CN111609953B - 一种基于球曲面电极的全柔性电容式三维力触觉传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于球曲面电极的全柔性电容式三维力触觉传感器，包括“倒蘑菇型”触头、半圆形凸槽、柔性球曲面公共电极、柔性矩形激励电极和柔性基底；柔性基底整体呈无盖圆柱形状，作为底部支撑，“倒蘑菇型”触头为顶部覆盖，两者以半圆形凸槽连接，内部形成空气腔；空气腔内粘接有柔性球曲面公共电极和四个柔性矩形激励电极；柔性球曲面公共电极镶嵌在“倒蘑菇型”触头下表面，并设置于四个柔性矩形激励电极的中心；四个柔性矩形激励电极间隔均匀地排布在柔性基板上；柔性球曲面公共电极与柔性矩形激励电极构成四个呈空间立体分布的电容。本发明具有更高的检测灵敏度及更快的响应速度，可作为柔性电子皮肤应用于人机交互、智能机器人、医疗康复等研究领域。

Description

一种基于球曲面电极的全柔性电容式三维力触觉传感器

技术领域

本发明涉及一种三维力触觉传感器，尤其是一种基于球曲面电极的全柔性电容式三维力触觉传感器，主要应用于机器人及医学研究领域，用于对外力大小及方向的感知，属于机器人和医疗研究器材与传感器相结合的技术领域。

背景技术

近年来，随着科技研发的深入和智能化的推进，智能机器人在越来越多的领域得到应用，其智能化和精细化程度也在不断提高。触觉感知是机器人实现高度智能化的重要一步，但是现有大部分触觉传感器并不能满足触觉感知的应用要求，因此触觉传感器的研究显得尤为重要。作为触觉传感器的一个分支，柔性三维力触觉传感器也受到国内外研究学者的广泛关注。与人类皮肤功能类似，三维力触觉传感器可以同时感知所受到的法向力和切向力，应用于机器人和医疗器械等方面可帮助其完成各种精细化的操作。

柔性三维力触觉传感器基于其柔性和快速响应特性，能够作用于大多数复杂环境中,并且能够快速准确地感知外界环境，将其应用于机器人和医疗器械中，在多种领域中可以得到广泛使用。例如，将柔性三维力触觉传感器应用于机器人电子皮肤中，通过感知外界环境，进行握手、抓取等“类人”动作；将柔性三维力触觉传感器应用于微操作机器人，进行微创，缝合等手术，降低手术风险；将柔性三维力触觉传感器应用于智能假肢中，提高残疾人的自理能力，进行正常人的生活等。因此，柔性三维力触觉传感器在未来社会中会快速发展，并逐渐渗入到我们的生活中，成为必不可少的一部分。

在国外的相关研究中，Lucie Viry等人设计了一种三维力触觉传感器，该传感器用聚二甲基硅氧烷作为基底、导电织布作为电极、空气和氟硅酮作为介电层，原理较为简单，通过改变上下极板间的距离和正对面积来改变电容值，从而实现三维力的感知。Soonjae Pyo等人提出了一种基于丝网印刷的碳纳米管聚合物复合材料的柔性三维力触觉传感器，该传感器主要由一个触头，四个传感单元和一个柔性基板组成，采用丝网印刷技术，将复合材料直接图案化印在柔性基板上，通过比较其电阻的变化来检测所受力的大小和方向。Tomoya Fujihashi提出了一种具有多个凸点和高密度微悬臂梁的触觉传感器，该传感器可以根据物体的形状和接触角来实现更灵活的抓取控制，分别用三个微悬臂嵌入到三个聚二甲基硅氧烷(PDMS)凸块中，由于悬臂梁上的应变计在碰撞下的电阻变化很大程度上取决于每个碰撞的接触/非接触状态，因此该传感器可以检测到接触位置，另外采用高密度微悬臂梁触觉传感器也可以检测局部或倾斜接触情况

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，河北工业大学的孙英等人基于电场的边缘效应，采用四个叉指电容器组成了一种新型柔性三维力触觉传感器，四个感应电极和公共电极位于同一平面，介电层由气隙和聚二甲基硅氧烷(PDMS)组成，在外力作用下，介电层的等效介电常数会发生变化，从而引起电容变化，实验结果表明该传感器的灵敏度和稳定性相对于多数边缘效应触觉传感器有很大提高。合肥工业大学的聂操基于粘弹性、渗流理论以及协同效应等相关理论，以三维多孔微结构聚氨酯海绵为模板，利用浸渍包裹法制备具有优异电学性能和力学性能的三维多孔微结构复合介质层，构建一种高灵敏度电容式柔性触觉传感器。苏州大学的姚婷设计了一种基于多孔弹性体的三维力检测传感器,在测量正向压力的同时能够检测与传感器表面相切的作用力，该传感器包括四个平行板电容器,由器件的对称性获得正向力和切向力的信息，同时多孔弹性材料的引入使得传感器具有更低的材料刚度,很大程度上提高了传感器的灵敏度。

综上所述，目前国内外对柔性三维力触觉传感器都有一定的研究，但多数研究只是对传感器的材料属性进行改进，要设计一个新颖的结构比较困难。现有柔性三维力触觉传感器的研究虽然已经取得一定成果，但是仍有很多方面需要改进：(1)柔性三维力触觉传感器的测量精度不高，范围较小；(2)柔性三维力触觉传感器缺乏定量的公式理论分析；(3)柔性三维力触觉传感器容易破损，且难以修复。

目前，由于科技的飞速发展，人类生活越来越趋于自动化和智能化，智能机器人也逐渐出现在生活中的各个领域，学校，家庭，医院，公司等等。但伴随着机遇和挑战的到来，人类对智能机器人的期望也越来越大，对它的精度和响应速度等特性提出了更高的要求。因而，作为智能机器人提升操作精度的关键，柔性三维力触觉传感器的研究显得极为重要，提升柔性力触觉传感器的测量精度和测量范围等特性，对未来智能机器人领域的发展和人类社会的进步有着非常重要的意义。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种基于球曲面电极的全柔性电容式三维力触觉传感器，该全柔性电容式三维力触觉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：主要由“倒蘑菇型”触头、半圆形凸槽、柔性球曲面公共电极、柔性矩形激励电极以及柔性基底五个部分构成；柔性基底整体呈无盖圆柱形状，以柔性基底为底部支撑，以“倒蘑菇型”触头为顶部覆盖，二者在边缘部以半圆形凸槽连接，内部形成空气腔；柔性球曲面公共电极和四个柔性矩形激励电极布置在空气腔内；柔性球曲面公共电极镶嵌在“倒蘑菇型”触头的下部，同时位于四个柔性矩形激励电极的中心，柔性球曲面公共电极通过导线引出并接地构成公共电极；四个柔性矩形激励电极间隔均匀地排布并连接在柔性基底上表面，每个柔性矩形激励电极均通过一根导线引出作为一个激励端；柔性球曲面公共电极与柔性矩形激励电极构成四个呈空间立体分布的电容。

相比现有技术，本发明的一种基于球曲面电极的全柔性电容式三维力触觉传感器，首先，通过柔性球曲面公共电极与柔性矩形激励电极最终构成四个呈空间立体分布的电容，将柔性球曲面公共电极置于空气腔内，通过受力，改变了极板间距和相对有效面积，如果将空气替换为公共导电柔性材料，则同时也改变了极板间介质，从而改变极板间介电常数，这种空间立体分布的电容结构具有优良的性能，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，本发明基于“倒蘑菇型”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，“倒蘑菇型”仿生结构也具有响应快、测量精度高等优良特性。此外，本发明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和医疗器械等相关领域的应用。本发明结构明了，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为本发明实施例的结构爆炸图。

图3为本发明实施例中“倒蘑菇型”触头的结构示意图。

图4为本发明实施例中半圆形凸槽的结构示意图。

图5为本发明实施例中柔性公共电极的结构示意图。

图6为本发明实施例中柔性方形激励电极的结构示意图。

图7为本发明实施例中柔性基底的结构示意图。

图8为本发明实施例中柔性中空圆柱体外缘的结构示意图。

图9为本发明实施例中柔性基板的结构示意图。

图中，1、“倒蘑菇型”触头，1-1、金字塔凸起，1-2、去除球曲面公共电极后的下半球体，2、半圆形凸槽，3、空气腔，4、柔性球曲面公共电极，5、柔性方形激励电极，6、柔性基底，6-1、柔性中空圆柱体外缘，6-2、柔性基板。

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，本发明的一种基于球曲面电极的全柔性电容式三维力触觉传感器，以柔性基底6为支撑，在由“倒蘑菇型”触头1、柔性基底6以及半圆形凸槽2构成的空气腔3内，采用硅橡胶作为粘接剂粘接柔性球曲面公共电极4以及柔性矩形激励电极，在本发明实施例中柔性矩形激励电极选用的是柔性方形激励电极5，顶部由“倒蘑菇型”触头1和半圆形凸槽2覆盖。整体结构自上而下依次为：“倒蘑菇型”触头1、半圆形凸槽2、空气腔3、柔性球曲面公共电极4、柔性方形激励电极5和柔性基底6。其中，柔性基底6设置呈无盖圆柱形状，柔性基底6与“倒蘑菇型”触头1在边缘部以半圆形凸槽2采用硅橡胶作为粘接剂粘接，内部形成空气腔3；柔性球曲面公共电极4采用硅橡胶作为粘接剂镶嵌在“倒蘑菇型”触头1的下表面，并设置于四个柔性方形激励电极5的中心；四个柔性方形激励电极5间隔均匀地排布在柔性基板6-2上；柔性球曲面公共电极4与柔性方形激励电极5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“倒蘑菇型”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“倒蘑菇型”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“倒蘑菇型”触头1由聚二甲基硅氧烷(PDMS)或硅橡胶(GD401)等柔性绝缘材料制成，包括一体化的金字塔凸起1-1和去除柔性球曲面公共电极后的下半球体1-2，下半球体1-2位于金字塔凸起1-1的下部。

如图4所示，所述的半圆形凸槽2由聚二甲基硅氧烷或硅橡胶等柔性绝缘材料制成，位于“倒蘑菇型”触头1和柔性中空圆柱体外缘6-1之间。

如图5所示，所述的柔性球曲面公共电极4可选用有机硅导电银胶、导电聚合物或导电复合材料等柔性导电材料制备，在本实施例中是选用有机硅导电银胶。所述柔性球曲面公共电极4的上顶面和侧面均镶嵌在“倒蘑菇型”触头的下半球体1-2上。所述柔性球曲面公共电极4除连接部分，剩余部分未与任何部位接触，均处于空气腔3内。所述的柔性球曲面公共电极4通过导线引出，并接地构成公共电极。

如图6所示，所述柔性方形激励电极5数量为四个，可以由有机硅导电银胶、导电聚合物或导电复合材料等柔性导电材料制成，例如选用有机硅导电银胶，并通过四根导线引出作为激励端，四个柔性方形激励电极5均匀分布于柔性基板6-2上表面，且彼此具有间隔；四个所述的柔性方形激励电极5使用粘接剂均匀粘贴在柔性基板6-2上表面。

如图7-9所示，所述的柔性基底6包括柔性中空圆柱体外缘6-1和柔性基板6-2，柔性基板6-2使用硅橡胶作为粘接剂粘接在柔性中空圆柱体外缘6-1的底端，整体呈无盖圆柱形状；其中，所述的柔性中空圆柱体外缘6-1与柔性基板6-2均由聚二甲基硅氧烷或硅橡胶等柔性绝缘材料制成。

作为优选的设计方案，半圆形凸槽2内表面内侧圆周半径与去除柔性球曲面公共电极4后的下半球体1-2半径一致，半圆形凸槽2的厚度与中空圆柱体外缘6-1的厚度一致，中空圆柱体外缘6-1的内径与柔性基板6-2的直径尺寸一致。

本发明一种基于球曲面电极的全柔性电容式三维力触觉传感器的制作工艺，主要基于3D打印技术和流体成型技术，利用多物理场仿真软件COMSOL进行建模，先设计出本发明中的金字塔凸起1-1、“倒蘑菇型”触头1的下半球体1-2、半圆形凸槽2、柔性基板6-2、柔性中空圆柱体外缘6-1以及柔性球曲面公共电极4所需的模具。再将硅橡胶分别注入金字塔凸起1-1、下半球体1-2、半圆形凸槽2、柔性中空圆柱体外缘6-1以及柔性基板6-2的模具中，将有机硅导电银胶(YC-02)注入柔性球曲面公共电极4的模具中。进而，将所有模具放入真空干燥箱中室温固化，待其固化后脱模获得相应的部件；还将成膜后的有机硅导电银胶裁剪成柔性方形激励电极5的尺寸。最后，使用硅橡胶作为粘接剂，将金字塔凸起1-1和去除柔性球曲面公共电极4的下半球体1-2粘接得到“倒蘑菇型”触头1，还将柔性中空圆柱体外缘6-1和柔性基板6-2粘接得到柔性基底6，再将“倒蘑菇型”触头1、半圆形凸槽2、柔性球曲面公共电极4、柔性方形激励电极5及柔性基底6层层组装，即得本发明一种基于球曲面电极的全柔性电容式三维力触觉传感器。

由上述可见，本发明的制备工艺，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，采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)和硅橡胶(GD401)等材料，制备材料价格低廉，更能应用于实际制作中。

本发明一种基于球曲面电极的全柔性电容式三维力触觉传感器的工作原理如下：

由柔性球曲面公共电极4与柔性方形激励电极5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“倒蘑菇型”触头1时，会改变其极板间距和有效面积，如果将空气替换为公共导电柔性材料，也会改变极板间介电常数，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，柔性球曲面公共电极向下压缩，与四个柔性方形激励电极5的间距减小，四个电容值同趋势的增大；切向力作用下，公共电极整体靠近距离受力方向较近的激励端，两极板间间距减小、有效面积增大，对应的电容值增大；公共电极远离受力方向的激励端，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 (8)

1.一种基于球曲面电极的全柔性电容式三维力触觉传感器，其特征是：

主要由“倒蘑菇型”触头(1)、半圆形凸槽(2)、柔性球曲面公共电极(4)、柔性矩形激励电极(5)以及柔性基底(6)五个部分构成；所述的柔性基底(6)整体呈无盖圆柱形状，以柔性基底(6)为底部支撑，以“倒蘑菇型”触头(1)为顶部覆盖，二者在边缘部以半圆形凸槽(2)连接，内部形成空气腔(3)；柔性球曲面公共电极(4)和四个柔性矩形激励电极(5)布置在空气腔(3)内；

柔性球曲面公共电极(4)镶嵌在“倒蘑菇型”触头(1)的下部，同时位于四个柔性矩形激励电极(5)的中心，柔性球曲面公共电极(4)通过导线引出构成公共电极；

四个柔性矩形激励电极(5)间隔均匀地排布并连接在柔性基底(6)上表面，每个柔性矩形激励电极(5)均通过一根导线引出作为一个激励端；柔性球曲面公共电极(4)与柔性矩形激励电极(5)构成四个呈空间立体分布的电容。

2.根据权利要求1所述的一种基于球曲面电极的全柔性电容式三维力触觉传感器，其特征是：所述的“倒蘑菇型”触头(1)由柔性绝缘材料制成，包括一体化的金字塔凸起(1-1)和去除柔性球曲面公共电极(4)后的下半球体(1-2)，下半球体(1-2)位于金字塔凸起(1-1)的下部。

3.根据权利要求2所述的一种基于球曲面电极的全柔性电容式三维力触觉传感器，其特征是：所述柔性球曲面公共电极(4)由柔性导电材料制备而成，其上顶面和侧面均采用硅橡胶作为粘接剂镶嵌在“倒蘑菇型”触头的下半球体(1-2)上。

4.根据权利要求1所述的一种基于球曲面电极的全柔性电容式三维力触觉传感器，其特征是：所述的柔性基底(6)包括柔性中空圆柱体外缘(6-1)和柔性基板(6-2)，柔性基板(6-2)粘接在柔性中空圆柱体外缘(6-1)的底端，二者均由柔性绝缘材料制成。

5.根据权利要求4所述的一种基于球曲面电极的全柔性电容式三维力触觉传感器，其特征是：所述的半圆形凸槽(2)由柔性绝缘材料制成，位于“倒蘑菇型”触头(1)和柔性中空圆柱体外缘(6-1)之间，采用硅橡胶作为粘接剂将三者粘接起来。

6.根据权利要求4所述的一种基于球曲面电极的全柔性电容式三维力触觉传感器，其特征是：所述柔性矩形激励电极(5)由柔性导电材料制成，四个柔性矩形激励电极(5)采用硅橡胶作为粘接剂粘接在柔性基板(6-2)的上表面。

7.根据权利要求2至6任一项所述的一种基于球曲面电极的全柔性电容式三维力触觉传感器，其特征是：所述的柔性绝缘材料包括聚二甲基硅氧烷和硅橡胶，柔性导电材料包括有机硅导电银胶、导电聚合物和导电复合材料。

8.根据权利要求1至6任一项所述的一种基于球曲面电极的全柔性电容式三维力触觉传感器，其特征是：所述半圆形凸槽(2)的内表面内侧圆周半径与“倒蘑菇型”触头(1)的下半球体(1-2)半径一致，半圆形凸槽(2)的厚度与中空圆柱体外缘(6-1)的厚度一致，中空圆柱体外缘(6-1)的内径与柔性基板(6-2)的直径一致。

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