CN111006795B - 一种摩擦电式三维柔性触觉传感器及传感单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种摩擦电式三维柔性触觉传感器，包括阵列化的摩擦电式三维柔性触觉传感单元，单个触觉传感单元由绝缘柔性倒圆台、金属电极、柔性覆盖层、柔性中间层、柔性底层和引线组成。绝缘柔性倒圆台作为三维触觉力感知结构可以将不同模式、大小的外接触力转化为相应的变形。绝缘柔性倒圆台与金属电极组成的摩擦电对通过接触起电与静电耦合效应将形变转化为电信号，实现了对包括接触正应力和滑移剪切力在内的三维接触力的自供电、高灵敏测量。本发明整体结构简单，制造过程容易，并且高对称的结构可方便触觉传感单元的阵列化扩展。本发明综合性能优异，可在机器人末端灵巧手、人工假肢和手术机械手等领域推广应用。

Description

一种摩擦电式三维柔性触觉传感器及传感单元
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其是一种柔性触觉传感器。
背景技术
触觉传感器可以为机器人末端灵巧手和人工假肢等提供触觉信息，以进行闭环控制，提高灵巧手和人工假肢等进行复杂、精细作业的能力。研发综合性能优良且稳定可靠的触觉传感器对于提升机器人的灵巧性和智能性具有十分重要的意义，触觉传感器是机器人研究领域的关键传感技术。
触觉传感器的关键性能指标主要包括：灵敏度、三维触觉感知能力、柔性、自供电能力以及稳定性等，现有的各种经典形式的触觉传感器还不能很好地兼顾上述各主要性能指标。例如，压阻式和电容式触觉传感器均不具备自供电能力，其工作需要附加额外的供电电源，这会增加处理电路的复杂性；压电式触觉传感器则无法实现对静态触觉力的测量，对温度变化敏感，且灵敏度较低。
发明内容
本发明提出了一种基于摩擦电原理的三维柔性触觉传感器，基于倒圆台形式的三维柔性感知结构，可同时实现对接触正应力和滑移剪切力的测量。
为了实现上述功能要求，本发明采取如下技术方案：
本发明由阵列化的摩擦电式三维柔性触觉传感单元组成，单个触觉传感单元由绝缘柔性倒圆台、金属电极、柔性覆盖层、柔性中间层、柔性底层和引线组成。
所述绝缘柔性倒圆台粘接在所述柔性底层上，在不同外接触力作用下，倒圆台会产生不同形式的变形。例如：在接触正应力作用下，倒圆台会整体被压缩；在滑移剪切力作用下，倒圆台会发生弯曲。
所述金属电极粘贴在所述柔性中间层上，每个触觉传感单元包含4个对称排布的金属电极，金属电极的数目可以扩展。金属电极与所述绝缘柔性倒圆台组成摩擦电对，可以将形变信号转化为电信号。
所述柔性覆盖层与所述绝缘柔性倒圆台的顶部粘接，柔性覆盖层是一层极薄的聚合物高分子材料，可以保护三维柔性触觉传感器，防止灰尘进入。
所述柔性中间层粘接在所述柔性底层上，柔性中间层用于固定支承所述金属电极。
所述引线固定于柔性中间层和柔性底层之间，金属电极均通过相连接的引线将所感知的电信号导出。
本发明的基本工作原理如下：
绝缘柔性倒圆台与金属电极组成摩擦对。在工作起始阶段，由于倒圆台绝缘材料与电极金属材料对电子吸附能力的不同，两者之间的相互摩擦运动会通过接触起电效应在绝缘柔性倒圆台的外表面形成一层稳定电荷。该过渡阶段完成后，不同形式的外接触力作用会使绝缘柔性倒圆台产生不同形式的变形，例如：接触正应力会使得绝缘柔性倒圆台产生整体压缩变形，滑移剪切力会使得绝缘柔性倒圆台向剪切力方向弯曲。绝缘柔性倒圆台的形变会导致其与周围金属电极的相对位置发生变化，由于静电感应效应，金属电极上的感应电荷量会发生变化。因此，通过分析外电路中电信号的不同可以确定外接触力的模式和大小。
作为优选，本发明中采用的三维触觉力感知结构为倒圆台，相比于正圆台，倒圆台的结构刚度更低，可增加整个器件的柔性。此外，相比于倒四棱台，倒圆台的对称性更高，可方便电极数目的扩展。
作为优选，本发明中的摩擦对采用单电极工作模式，可有效简化信号处理电路。
作为优选，本发明中的金属电极和绝缘柔性倒圆台的表面均通过特殊的表面处理方法形成纳米表面微结构，以增加摩擦电对的摩擦电系数。
本发明的优点：
1、本发明采用了接触起电与静电感应相耦合的摩擦电传感原理。传感器具备自供电能力，不需要附加额外的供电电源，简化了信号处理电路；并且与电容式触觉传感器类似，本发明具有很高的灵敏度。
2、本发明采用倒圆台形式的三维柔性感知结构，能够同时对接触正应力和滑移剪切力进行测量，实现了对三维触觉力的检测。倒圆台形式的三维触觉力感知结构相比于现有各种结构，结构刚度更低，器件柔性更好；并且结构的高对称性使得电极数目的扩展更加容易，便于系统冗余度的增加。
3、本发明通过在触觉传感单元表面覆盖一层很薄的柔性覆盖层，实现了对整个器件的无尘封装，可有效提高器件的工作稳定性。
4、本发明整体结构简单，制造过程容易，并且高对称的结构可方便触觉传感单元的阵列化扩展。
5、本发明综合性能优异，可在机器人末端灵巧手、人工假肢和手术机械手等领域推广应用。
附图说明
图1是摩擦电式三维柔性触觉传感阵列的俯视图；
图2是摩擦电式三维柔性触觉传感单元的分层结构拆分立体图；
图3是摩擦电式三维柔性触觉传感单元的组装侧视图。
图中：1是柔性覆盖层，2是金属电极，3是绝缘柔性倒圆台，4是柔性中间层，5是引线，6是柔性底层，7是收容腔，100是摩擦电式三维柔性触觉传感单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明由阵列化的摩擦电式三维柔性触觉传感单元100组成。如图2、图3所示，摩擦电式三维柔性触觉传感单元从上到下依次包括柔性覆盖层1、对称排布的金属电极2、绝缘柔性倒圆台3、柔性中间层4、引线5和柔性底层6。
如图3所示，所述绝缘柔性倒圆台3的顶部与柔性覆盖层1粘接，底部与柔性底层6粘接。柔性中间层4设有倒圆台内孔形的收容腔7。绝缘柔性倒圆台3收容于该收容腔7内。所述电极2位于收容腔7内并夹于收容腔7内壁及绝缘柔性倒圆台3外壁之间。电极2通过粘贴固定在收容腔7内壁上并与柔性倒圆台3外壁形成摩擦配合，即两者之间的相互摩擦运动会通过接触起电效应在绝缘柔性倒圆台3的外表面形成一层稳定电荷。所述柔性中间层4及电极2承载于柔性底层6上。所述金属电极2与绝缘柔性倒圆台3组成摩擦电对，金属电极2下方与引线5相连，所感知的电信号由引线5导出；所述引线5固定在柔性中间层4和柔性底层6之间；所述柔性覆盖层1、柔性中间层4和柔性底层6起到保护和支承整个三维柔性触觉传感器的作用。
本发明的工作原理描述如下：
绝缘柔性倒圆台3与金属电极2组成摩擦对。在工作起始阶段，由于倒圆台绝缘材料与电极金属材料对电子吸附能力的不同，两者之间的相互摩擦运动会通过接触起电效应在绝缘柔性倒圆台3的外表面形成一层稳定电荷。该过渡阶段完成后，不同形式的外接触力作用会使绝缘柔性倒圆台3产生不同形式的变形，例如：接触正应力会使得绝缘柔性倒圆台3产生整体压缩变形，滑移剪切力会使得绝缘柔性倒圆台3向剪切力方向弯曲。绝缘柔性倒圆台3的形变会导致其与周围金属电极2的相对位置发生变化，由于静电感应效应，金属电极2上的感应电荷量会发生变化。因此，通过分析外电路中电信号的不同可以确定外接触力的模式和大小。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种摩擦电式三维柔性触觉传感器，其特征在于，包括阵列化的若干摩擦电式三维柔性触觉传感单元，所述摩擦电式三维柔性触觉传感单元包括若干电极、绝缘柔性倒圆台、柔性中间层、柔性底层、若干引线；所述柔性中间层设有收容绝缘柔性倒圆台的收容腔，所述电极位于收容腔内并夹于收容腔内壁及绝缘柔性倒圆台外壁之间，电极固定在收容腔内壁上并与绝缘柔性倒圆台外壁形成摩擦电对；所述柔性中间层及电极承载于柔性底层上，且引线固定于柔性中间层和柔性底层之间，电极连接引线。
2.根据权利要求1所述的摩擦电式三维柔性触觉传感器，其特征在于，摩擦电式三维柔性触觉传感单元包含至少4个沿着绝缘柔性倒圆台周向对称排布的金属电极。
3.根据权利要求1或2所述的摩擦电式三维柔性触觉传感器，其特征在于，摩擦电式三维柔性触觉传感单元还包括柔性覆盖层，该柔性覆盖层与所述绝缘柔性倒圆台的顶部粘接并覆盖所述收容腔。
4.根据权利要求3所述的摩擦电式三维柔性触觉传感器，其特征在于，所述绝缘柔性倒圆台为聚四氟乙烯(PTFE)或全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)可以与金属电极配成摩擦电对的柔性材料。
5.根据权利要求4所述的摩擦电式三维柔性触觉传感器，其特征在于，柔性中间层、柔性底层和柔性覆盖层为聚对二甲酸乙二醇酯(PET)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)柔性材料。
6.一种摩擦电式三维柔性触觉传感单元，其特征在于，包括若干电极、绝缘柔性倒圆台、柔性中间层、若干引线、柔性底层；所述柔性中间层设有收容绝缘柔性倒圆台的收容腔，所述电极位于收容腔内并夹于收容腔内壁及绝缘柔性倒圆台外壁之间，电极固定在收容腔内壁上并与绝缘柔性倒圆台外壁形成摩擦电对；所述柔性中间层及电极承载于柔性底层上，且引线固定于柔性中间层和柔性底层之间，电极连接引线。
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