CN111735379B - 一种用于多模态信息测量的包覆式仿生柔性传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于多模态信息测量的包覆式仿生柔性传感器，涉及柔性传感器技术领域，包括基体部分和应变感知部分；基体部分包括柔性主体和裂缝，裂缝设置有多个，多个裂缝沿柔性主体的外壁交错布置；应变感知部分嵌入柔性主体外壁的裂缝之间，应变感知部分包括敏感单元、引线、电极以及绝缘包裹层，敏感单元沿柔性主体的轴线方向布置，电极设置在敏感单元的两侧，敏感单元、引线以及电极通过绝缘包裹层进行封装。本发明成本低，无污染，制作工艺简捷，具有高灵敏度、高精确度的特点，能够实现被测件任意方向转角、空间曲率连续变化、直径变化以及不同位置力信号的检测。
Description
技术领域
本发明涉及柔性传感器技术领域，特别是涉及一种用于多模态信息测量的包覆式仿生柔性传感器。
背景技术
近年来，随着新材料与快速成型技术的发展，模仿自然界软体动物的结构和功能特征制作软体机器人，已经成为了软体机器人领域热门研究方向之一。软体机器人具有柔顺、安全、可任意变形等主流刚性器械所不具备的优点，在工业生产、安全人机交互、复杂环境探测等领域具有广阔的应用前景。目前，由于软体机器人具有高柔顺的特点，现有传统的刚性力觉传感器、编码器等传感器件很难集成到柔性机器人本体中，使其形位检测成为难题，成为制约其发展的一个重要因素。
现阶段，柔性传感器大多采用柔性基底加导电材料的结构形式，如Yong-Lae Park等(Design and Fabrication of Soft Artificial Skin Using EmbeddedMicrochannels and Liquid Conductors)；R.Adam Bilodeau等(Monolithic Fabricationof Sensors and Actuators in a Soft Robotic Gripper)；Selim Ozel等(Apreciseembedded curvature sensor module for soft-bodied robots)；Helena Moreira等(Electron transport in gold colloidal nanoparticle-based strain gauges)等科研小组均提出了不同形式的具有高灵敏度的柔性传感器，通过将微纳尺度的导电粒子或导电液沉积或嵌入到柔性基底中，当柔性基底发生形变时，会引起导电材料的阻值、电容等电信号的变化，从而实现传感器对弯曲、拉伸以及应力等信息的检测；然而上述柔性传感器多采用微纳尺度的导电材料，价格相对较高；而采用导电液形式的柔性传感器易因变形过大产生断流失效，承载能力不足；且上述柔性传感器多为一维信号检测形式的传感器。专利CN107576258 A公布了《一种用于测量连续直径变化的软体传感器》，该专利所述传感器结构简单、精度高、重复性好，但只能用于软体圆柱形腔体类零件连续直径变化的测量；专利CN110595512 A公布了《一种柔性压电传感器及制作方法》，该专利所述传感器采用柔性压电材料，制作工艺自动化程度高；专利CN 1796954 A公布了一种《柔性三维力触觉传感器》，该专利所述传感器采用单晶硅材料通过MEMS工艺制作而成，能够实现三维力信息的检测；然而上述专利所述传感器均不能实现被测件空间曲率、转角等其它模态信息的检测。
因此，亟需提供一种新的用于多模态信息测量的包覆式仿生柔性传感器，以解决现有技术中所存在的上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于多模态信息测量的包覆式仿生柔性传感器，以解决上述现有技术存在的问题，成本低，无污染，制作工艺简捷，具有高灵敏度、高精确度的特点，能够实现被测件任意方向转角、空间曲率连续变化、直径变化以及不同位置力信号的检测。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种用于多模态信息测量的包覆式仿生柔性传感器，包括基体部分和应变感知部分；所述基体部分包括柔性主体和裂缝，所述裂缝设置有多个，多个所述裂缝沿所述柔性主体的外壁交错布置；所述应变感知部分嵌入所述柔性主体外壁的所述裂缝之间，所述应变感知部分包括敏感单元、引线、电极以及绝缘包裹层，所述敏感单元沿所述柔性主体的轴线方向布置，所述电极设置在所述敏感单元的两侧，所述敏感单元、所述引线以及所述电极通过所述绝缘包裹层进行封装。
优选的，所述柔性主体的整体形状为圆管状，包括由内至外依次设置的柔性基底层和弹性保护层；所述柔性主体形成包覆结构，用于套装在被测件的外侧。
优选的，所述柔性主体采用硅胶材料制成，所述柔性主体通过浇注、沉浸、粘合、开缝工序加工而成。
优选的，所述裂缝为基于节肢动物微振动信号感受器机理的仿生缝结构，所述仿生缝结构沿所述柔性主体的外壁轴线方向等间距交错布置。
优选的，所述应变感知部分嵌入于所述仿生缝结构的尖端应力集中区域。
优选的，所述敏感单元为PVDF压电薄膜。
优选的，所述电极为银电极，所述银电极通过物理沉积方法布置在所述PVDF压电薄膜的两侧。
优选的，所述引线沿所述柔性主体引出形成引线束。
优选的，所述绝缘包裹层采用PET塑料膜制成。
优选的，所述应变感知部分至少设置有四组，所述应变感知部分沿所述柔性主体呈圆周均布。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
一，本发明传感器主体由硅胶制成，采用分层结构，最内层为硅胶柔性基底，最外层为刚度较大硅胶弹性保护层，具有很强的变形能力；
二，本发明柔性主体的外壁交错分布有仿生缝结构，能够产生应力集中现象，提高敏感单元检测灵敏度，同时能够提高传感器变形能力；
三，本发明传感器主体通过硅胶浇注而成，制作工艺简捷高效，无污染，提高了经济性；
四，本发明传感器整体结构为柔性，通过安装后对传感器进行标定，能够对不同直径被测件进行检测，具有很强的适应性；
五，本发明传感器采用四组敏感单元，通过检测不同单元的输出信号，能够实现对被测件不同位置力信息、空间曲率信息、半径变化以及任意方向转角的检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的柔性传感器整体结构示意图；
图2是本发明的应变感知部分封装结构示意图；
图3是本发明的应变感知部分布置方位示意图；
图4是本发明的仿生缝结构排布方式示意图；
图5是本发明的柔性传感器制备流程示意图；
图中，1为基体部分、11为仿生缝结构、111为弹性保护层、112为柔性基底层、12为柔性主体、2为应变感知部分、21为绝缘包裹层、22为引线、23为电极、24为敏感单元、3为引线束、S1为1号缝、S2为2号缝、S3为3号缝、S4为4号缝、R1为第一应变组、R2为第二应变组、R3为第三应变组、R4为第四应变组。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1-5所示，本实施例提供一种用于多模态信息测量的包覆式仿生柔性传感器，包括基体部分1和应变感知部分2；所述基体部分1包括柔性主体12和沿柔性主体12外壁交错布置的裂缝；所述柔性主体12包括弹性保护层111和柔性基底层112；所述应变感知部分2包括敏感单元24、引线22、电极23以及绝缘包裹层21；所述敏感单元24为压电薄膜，所述电极23布置在压电薄膜两侧；所述敏感单元24、引线22以及电极23通过PET塑料膜封装形成应变感知部分2，嵌入所述柔性主体12外壁的裂缝之间；引线22沿柔性主体12引出形成引线束；所述敏感单元24沿所述柔性主体12轴线方向布置。
在本实施例中，所述柔性传感器为多层结构，柔性主体12的整体形状为圆管状，形成包覆结构，安装时，可套装在被测件外侧；柔性主体12的材料为硅胶，通过浇注、沉浸、粘合、开缝等工序加工而成。
在本实施例中，裂缝为基于节肢动物微振动信号感受器机理的仿生缝结构11，沿柔性主体12外壁轴线方向等间距交错布置。
在本实施例中，敏感元件24为PVDF压电薄膜；电极23为银电极，由物理沉积的方法布置在所述压电薄膜两侧；所述应变感知部分2嵌入柔性主体12外壁的仿生缝结构11之间；应变感知部分2具体嵌入位置为仿生缝结构缝11尖端应力集中区域。
在本实施例中，应变感知部分2至少设置有四组，本实施例中优选设置有四组，分别为第一应变组R1、第二应变组R2、第三应变组R3和第四应变组R4；每组应变感知部分2均沿柔性主体12轴线方向布置；取柔性主体12任意横截面，通过截面圆心建立直角坐标系，如图3所示，四组敏感单元24分别布置在坐标轴上。
本实施例中，如图4和5所示，传感器制备时，首先在模具中浇注硅胶，沉浸形成柔性基底层112；将应变感知部分2均匀布置在柔性基底层112凹槽中；然后浇注硅胶对应变感知部分2进行密封；再通过浇注刚度较柔性基底层112强的硬质硅胶形成弹性保护层111；最后，将成型的硅胶主体弯曲粘合，形成柔性主体12；
在柔性主体12外壁等距交错布置多组仿生缝结构11，每组仿生缝结构11由四条裂缝组成，1号缝S1与2号缝S2相对布置，3号缝S3和4号缝S4相对布置，且与1号缝S1与2号缝S2布置平面错开一定距离；同时，保证仿生缝结构11缝尖端分别靠近每组应变感知部分2。
基体部分1发生形变时，仿生缝结构11缝尖端形成应力集中区域，布置在缝尖端的敏感单元24发生形变产生电信号的变化，通过检测不同方位的敏感单元24对传感器进行标定，进而实现对被测件不同位置力信息、空间曲率信息、半径变化以及任意方向上转角变化的检测；根据被测件具体参数，可以通过调整柔性主体12的长度、直径以及每组敏感单元24的数量，实现对被测件的包覆。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种用于多模态信息测量的包覆式仿生柔性传感器，其特征在于：包括基体部分和应变感知部分；所述基体部分包括柔性主体和裂缝，所述裂缝设置有多个，所述应变感知部分包括敏感单元、引线、电极以及绝缘包裹层，所述敏感单元沿所述柔性主体的轴线方向布置，所述电极设置在所述敏感单元的两侧，所述敏感单元、所述引线以及所述电极通过所述绝缘包裹层进行封装；
所述柔性主体的整体形状为圆管状，包括由内至外依次设置的柔性基底层和弹性保护层；所述柔性主体形成包覆结构，用于套装在被测件的外侧；所述裂缝为基于节肢动物微振动信号感受器机理的仿生缝结构，所述仿生缝结构沿所述柔性主体的外壁轴线方向等间距交错布置；所述应变感知部分嵌入于所述仿生缝结构的尖端应力集中区域。
2.根据权利要求1所述的用于多模态信息测量的包覆式仿生柔性传感器，其特征在于：所述柔性主体采用硅胶材料制成，所述柔性主体通过浇注、沉浸、粘合、开缝工序加工而成。
3.根据权利要求1所述的用于多模态信息测量的包覆式仿生柔性传感器，其特征在于：所述敏感单元为PVDF压电薄膜。
4.根据权利要求3所述的用于多模态信息测量的包覆式仿生柔性传感器，其特征在于：所述电极为银电极，所述银电极通过物理沉积方法布置在所述PVDF压电薄膜的两侧。
5.根据权利要求4所述的用于多模态信息测量的包覆式仿生柔性传感器，其特征在于：所述引线沿所述柔性主体引出形成引线束。
6.根据权利要求1所述的用于多模态信息测量的包覆式仿生柔性传感器，其特征在于：所述绝缘包裹层采用PET塑料膜制成。
7.根据权利要求1所述的用于多模态信息测量的包覆式仿生柔性传感器，其特征在于：所述应变感知部分至少设置有四组，所述应变感知部分沿所述柔性主体呈圆周均布。
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