CN111947813B - 一种基于波纹管微结构的全柔性电容式三维力触觉传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于波纹管微结构的全柔性电容式三维力触觉传感器，包括绝缘材料的半球形中空触头、导电材料的柔性圆形公共电极、空气腔、导电材料的柔性激励电极和绝缘材料的柔性基底；空气腔为带波纹管结构的“沙漏型”空气腔，形成于半球形中空触头中，内部填充空气；柔性基底整体呈边缘带凹陷的圆形薄片，与半球形中空触连接形成“圆帽型”结构；四个柔性扇形激励电极均通过一根导线引出作为一个激励端；柔性圆形公共电极镶嵌在带波纹管结构的“沙漏型”空气腔上部，柔性圆形公共电极通过导线引出构成公共电极；柔性圆形公共电极与柔性扇形激励电极构成四个呈空间立体分布的电容。本发明的传感器具有更高的检测灵敏度及更快的响应速度。

Description

一种基于波纹管微结构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，尤其是一种基于波纹管微结构的全柔性电容式三维力触觉传感器，主要应用于仿生机器人、柔性可穿戴电子器件、电子皮肤、体育训练、康复医疗等诸多研究领域。

背景技术

随着科技的发展以及人类对智能生活的需求，当今社会正从信息化和自动化时代向着智能化时代逐渐过渡，为满足产能提升而设计的智能机器人在各个领域的应用也更加广泛。智能机器人工作时，需要从不确定或较复杂的环境中获取有用的信息，这就要求机器人必须能够很好的感知目标对象的多种物理特性，因此研究出类似于人体皮肤的仿生电子皮肤就显得尤为重要。除此以外，仿生电子皮肤还广泛地应用于柔性可穿戴电子器件、智能假肢、医疗监控、人机界面系统等领域。

触觉可让机器人直接感知环境和目标对象的多种物理性质，且外科手术、康复医疗、航天以及食品加工等领域对触觉技术提出了更高的要求，而能够模仿人类皮肤的柔性三维力触觉传感器将在这些领域起到关键作用。三维力触觉传感器作为电子皮肤的重要组成部分，相较于传统的触觉传感器可以同时感知切向力与法向力，能够更好地实现力的立体感知。在工业生产、智能装配和微操作机器人的应用中，要求机器人具备推拉、抓取等控制功能，例如使用机械手抓取物体时，机器手表面与被抓物体之间的滑动感知会影响机器手抓握力的精确施加，从而决定了机器人是否能够实现软抓取的功能。且与传统的刚性传感器相比，柔性传感器在实现抓取功能的过程中不会使被抓物体表面产生擦痕或出现损伤。因此，柔性三维力触觉传感器以其高灵敏度、柔韧性好、易制备和佩带舒适性好等优点而备受关注。

近年来，功能材料、封装技术、制造技术以及智能传感技术的快速发展进一步激发国内外学者对柔性三维力触觉传感器的研究。在国外的相关研究中，Lucie Viry等人采用PDMS作为基底、导电织布作为电极、空气和氟硅酮作为介电层，设计制作了一种柔性电容式三维力传感器,通过分析受力后传感器上下极板间的距离和正对面积来计算电容值的变化大小，从而有效地实现三维力的感知。Alberto D'Amore等人利用光电晶体管和发光二极管组成单点测量对元件，通过将该元件排列成具有一定面积的阵列，并在其上覆盖一层硅橡胶制成的变形层而制作了可以感知三维力的柔性触觉传感器，通过光电晶体管对发光强度变化的检测，来实现对三维力信息的检测。Dobrzynska等人采用金属材料制作上下叉指结构的电极，硅胶作为介质层，制作了一种电容式三维力触觉传感器,施加切向力和法向力时，外力作用使上下电极间距和上下极板有效面积发生显著的变化，通过测量极板间电容的变化量可以实现对三维力的检测。国内也有众多学者展开了对柔性三维力触觉传感器的研究。其中，合肥工业大学的毛磊东等人针对智能机器人在软抓取过程中对三维力的检测和对抓取状态识别的需求，以炭黑/石墨烯为敏感材料，硅橡胶为基体，聚酰亚胺为柔性电极，研制了一种可应用于机器人皮肤的柔性三维力触觉传感器,同时提出了一种可以实现滑觉识别的基于小波变换－相空间重构－支持向量机(DWT-PSR-SVM)的融合算法。中国科学院的赵星等人提出了一种基于微气囊结构的柔性三维力传感器的结构设计与检测原理，该传感器基于硅橡胶材料设计了一种柔性传力柱结构，其底部均匀分布多个微气囊，通过分析传感器受力后微气囊中体积与压强的变化情况，实现对三维力信息的检测，且精确度较高。昆明船舶设备研究试验中心的徐菲设计了一种基于新型力敏导电橡胶的柔性三维力触觉传感器，该传感器具有整体两层非对称网状式结构，在三维力作用下，通过检测力敏导电橡胶的电阻值变化可实现对任意单点三维力、多点三维力以及任意面力信息的精确检测。

分析国内外的研究现状可知，目前国内外对柔性三维力触觉传感器已有一定的研究，但仍有许多方面需要改进。例如，已有的一些柔性三维力触觉传感器是依靠柔性的组织结构组合而成，或是依赖改变柔性材料的属性来提升传感器的灵敏度，这导致三维力触觉传感器在真正的“类皮肤”和连续大面积测量方面受到一定的限制。同时，现有的大多数柔性触觉传感器仅适用于单维力的测量，不能有效地感知外部的全部信息，无法满足智能机器人尤其是仿生机器人的需求。

因此，研究既具有三维力检测功能，又兼备类似于皮肤柔性的触觉传感器成为实现机器人类人化与智能化信息获取中的重要一环。另外，提升柔性三维力触觉传感器的感知灵敏度、响应速度以及测量范围等特性，对今后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波纹管微结构的全柔性电容式三维力触觉传感器，该传感器能够使其三维力感知响应速度及灵敏度都得到显著提升。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：包括绝缘材料的半球形中空触头、导电材料的柔性圆形公共电极、空气腔、导电材料的柔性激励电极和绝缘材料的柔性基底；所述的空气腔为带波纹管结构的“沙漏型”空气腔，整体呈沙漏形状，中部向内弯曲部分为波纹管结构，带波纹管结构的“沙漏型”空气腔形成于半球形中空触头中，“沙漏型”空气腔内部填充空气；所述的柔性基底整体呈边缘带凹陷的圆形薄片为底部支撑，半球形中空触头为顶部覆盖，两者连接形成“圆帽型”结构；所述的柔性激励电极由四个柔性扇形激励电极构成，均匀地排布并连接在柔性基底上，除连接部分，剩余部分未与任何部位接触，均处于空气腔内，且彼此间具有间隔；每个柔性扇形激励电极的圆心角均为90°；每个柔性扇形激励电极均通过一根导线引出作为一个激励端；所述的柔性圆形公共电极镶嵌在带波纹管结构的“沙漏型”空气腔上部，并设置于四个柔性扇形激励电极的中心；柔性圆形公共电极除连接部分，剩余部分未与任何部位接触，均处于空气腔内；柔性圆形公共电极通过导线引出构成公共电极；柔性圆形公共电极与柔性扇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，本发明的一种基于波纹管微结构的全柔性电容式三维力触觉传感器，一方面，其空气腔部分是基于带波纹管的“沙漏型”结构，具有易压缩、易形变的特点，相较于传统的三维力结构，经仿真测试可发现，在相同的作用力下，带波纹管结构的“沙漏型”结构也具有响应快、测量精度高等优良特性。另一方面，本发明通过柔性圆形公共电极与柔性扇形激励电极构成四个呈空间立体分布的电容，将柔性圆形公共电极置于空气腔内，通过施加力，使传感器结构发生形变，改变了极板间距、相对有效面积和极板间介质，将空气替换为柔性材料，提高了极板间介电常数，从而改变了极板间的电容值，这种空间立体分布的电容结构具有优良的性能，也使得本发明具有了更高的检测灵敏度及更快的响应速度。因此，本发明在三维力感知响应速度及灵敏度方面实现了显著提升，在仿生机器人、柔性可穿戴电子器件、电子皮肤、体育训练、康复医疗等研究领域可以得到更加优异的应用效果。

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为本发明一个实施例的结构爆炸图。

图3为本发明一个实施例中半球形中空触头的结构示意图。

图4为本发明一个实施例中柔性圆形公共电极的结构示意图。

图5为本发明一个实施例中带波纹管结构的“沙漏型”空气腔的结构示意图。

图6为本发明一个实施例中柔性扇形激励电极的结构示意图。

图7为本发明一个实施例中柔性基底的结构示意图。

图中，1、半球形中空触头，2、柔性圆形公共电极，3、带波纹管结构的“沙漏型”空气腔，3-1、碗状结构，3-2、波纹管结构，3-3、倒碗状结构，4、柔性扇形激励电极，5、柔性基底，5-1、柔性圆形薄片基板，5-2、柔性环形凹槽。

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。

优选实施例一：

如图1-图2所示，本实施例提供的一种基于波纹管微结构的全柔性电容式三维力触觉传感器，包括半球形中空触头1、柔性圆形公共电极2、带波纹管结构的“沙漏型”空气腔3、柔性扇形激励电极4和柔性基底5，以柔性基底5为支撑，在带波纹管结构的“沙漏型”空气腔3内，采用硅橡胶作为粘接剂连接柔性圆形公共电极2和柔性扇形激励电极4，顶部由半球形中空触头1覆盖。整体结构自上而下依次为：半球形中空触头1、柔性圆形公共电极2、带波纹管结构的“沙漏型”空气腔3、柔性扇形激励电极4和柔性基底5。

其中，柔性基底5整体呈边缘带凹陷的圆形薄片形状，柔性基底5和半球形中空触头1在边缘处采用硅橡胶作为粘接剂连接，构成“圆帽型”结构，这种圆帽型整体结构的优点是：相较于圆柱等形状，半球形中空触头1在切向力或法向力作用下受力分布均匀，且易压缩易形变；内部放置带波纹管结构的“沙漏型”空气腔3；柔性圆形公共电极2采用硅橡胶作为粘接剂镶嵌在带波纹管结构的“沙漏型”空气腔3上部，并设置于四个柔性扇形激励电极4的中心；四个柔性扇形激励电极4间隔均匀地排布连接在柔性基底5上表面；柔性圆形公共电极2与柔性扇形激励电极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形中空触头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。本发明实施例通过四个电容值的变化，感知半球形中空触头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，所述的半球形中空触头1整体呈半球形，内部去除带波纹管结构的“沙漏型”空气腔3，呈现中空；创新性地将空气腔镶嵌在半球形中空触头1内部，空气腔与半球形中空触头1一体化的优点：当半球形中空触头1受力形变后，柔性圆形公共电极2位移变化的更明显；能让外界力一致地直接作用在空气腔上；实现了传感器与外界环境的无损接触；模型结构体积小、简单。半球形中空触头1由聚二甲基硅氧烷(PDMS)或硅橡胶(GD401)等柔性绝缘材料制成，在本实施例中是选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

如图2和图4所示，所述的柔性圆形公共电极2由有机硅导电银胶、导电聚合物或导电复合材料等导电材料制备而成，在本实施例中是选用有机硅导电银胶，其上顶面镶嵌在“沙漏型”空气腔的碗状结构3-1上，柔性圆形公共电极2除连接部分，剩余部分未与任何部位接触，均处于空气腔内，柔性圆形公共电极2通过导线引出构成公共电极。

如图2和图5所示，所述的带波纹管结构的“沙漏型”空气腔3，整体呈沙漏形状，中部向内弯曲部分为波纹管结构3-2，带波纹管结构的“沙漏型”空气腔3形成于半球形中空触头1中，“沙漏型”空气腔内部填充空气。在法向力作用下，沙漏型空气腔整体向下压缩，两侧碗形部分在切向方向扩张，而中间波纹管结构会向内收缩(波纹管结构3-2的设计让沙漏型空气腔中间部分更易收缩、更易形变)，使一部分触头进入柔性圆形公共电极2与柔性激励电极之间，从而使极板间介电常数增大，而不仅仅只让极板间距发生改变，使电容值的变化更明显；具有易形变、易压缩、仿物、能改变介电常数的优点。

如图2和图6所示，所述的柔性激励电极由四个柔性扇形激励电极4构成，均匀地排布并采用硅橡胶作为粘接剂连接在柔性圆形薄片基板5-1的上表面，除连接部分，剩余部分未与任何部位接触，均处于空气腔内，且彼此间具有间隔；每个柔性扇形激励电极4均通过一根导线引出作为一个激励端。在材质方面，柔性扇形激励电极4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，在本实施例中是选用有机硅导电银胶。进一步优选地，每个柔性扇形激励电极4的圆心角均为90°，这时四个柔性扇形激励电极4的面积最大，相应地与柔性圆形公共电极2间的电容值也最大，当施加切向力时电容变化也较明显。

如图7所示，所述的柔性基底5整体呈边缘带凹陷的圆形薄片为底部支撑，柔性基底5选用整体呈边缘带凹陷的圆形薄片，而不是直接使用圆形薄片，是为了让半球形中空触头1与柔性基底5接触的部分带有一定弧度，形变更加自然；柔性基底5由聚二甲基硅氧烷(PDMS)或硅橡胶(GD401)等柔性绝缘材料制成。

优选实施例二：

如图1-图7所示，本实施例提供的一种基于波纹管微结构的全柔性电容式三维力触觉传感器，在本实施例中，所述带波纹管结构的“沙漏型”空气腔3，包括一体化的去除柔性圆形公共电极2后的碗状结构3-1、波纹管结构3-2以及去除柔性扇形激励电极4的倒碗状结构3-3，碗状结构3-1位于波纹管结构3-2的上部，倒碗状结构3-3位于波纹管结构3-2的下部，三者依次连接构成“沙漏型”空气腔。

优选实施例三：

如图1-图7所示，本实施例提供的一种基于波纹管微结构的全柔性电容式三维力触觉传感器，在本实施例中，所述的柔性基底5包括柔性圆形薄片基板5-1和柔性环形凹槽5-2，柔性圆形薄片基板5-1与半球形中空触头1之间，采用硅橡胶作为粘接剂将二者连接起来。

优选实施例四：

如图1-图7所示，本实施例提供的一种基于波纹管微结构的全柔性电容式三维力触觉传感器，在本实施例中，所述的半球形中空触头1的内部中空部分与带波纹管结构的“沙漏型”空气腔3大小一致，半球形中空触头1的半径与柔性圆形薄片基板5-1半径一致，柔性圆形薄片基板5-1的厚度与柔性环形凹槽5-2的深度一致。

制备本发明一种基于波纹管微结构的全柔性电容式三维力触觉传感器的方法，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，具体操作步骤如下：首先，设计出本发明中的半球形中空触头1、碗状结构3-1、波纹管结构3-2、倒碗状结构3-3、柔性圆形公共电极2、柔性扇形激励电极4、柔性圆形薄片基板5-1以及柔性环形凹槽5-2所需的模具。再将聚二甲基硅氧烷(PDMS)分别注入去除带波纹管结构的“沙漏型”空气腔3后的半球形中空触头1、柔性圆形薄片基板5-1和柔性环形凹槽5-2的模具中，将有机硅导电银胶(YC-02)注入柔性圆形公共电极2和四个柔性扇形激励电极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；最后，使用硅橡胶作为粘接剂，将柔性圆形薄片基板5-1和柔性环形凹槽5-2粘接得到柔性基底5，再将半球形中空触头1、柔性圆形公共电极2、柔性扇形激励电极4以及柔性基底5层层组装，即得本发明一种基于波纹管微结构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，是采用层层组装和3D打印技术，其具有制备流程简单、制备条件宽松、材料成本低廉以及适于大批量制作等优点，更能应用于实际制作中。

本发明一种基于波纹管微结构的全柔性电容式三维力触觉传感器的工作原理以及与传统三维力传感器相比的显著优势如下：

传感器由柔性圆形公共电极2与柔性扇形激励电极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形中空触头1时，半球形中空触头1发生形变，改变了极板间距、相对有效面积和极板间介质，将空气替换为柔性材料，提高了极板间介电常数，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。在法向力作用下，带波纹管结构的“沙漏型”空气腔3整体向下压缩，两侧碗形部分在切向方向扩张，波纹管结构3-2向内收缩，使一部分触头进入柔性圆形公共电极2与柔性激励电极之间，导致极板间介电常数增大，柔性圆形公共电极2向下压缩，与四个柔性扇形激励电极4的间距减小，有效面积基本不变，四个电容值同趋势的增大；在切向力的作用下，带波纹管结构的“沙漏型”空气腔3发生形变，导致原本一部分空气腔的位置被触头替代，介电常数略微增大，柔性圆形公共电极2整体靠近距离受力方向较远的激励端，且略微向下倾斜，两极板间间距减小、有效面积增大，对应的电容值增大；柔性圆形公共电极2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。

1、本发明通过柔性圆形公共电极2与柔性扇形激励电极4构成四个呈空间立体分布的电容，将柔性圆形公共电极2置于空气腔内，通过施加力，使传感器结构发生形变，改变了极板间距、相对有效面积和极板间介质，将空气替换为柔性材料，提高了极板间介电常数，从而改变了极板间的电容值。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。

2、本发明的空气腔部分是基于带波纹管的“沙漏型”结构，得益于其易压缩、易形变的特点，相较于传统的三维力结构，经仿真测试可发现，在相同的作用力下，带波纹管结构的“沙漏型”结构也具有响应快、测量精度高等优良特性。

3、本发明相比于传统刚性三维力传感器，全部采用的是柔性材料制备而成，具有更广泛的应用前景，包含但不限于仿生机器人、柔性可穿戴电子器件、电子皮肤、体育训练、康复医疗等领域的应用。

4、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。

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 (7)

1.一种基于波纹管微结构的全柔性电容式三维力触觉传感器，包括绝缘材料的半球形中空触头(1)、导电材料的柔性圆形公共电极(2)、空气腔、导电材料的柔性激励电极和绝缘材料的柔性基底(5)，其特征是：

所述的空气腔为带波纹管结构的“沙漏型”空气腔(3)，整体呈沙漏形状，中部向内弯曲部分为波纹管结构，带波纹管结构的“沙漏型”空气腔(3)形成于半球形中空触头(1)中，内部填充空气；

所述的柔性基底(5)整体呈边缘带凹陷的圆形薄片为底部支撑，半球形中空触头(1)为顶部覆盖，两者连接形成“圆帽型”结构；

所述的柔性激励电极由四个柔性扇形激励电极(4)构成，均匀地排布并连接在柔性基底(5)上，除连接部分，剩余部分未与任何部位接触，均处于空气腔内，且彼此间具有间隔；每个柔性扇形激励电极(4)均通过一根导线引出作为一个激励端；

所述的柔性圆形公共电极(2)镶嵌在带波纹管结构的“沙漏型”空气腔(3)上部，并设置于四个柔性扇形激励电极(4)的中心；柔性圆形公共电极(2)除连接部分，剩余部分未与任何部位接触，均处于空气腔内；柔性圆形公共电极(2)通过导线引出构成公共电极；柔性圆形公共电极(2)与柔性扇形激励电极(4)构成四个呈空间立体分布的电容。

2.根据权利要求1所述的一种基于波纹管微结构的全柔性电容式三维力触觉传感器，其特征是：所述带波纹管结构的“沙漏型”空气腔(3)，包括一体化的碗状结构(3-1)、波纹管结构(3-2)和倒碗状结构(3-3)，碗状结构(3-1)位于波纹管结构(3-2)的上部，倒碗状结构(3-3)位于波纹管结构(3-2)的下部，三者依次连接构成“沙漏型”空气腔。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于波纹管微结构的全柔性电容式三维力触觉传感器，其特征是：每个所述柔性扇形激励电极(4)的圆心角均为90°。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于波纹管微结构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(5)包括柔性圆形薄片基板(5-1)和柔性环形凹槽(5-2)，半球形中空触头(1)直接连接在柔性圆形薄片基板(5-1)上。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于波纹管微结构的全柔性电容式三维力触觉传感器，其特征是：所述的半球形中空触头(1)的内部中空部分与带波纹管结构的“沙漏型”空气腔(3)大小一致，半球形中空触头(1)的半径与柔性圆形薄片基板(5-1)半径一致，柔性圆形薄片基板(5-1)的厚度与柔性环形凹槽(5-2)的深度一致。

6.根据权利要求1所述的一种基于波纹管微结构的全柔性电容式三维力触觉传感器，其特征是：所述的绝缘材料包括聚二甲基硅氧烷和硅橡胶，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。

7.根据权利要求1所述的一种基于波纹管微结构的全柔性电容式三维力触觉传感器，其特征是：所述的连接或镶嵌都是采用硅橡胶作为粘接剂镶嵌来实现。

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