2）内粘接有柔性公共电极（3）以及四个柔性球曲面激励电极（4）；导电复合材料的柔性公共电极（3）连接在半球型触头（1）和柔性基底（5）之间，并设置于四个柔性球曲面激励电极（4）的中心；四个柔性球曲面激励电极（4）间隔均匀地排布在柔性基底（5）上，且在所述柔性球曲面激励电极（4）的表面设置绝缘层；柔性公共电极（3）与柔性球曲面激励电极（4）构成四个呈空间立体分布的电容，整体呈倒状“蘑菇”结构。

2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器，其特征是：所述的半球型触头（1）由导电复合材料制成，包括一体化的上半球面（1-1）和圆环体（1-2），圆环体（1-2）位于上半球面（1-1）的下边缘部；所述的柔性基底（5）采用硅橡胶材料制成，呈圆柱体，其上表面向下形成半球型腔体，半球型腔体的四周具有外缘；半球型触头（1）圆环体（1-2）的直径与柔性基底（5）的外径尺寸一致，圆环体（1-2）的宽度与柔性基底外缘（5-2）的宽度一致。

3.根据权利要求2所述的一种高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器，其特征是：所述半球型触头（1）的圆环体（1-2）通过硅橡胶与柔性基底外缘（5-2）粘结固定。

4.根据权利要求2所述的一种高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器，其特征是：所述柔性公共电极（3）包括上半球体（3-1）和下半椭球体（3-2），整体高度等于由半球型触头（1）及柔性基底（5）构成的空气腔（2）高度，下半椭球体（3-2）的短半轴长等于上半球体（3-1）的半径且小于柔性基底（5）半球型腔体的宽度。

5.根据权利要求4所述的一种高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器，其特征是：所述柔性公共电极（3）的上下顶面均通过硅橡胶分别固定在半球型触头（1）内表面和柔性基底（5）内半球型腔体的上表面。

6.根据权利要求5所述的一种高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器，其特征是：所述的柔性公共电极（3）通过导线引出，并接地构成公共端。

7.根据权利要求2所述的一种高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器，其特征是：所述柔性球曲面激励电极（4）由有机硅导电银胶材料制成，并通过四根导线引出，四个柔性球曲面激励电极（4）均匀分布于柔性基底（5）半球型腔体的表面，且彼此具有间隔。

8.根据权利要求7所述的一种高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器，其特征是：四个所述的柔性球曲面激励电极（4）使用硅橡胶均匀粘贴在半球型腔体的表面。

9.根据权利要求2所述的一种高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器，其特征是：所述柔性球曲面激励电极（4）表面的绝缘层通过涂抹橡胶形成。

10.一种制备权利要求1至9任一项所述高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器的方法，其特征是，具体步骤如下：

首先，基于3D打印技术，分别打印出柔性基底模具、半球型触头模具以及柔性公共电极模具；

接着，先向柔性基底模具中注入硅橡胶材料，再放入真空干燥箱中室温固化，待其固化后脱模，制得柔性基座；

其次，再用多壁碳纳米管、炭黑和硅橡胶的复合导电材料制备柔性公共电极（3）和半球型触头（1），其中，多壁碳纳米管与炭黑质量比为1:2，导电填料占母体的质量分数为6%～7%；计算配置的量，向称量好的多壁碳纳米管以及炭黑中加入有机溶剂，并进行磁力搅拌，充分分散团聚的多壁碳纳米管以及炭黑；再向其中加入称量好的硅橡胶，同时进行磁力搅拌；将制作好的复合材料分别注入半球型触头模具及柔性公共电极模具中，并放入真空干燥箱中室温固化，待其固化后脱模；

然后，配置有机硅导电银胶，在制成的柔性基底（5）的半球型腔体表面间隔12度均匀涂抹配置好的有机硅导电银胶，静置进行室温固化后，形成四个柔性球曲面激励电极（4），最后在有机硅导电银胶的柔性球曲面激励电极（4）表面涂抹硅橡胶，进行绝缘处理；

最后，使用硅橡胶作粘接剂将柔性公共电极（3）分别与柔性基底（5）和半球型触头（1）粘接，并将半球型触头（1）与柔性基底（5）粘接。

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