CN111458753A - 一种全柔性同面螺旋电极接近觉传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种全柔性同面螺旋电极接近觉传感器及其制备办法，该传感器包括柔性基体、基础电极和屏蔽电极，整体呈垂直型“夹心”结构，以中间的圆形绝缘层为柔性基体，柔性基体的上表面设置有阿基米德螺旋线型结构的电容式接近觉传感器的两个基础电极：激励电极与接收电极，在基础电极周围环绕圆环型结构的环形屏蔽电极，环形屏蔽电极与其包围的激励电极和接收电极均为非接触状态；在柔性基体的下表面设有圆饼状结构的底部屏蔽电极；所述的基础电极和屏蔽电极均只有一面贴合在柔性基体的表面上。本发明可提供高灵敏度、均匀敏感场的接近觉感知性能，为多功能电子皮肤提供了一种可行性设计思路。
Description
技术领域
本发明涉及一种全柔性同面螺旋电极接近觉传感器及其制备方法，属于传感器技术领域。
背景技术
随着智能材料和柔性电子学的迅速发展，机器人技术以及传感技术也日益成熟，为智能机器人感知系统的研究及应用开辟了全新的道路。抓取操作是机器人执行各项复杂任务的基本能力，交互场景的动态性和不确定性，对机器人抓取的智能性、安全性和自主性提出了更高的要求。
目前，视觉感知技术是引导机器人进行抓取操作的主流方式，依靠视觉系统获取交互场景内目标对象信息，并利用视觉重构算法对抓取目标对象进行全息构建，然而，在非结构环境中，例如复杂背景、透明物体、光照、遮挡等，视觉感知技术可能会因噪声过大、分辨率下降、信息缺失等情况导致视觉失效，致使无法继续精准、高效地进行抓取微姿态调整。
而相较于视觉感知技术，接近觉是机器人本体感知交互信息的基本途径。机器人可通过接近觉感知当前抓取姿态与目标对象空间位置关系并可识别目标对象的材料种类，从而优化抓取姿态与抓取力度。表1为视觉传感器、距离传感器与接近觉传感器的主要区别，虽然视觉感知技术和距离传感技术已较为成熟，在检测范围、精度及响应时间等方面也可应用于人机交互领域实现安全交互，然而，结合前述内容，可以知道，其受操作空间、光线以及穿戴便携性等因素限制，在某些特定的应用领域将很难满足实际应用需求。
表1视觉传感器、距离传感器与接近觉传感器的主要区别
| 类型 | 感知范围 | 主要功能 |
| 视觉传感器 | 几十厘米至几百米 | 获取外界图像信息，实现视觉功能 |
| 距离传感器 | 几十厘米至数米 | 获取物体距离信息，实现物体探测、避障等功能 |
| 接近觉传感器 | 几毫米至几厘米 | 获取接近物体准确距离和状态，实现软抓取等功能 |
可见，在人机交互环节中引入接近觉传感器，使柔性电子皮肤具有接近觉感知功能，将有效弥补视觉感知在抓取微姿态调整中的不足，也为智能机器人提供接近信息，从而成为提升交互安全性的有效途径之一。目前具备不同结构与工作原理的接近觉传感器正逐渐被提出。
目前，接近觉传感器的工作模式主要有三类，即：电阻模式、电感模式以及电容模式。其中，基于平面多电极结构的电容式接近传感器的工作原理是：当目标物接近时，同面多电极间相对介电常数会发生相应变化，依据电容输出与目标接近物间函数关系可以检测接近信息。电容式接近觉传感器具有比电阻式接近觉传感器更高的响应速率和灵敏度，相比于电感式接近觉传感器，电容式接近觉传感器既可检测金属目标物也可检测非金属目标物的接近信息。另外，借助丝网印刷、旋涂、喷墨打印等工艺，可以很便利地制备超薄、高集成度的低剖面接近觉传感器。
随着智能机器人研究不断深入、应用领域更加广泛，机器人作业的任务和环境的复杂性不断增加，机器人本体正朝着仿生化、自然交互、人机协同、交互共融等方向发展，具有自主适应复杂任务、动态环境和多模态感知功能成为新时代智能机器人的主要特征。在机器人感知交互信息方面，电容式柔性接近觉传感器具有体积小、结构简单、分辨率高及优良的动态响应特性等特点而备受关注。
已知的一种电阻-电容、电感-电容双模式接近觉传感器，虽然克服了单一模式接近觉感知目标属性受限的弊端，并成功应用于机械手实现接近感知功能。然而，其制作工艺是基于印刷电路板工艺，其非柔性特点限制该接近觉传感器无法安装在智能机器人手指、手臂等弯曲表面。同时，基于平面结构的电阻-电容双模式接近觉传感器，其电阻式和电容式接近传感单元处于同一平面，不利于提升接近觉传感器的集成度。
已知的另一种由喷墨打印技术制作的柔性接近觉传感器。该柔性接近觉传感器由夹在柔性铝片和网状的顶部电极层之间的氧化锌层构成。氧化锌层和顶部电极层都是通过喷墨打印工艺沉积的，而该工艺具有直接制版、成本低等优点，但由于其材料和结构特性，其一般只可用于近距离传感或热辐射传感中。
此外，还已知一种基于螺旋形碳线圈的双模阵列传感器，可探测到物体的距离和接触时的压力。但由于其制作过程中的主要工艺及所使用材料，传感器的集成度低且柔性受到较大限制。
发明内容
为了克服现有电容式接近觉传感器灵敏度低、感知范围小以及敏感场不均匀的不足，本发明提供一种全柔性同面螺旋电极接近觉传感器及其制备方法，该接近觉传感器的灵敏度高，感知范围大且电位分布较均匀；制备低剖面、高集成度化，工艺流程简单，使用材料成本低。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种全柔性同面螺旋电极接近觉传感器，包括柔性基体、基础电极和屏蔽电极，整体呈垂直型“夹心”结构，以中间的圆形绝缘层为柔性基体，柔性基体的上表面设置有阿基米德螺旋线型结构的电容式接近觉传感器的两个基础电极：激励电极与接收电极，在基础电极周围环绕圆环型结构的环形屏蔽电极，环形屏蔽电极与其包围的激励电极和接收电极均为非接触状态；在柔性基体的下表面设有圆饼状结构的底部屏蔽电极；所述的基础电极和屏蔽电极均只有一面贴合在柔性基体的表面上。
一种全柔性同面螺旋电极接近觉传感器的制备方法，包括如下步骤：先利用三维建模软件设计以及利用3D打印机制作出基础电极和屏蔽电极所需的模具；再将石墨烯/银纳米颗粒/硅橡胶的导电复合材料注入各自的模具中，放入真空干燥箱中室温固化，待各部件固化后脱模；然后使用硅橡胶作粘接剂，将激励电极、接收电极、环形屏蔽电极、圆形绝缘层以及底部屏蔽电极层层组装。
相比现有技术，本发明的一种全柔性同面螺旋电极接近觉传感器，作为一种柔性电容式接近觉传感器，具有以下的优势：1)相较于光学距离检测方法，电容式接近觉传感器具有低成本、低功耗等优势，而相较于电感、电阻式原理的距离检测方法，电容式传感器具有分辨率高、响应速度快等特点。2)与传统非柔性传感器相比，本发明的全柔性接近觉传感器，采用全柔性材料制备，克服了传统刚性传感器作电子皮肤时存在的不易形变、难以共形、穿戴舒适性差等弊端，可作为柔性电子皮肤大面积布设于智能机器人手部、手臂等弯曲部位，为提升智能机器人感知外界环境能力提供技术支撑。
而本发明的核心改进优势是：
1)通过设计合理的垂直型“夹心”传感器结构，将传感器的基础电极与环形屏蔽电极、底部屏蔽电极进行了有机的集成。同时，本发明的整体平面结构便于传感器布置在机器人皮肤表面，其检测距离与电极的相关结构参数有关，易于调节和优化。
2)本发明所述由激励电极、环形屏蔽电极以及底部屏蔽电极集成了环形屏蔽、等电位屏蔽以及接地屏蔽三种屏蔽方式，相较于无屏蔽、少屏蔽的传感器结构，本发明的传感器可以更好地消除外界电磁干扰，得到比较均匀的敏感场，从而具有更高灵敏度、更高分辨率以及更快的响应速度。
3)相较于电感-电容、电阻-电容双模式接近觉传感器，本发明的单一模式——电容式接近觉传感器的制备方法，采用的是3D打印以及层层自组装技术，实现了低剖面、高集成度化制备，从而有利于高密度柔性接近觉传感器的阵列设计，同时整个制备的工艺流程简单，使用材料成本低，为多功能电子皮肤提供了一种可行性设计思路。
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是本发明一个实施例的整体结构示意图。
图2是本发明实施例的拆分结构示意图。
图3是本发明实施例的剖面图。
图4是本发明实施例的尺寸参数示意图。
图5是本发明实施例中基础电极的结构示意图。
图6是本发明实施例中环形屏蔽电极的结构示意图。
图7是本发明实施例中圆形绝缘层与底部屏蔽电极的剖面图。
图8是本发明实施例制备激励电极/接收电极的模具。
图9是本发明实施例制备环形屏蔽电极的模具。
图10是本发明实施例制备底部屏蔽电极的模具。
图11是本发明一个实施例在不同屏蔽条件下的仿真结果图。
图12(a)是本发明实施例输出电容(C/C0)与目标接近物距离之间变化关系；图12(b)是极板结构参数与感知灵敏度及感知距离关系图。
图中：1、激励电极，2、接收电极，3、圆形绝缘层，4、环形屏蔽电极，5、底部屏蔽电极。
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。
如图1至图3所示，本发明的全柔性同面螺旋电极接近觉传感器整体呈现垂直型“夹心”结构，其以位于中间的圆形的柔性基体为整个传感器的绝缘层，从上至下依次设置有基础电极和环形屏蔽电极4，柔性基体以及底部屏蔽电极5。基础电极紧贴在圆形绝缘层3的上表面；环形屏蔽电极4紧贴在圆形绝缘层3的上表面，将基础电极包围；底部屏蔽电极5紧贴在圆形中间绝缘层的下表面。上述的基础电极、环形屏蔽电极4及底部屏蔽电极5均有一面贴合在圆形绝缘层3的表面上；同时，在圆形绝缘层3下表面的底部屏蔽5与圆形绝缘层3上表面的电极为非接触状态，包括边缘部分；环形屏蔽电极4与其包围的基础电极也均为非接触状态。上述各部分均采用硅橡胶作粘接剂，通过层层组装方式进行全柔性一体化集成。
如图5所示，电容式接近觉传感器的两个基础电极包括激励电极1和接收电极2，激励电极1与接收电极2均为阿基米德螺旋线型结构，二者呈中心对称排布，对称中心点设置在圆形绝缘层3的圆心处；激励电极1与接收电极2之间的间隔距离保持相等，且两个电极的宽度处处一致，同时，整个螺旋线的最外围即上述两各基础电极的最外围与圆形绝缘层3的边缘留有足够的距离以放置环形屏蔽电极4。
如图6所示，环形屏蔽电极4为圆环型结构，环形屏蔽电极4的“圆环”宽度处处相等，圆环外边缘与圆形绝缘层3的边缘在垂直方向上保持一致。
如图7所示，底部屏蔽电极5为一“圆饼”状结构，其大小与圆形中间绝缘层3一致，即其外边缘与圆形绝缘层3的外边缘一一对应的位于同一垂直面上。
如图4所示，整个全柔性同面螺旋电极接近觉传感器的是一个中心对称图形，即处于中心对称位置上的相关距离参数均设置相同。同时，环形屏蔽电极4的圆环宽度，激励电极1与接收电极2的宽度以及两基础电极之间的间隔距离，激励电极1、接收电极2最外圈处与环形屏蔽电极4的间隔距离，这些距离参数均通过仿真、实验的验证，即综合考虑下保证接近觉传感器的最佳整体性能。
参见图1至图7，本发明全柔性同面螺旋电极接近觉传感器的屏蔽方式：环形屏蔽由环形屏蔽电极4构成；等电位屏蔽由激励电极1、环形屏蔽电极4以及底部屏蔽电极5构成。当环形屏蔽电极4与底部屏蔽电极5均接有源交流信号时，即与激励电极1构成等电位屏蔽；当环形屏蔽电极4接有源交流信号，底部屏蔽电极5接地信号，即此时激励电极1与环形屏蔽电极4构成等电位屏蔽，而底部屏蔽电极5单独构成一个接地屏蔽。
作为本实施例的优选设计方案，圆形绝缘层3由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制备而成。全柔性接近觉传感器的激励电极1、接收电极2、环形屏蔽电极4以及底部屏蔽电极5均以石墨烯/银纳米颗粒/硅橡胶(GNPs/AgNPs/SR)导电复合材料来制备所有的柔性电极，石墨烯因其独特的二维结构，具有极高的电子迁移率、电导率、热导率、优良的机械性能和超高比表面积，石墨烯和银纳米颗粒导电相在硅橡胶基体中均匀分散，银纳米颗粒均匀分散于石墨烯片层表面。利用二维-零维导电相之间协同效应，构建高电学稳定性的三维导电网络，通过银纳米颗粒的修饰可进一步提升电极的柔性可拉伸等特性。
本发明一种全柔性接近觉传感器的制备工艺主要基于3D打印技术及硅橡胶流体成型技术。具体是按如下步骤进行制作：
首先，利用ANSYS Maxwell有限元仿真软件，分析极板分布特征、结构参数以及屏蔽方式(如接地屏蔽、等电位屏蔽等)对柔性接近觉传感单元灵敏度、敏感场分布及感知距离等性能的调控规律，逐步优化极板结构、尺寸参数、屏蔽方式，综合考虑多角度因素，最终确定下本发明全柔性接近觉传感器的极板结构，尺寸参数以及添加的屏蔽方式。
确定好本发明传感器的相关结构与参数后，利用三维建模软件(如SolidWorks、AutoCAD、3D MAX等)设计本发明全柔性接近觉传感器中激励电极1和接收电极2构成的阿基米德螺旋线型结构的模具，接着设计环形屏蔽电极4的圆环型模具，以及圆形绝缘层3与底部屏蔽电极5共用的的圆盘状模具，其模具结构图分别如图8至图10所示。
待模具设计完毕，转换文件格式，在3D打印机中将这些模具一一打印出来，为防止模具在注入材料及凝固的过程中发生变形，需要将每个模具都打印多份。
模具打印结束，需对模具的表面进行细磨，以防止在3D打印过程中出现的瑕疵对传感器样品成型的影响。确认无误后，将石墨烯/银纳米颗粒/硅橡胶(GNPs/AgNPs/SR)导电复合材料注入各自的模具中，放入真空干燥箱中，在室温下固化，待各部件固化后脱模。与底部屏蔽电极5共用一个模具的圆形绝缘层3在模具中填充的材料是聚二甲基硅氧烷(PDMS)，填充后的相关处理与前面的相同。
各部件固化并脱模后，使用硅橡胶作粘接剂，将激励电极1、接收电极2、环形屏蔽电极4、圆形中间绝缘层3以及底部屏蔽电极5按照图2中所示从上到下进行层层组装，最终得到本发明的全柔性接近觉传感器。
本发明的全柔性同面螺旋电极接近觉传感器的工作原理如下：
同面多电极柔性接近觉传感单元的敏感场是一个非线性场(“软场”)，其敏感场的非均匀分布特点将影响信息准确性，而这种非均匀性很大程度上决定于传感器的结构特征。结合静电场、边缘电场等相关理论，利用ANSYS Maxwell有限元仿真软件，分析极板分布特征、结构参数以及屏蔽方式(如接地屏蔽、等电位屏蔽等)对柔性接近觉传感单元灵敏度、敏感场分布及感知距离等性能的调控规律，通过优化极板结构、尺寸参数、屏蔽方式以及制备工艺等，最终得到了本发明中具有高灵敏度、均匀敏感场等特点的高性能全柔性同面螺旋电极接近觉传感器。
本发明的全柔性同面螺旋电极接近觉传感器采用了创新形式的阿基米德螺旋线型结构来构成电容式传感器的基础电极：激励电极1与接收电极2。同时，通过仿真与实验的多重验证，研究了本发明中的屏蔽方式：环形屏蔽、等电位屏蔽以及接地屏蔽对接近感知性能的影响机制。图4是本发明全柔性接近觉传感器的尺寸参数示意图，仿真时选定电极参数w＝2mm、s＝1mm、d＝2mm、r＝2mm、p＝1mm，利用ANSYS Maxwell有限元仿真软件分析其电场分布特点，图11(a)和图11(b)分别为无环形屏蔽和有环形屏蔽时柔性接近觉传感单元仿真结果。通过优化屏蔽方式，可降低外部电场干扰，减小极间静态电容，提高传感器检测精度。同时，通过约束敏感场分布方式，可提升敏感场分布均匀性。图11(c)为有环形屏蔽且有目标接近物时柔性电容接近觉传感单元接近感知仿真结果，由图可见，当目标接近物进入柔性接近觉传感单元敏感场区域时，敏感区域内有效介电常数发生变化，相应地，输出电容发生变化，其有效介电常数与目标接近物属性和接近距离相关。结合图11，可以看到，当有目标接近物进入柔性接近觉传感单元敏感场区域时，敏感区域内有效介电常数发生变化，相应地，输出电容发生变化，其有效介电常数与目标接近物属性和接近距离相关。通过实验与仿真的双重验证，证实了在增加了屏蔽方式后，可以有效降低外部电场干扰，减小极间静态电容，提高接近觉传感器的检测精度，同时，通过约束敏感场分布方式，有效提升了敏感场分布的均匀性。
柔性接近觉传感单元输出电容(C/C0)与目标接近物(以圆形塑料块为例)距离之间变化关系如图12(a)所示，研究不同材质目标物接近过程中柔性接近觉传感单元输出电容的变化规律，依据接近距离-输出电容之间的函数关系，解析目标物的接近信息。研究极板结构参数对接近觉传感单元接近感知特性(如灵敏度、感知距离等)的影响机制，如图12(b)所示，增加极板宽度w、减小极板间距d可提升初始电容值，通过优化极板结构参数，可提升柔性接近觉传感单元感知灵敏度与感知距离。
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)
1.一种全柔性同面螺旋电极接近觉传感器，其特征是：包括柔性基体、基础电极和屏蔽电极，整体呈垂直型“夹心”结构，以中间的圆形绝缘层(3)为柔性基体，柔性基体的上表面设置有阿基米德螺旋线型结构的电容式接近觉传感器的两个基础电极：激励电极(1)与接收电极(2)，在基础电极周围环绕圆环型结构的环形屏蔽电极(4)，环形屏蔽电极(4)与其包围的激励电极(1)和接收电极(2)均为非接触状态；在柔性基体的下表面设有圆饼状结构的底部屏蔽电极；所述的基础电极和屏蔽电极均只有一面贴合在柔性基体的表面上。
2.根据权利要求1所述的一种全柔性同面螺旋电极接近觉传感器，其特征是：所述的激励电极(1)和接收电极(2)紧贴在圆形绝缘层(3)的上表面，激励电极与接收电极(2)中心对称排布，对称中心点设置在圆形绝缘层(3)的圆心处，激励电极(1)与接收电极(2)之间的间隔距离处处保持相等，且两个电极的宽度处处保持一致。
3.根据权利要求1所述的一种全柔性同面螺旋电极接近觉传感器，其特征是：所述的环形屏蔽电极(4)紧贴在圆形绝缘层(3)的上表面，将阿基米德螺旋线型结构的激励电极(1)与接收电极(2)包围，环形屏蔽电极(4)的“圆环”宽度处处相等，圆环外边缘与圆形绝缘层(3)的边缘在垂直方向上保持一致。
4.根据权利要求1所述的一种全柔性同面螺旋电极接近觉传感器，其特征是：所述的底部屏蔽电极(5)由紧贴在圆形绝缘层(3)的下表面，其大小与圆形绝缘层(3)一致。
5.根据权利要求2或3或4所述的一种全柔性接近觉传感器，其特征在于：所述的环形屏蔽电极(4)的圆环宽度，激励电极(1)与接收电极(2)的宽度以及两基础电极之间的间隔距离，激励电极(1)、接收电极(2)最外圈处与环形屏蔽电极(4)的间隔距离，前述的参数均通过仿真、实验的验证获得。
6.根据权利要求1至4任一项所述的一种全柔性同面螺旋电极接近觉传感器，其特征是：所述的柔性基体、基础电极和屏蔽电极之间均采用硅橡胶作粘接剂进行组合。
7.根据权利要求1至4任一项所述的一种全柔性同面螺旋电极接近觉传感器，其特征是：所述的圆形绝缘层(3)由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成。
8.根据权利要求1至4任一项所述的一种全柔性同面螺旋电极接近觉传感器，其特征是：所述的激励电极(1)、接收电极(2)、环形屏蔽电极(4)、以及底部屏蔽电极(5)均以石墨烯/银纳米颗粒/硅橡胶的导电复合材料来制备。
9.一种制备如权利要求1所述全柔性同面螺旋电极接近觉传感器的方法，其特征是，步骤如下：
先利用三维建模软件设计以及利用3D打印机制作出基础电极和屏蔽电极所需的模具；再将石墨烯/银纳米颗粒/硅橡胶的导电复合材料注入各自的模具中，放入真空干燥箱中室温固化，待各部件固化后脱模；然后使用硅橡胶作粘接剂，将激励电极(1)、接收电极(2)、环形屏蔽电极(4)、圆形绝缘层(3)以及底部屏蔽电极(5)层层组装。
10.根据权利要求9所述的一种制备全柔性同面螺旋电极接近觉传感器的方法，其特征是：所述导电复合材料的制备过程是，将石墨烯和银纳米颗粒导电相在硅橡胶基体中均匀分散，银纳米颗粒均匀分散于石墨烯表面，石墨烯和银纳米颗粒构成三维导电网络。
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| CN202010264920.XA CN111458753A (zh) | 2020-04-07 | 2020-04-07 | 一种全柔性同面螺旋电极接近觉传感器及其制备方法 |
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