CN112697334A - 三维力触觉传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及仿生触觉技术领域，尤其涉及一种三维力触觉传感器，包括柔性电路板和至少一个离电压力传感结构，离电压力传感结构和柔性电路板层叠设置；柔性电路板的电极层包括至少一个传感单元，传感单元包括至少四个叉指电极；离电压力传感结构包括底板和与底板一体成型的半球形凸起，底板与传感单元相接触的面为粗糙面。本发明提出的一种三维力触觉传感器，解决了现有的三维力触觉传感器存在结构复杂、灵敏度低、三维力测量精度差的问题。

Description

三维力触觉传感器

技术领域

本发明涉及仿生触觉技术领域，尤其涉及一种三维力触觉传感器。

背景技术

电子皮肤最重要的功能为触觉感知，触觉感知包括检测各种刺激，例如压力、温度、剪切力、弯曲、振动和滑动等，其在可穿戴设备、机器人技术和假肢等领域具有广泛的应用。电子皮肤在实际的触觉感知中，能检测和区分法向力及切向力的三维力电子皮肤对于模拟天然皮肤以实现真正的人工智能触感非常重要。这将使电子皮肤能编码更丰富的信息，使其更接近自然触摸并具有高级感测能力。此外，准确感测法向及切向力对于在机器人辅助手术系统中轻柔地抓握和操纵人造指尖上的物体至关重要，感测到的摩擦或挠痒也会使仿生机器人产生更多的情绪反应。

近年来，研究人员致力于开发三维力电子皮肤并取得了一定的突破，例如意大利Beccai课题组基于平行板电容原理，开发出柔性三维力传感器，在切向分力的作用下，四个传感点由于平行板电容的相对面积不一致导致电容大小的差异，从而判断出三维力的大小和方向。国内Xue课题组开发了一种基于CNTs/PDMS压阻纳米复合材料的4×4三维力电子皮肤，每个传感单元均分布有四个法向压力传感点，通过在剪切力下引起的四个传感点输出信号的不同来判断力的方向，由于传感单元灵敏度受限且体积较大，无法实现高空间分辨率的传感阵列。美国Bao课题组开发了基于非对称互锁结构的电容式电子皮肤(5×5阵列)，半球形阵列底部电极的每个单元与其顶部电极中的25个微金字塔阵列接触。由于不对称的互锁几何形状，每个半球形中的25个传感器像素在多向压力下会发生各向异性变形，从而判断出三维力的大小与方向。但是上述电子皮肤的制备工艺复杂，不利于大面积的集成。此外基于典型的平行板电容式传感原理的电子皮肤灵敏度低，易受到环境噪声干扰。

现有的压阻式三维力电子皮肤能够根据在剪切力作用下四个法向压力传感点所受压强的不同来判断力的大小和方向。但是压阻式传感原理存在的响应慢、灵敏度低、噪音大及响应非线性等问题。平行板电容式三维力电子皮肤在切向力作用下引起四个传感点的相对面积的不一致导致电容大小的差异，从而检测出力的大小和方向。利用这种传感机理的三维力电子皮肤存在的主要缺点是电容值小，一般为几到几十pF，极易受到外界环境噪声的干扰。

发明内容

本发明提出三维力触觉传感器，以解决现有的三维力触觉传感器存在结构复杂、灵敏度低、三维力测量精度差的问题。

本发明解决上述问题的技术方案是：三维力触觉传感器，包括柔性电路板和至少一个离电压力传感结构，所述离电压力传感结构和柔性电路板层叠设置，其中

所述柔性电路板的电极层包括至少一个传感单元，所述传感单元包括至少四个叉指电极；

所述离电压力传感结构包括底板和与底板一体成型的半球形凸起，所述底板与传感单元相接触的面为粗糙面。

优选的是，所述半球形凸起的直径和底板的厚度的比例在1-1000:1的范围内。

优选的是，所述半球形凸起的直径和底板的厚度的比例在6-30:1的范围内。

优选的是，所述柔性电路板为柔性印制电路多层板。

优选的是，多个所述传感单元构成叉指电极阵列，所述叉指电极阵列采用一列或一行共用一条位线的方式布置在所述柔性电路板的基板上。

优选的是，所述柔性电路板还包括屏蔽层，所述屏蔽层采用共地覆铜的方式布置在所述电极层上。

优选的是，所述离电压力传感结构的材质为离电压力传感橡胶。

优选的是，所述离电压力传感结构的边缘处设置有粘合剂，所述离电压力传感结构通过粘合剂粘接在所述柔性电路板上。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

1)本发明所提出的三维力触觉传感器具有结构简单、灵敏度高、信噪比高、抗干扰性强的特点。

2)本发明的离电压力传感结构包括底板和与底板一体成型的半球形凸起，半球形凸起在受到不同方向和大小三维力的作用下，发生相应的形变，使得与半球形凸起的底部相接触的传感单元感知到不同的信号，从而能够判断出力的大小与方向。

附图说明

图1为本发明三维力触觉传感器的结构示意图。

图2为离电压力传感结构在受力前后界面微观结构变化。

图3为三维力触觉传感器受正压力的仿真图。

图4为三维力触觉传感器受力仿真图。

图5为叉指电极阵列的设计原理图。

图中：1-离电压力传感结构，11-底板，12-半球形凸起，2-柔性电路板，21-传感单元。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

三维力触觉传感器，包括柔性电路板2和至少一个离电压力传感结构1，离电压力传感结构1和柔性电路板2层叠设置，其中

柔性电路板2的电极层包括至少一个传感单元21，传感单元21包括至少四个叉指电极；

离电压力传感结构1包括底板11和与底板11一体成型的半球形凸起12，底板11与传感单元21相接触的面为粗糙面，离电压力传感结构1在未受力时，离电压力传感结构1与传感单元21处于接触状态，当受到力时，离电压力传感结构1和传感单元21的接触面增大，此时传感器具有超级电容特性。

本发明提出了基于离电压力传感机制作为三维力触觉传感器，如图2所示，利用了外界压力载荷引起电极-离子界面的电容变化。离电压力传感结构1受到压力后，电极与离子接触，在电极表面形成紧密电荷层，即双电层(EDL)，它具有特殊的超级电容特性，是由离子和电子排布形成的纳米级电容结构，在亚MHz频谱中具有高达数μF/cm²的超高单位面积电容(UAC)。作为比较，在相似尺寸下，典型的平行板电容式传感器的测量值仅在数十至数百pF/cm²之间。

传感器的双电层(EDL)电容与离子和电极表面之间的接触面积成正比，而接触面积与外部压力负载引起的机械变形有关。基于离电压力传感机制的三维力触觉传感器表现出极高的灵敏度和分辨率，鉴于其超高的信噪比(SNR)，寄生电容可以忽略不计。因此本发明基于离电压力传感机制，将赋予三维力电子皮肤灵敏度高、分辨率高、抗干扰能力强、测量噪音低、可检测静态与动态压力、线性度高等优点。

作为本发明一个优选的实施例，半球形凸起12的直径和底板11的厚度的比例在1-1000:1的范围内，提高了传感器的灵敏度。

作为本发明一个优选的实施例，半球形凸起12的直径和底板11的厚度的比例在6-30:1的范围内。

作为本发明一个优选的实施例，柔性电路板2为柔性印制电路多层板。

作为本发明一个优选的实施例，多个传感单元21构成叉指电极阵列，叉指电极阵列采用一列或一行共用一条位线的方式布置在柔性电路板2的基板上。

作为本发明一个优选的实施例，柔性电路板2还包括屏蔽层，屏蔽层采用共地覆铜的方式布置在电极层上，减少大量小间隙平行走线方式带来的串扰，提高抗干扰能力。

作为本发明一个优选的实施例，离电压力传感结构1的材质为离电压力传感橡胶，离电压力传感橡胶是产生电极-离子界面传感的关键，它们提供了离电压力传感所需的自由移动的离子。

作为本发明一个优选的实施例，离电压力传感结构1的边缘处设置有粘合剂，离电压力传感结构1通过粘合剂粘贴在柔性电路板2上。

实施例1：三维力触觉传感器的制作

如图1所示，三维力触觉传感器包括层叠设置的柔性电路板2和离电压力传感装置。

1、制作柔性电路板2

柔性电路板2包括两层电极层和两层基底，电极层和基底交错层叠设置，电极层包括16个传感单元21，16个传感单元21构成叉指电极阵列，传感单元21包括四个叉指电极。

通过双面电路走线的方式制备超高密度的叉指电极阵列，其中叉指电极阵列采用一列或一行共用一条位线的方式，将m×n阵列中的寻址线数量从m×n减少到m+n，如图5所示。

电极层上设有屏蔽层，屏蔽层采用共地覆铜的方式来减少由电极层大量小间隙平行走线带来的串扰，提高抗干扰能力。

2、制作离电压力传感结构阵列

离电压力传感结构阵列包括多个连接的离电压力传感结构1，离电压力传感结构1包括底板11和与底板11一体成型的半球形凸起12，底板11与传感单元21相接触的面为粗糙面。离电压力传感结构1的材质为离电压力传感橡胶。

离电压力传感橡胶材料的制备：将有机硅弹性体前驱体与固化剂按照标准质量比添加，加入与有有机硅弹性体前驱体质量比1:1的氯化钠的乙二醇溶液，其中氯化钠事先溶解在乙二醇中形成5％质量分数的溶液，加入二氧化硅颗粒，其质量占有机硅弹性体前驱体的50％。用玻璃棒轻柔手动搅拌，使得以上试剂混合均匀，然后使用离心式搅拌机在5000转/分钟下搅拌5分钟，使所组分充分混合，获得离子橡胶前驱体浆料。

将未固化的离子橡胶倒入事先用CNC工艺加工好的模具，放入80℃烘箱中1小时。取出模具，将固化好的离子橡胶从模具上脱离下来即可得到结构化的离子橡胶传感功能材料。

3、制作传感器

在离电压力传感结构阵列的边缘处涂上一定量的粘合剂并与柔性电路板2粘贴在一起即可得到封装好的传感器。

三维力触觉传感器的工作原理：

三维力触觉传感器的信号采集硬件基于扫描选通的方式，遍历阵列中的各个传感单元21，顺序输出各个传感节点的信号，进一步通过软件实现触觉信号的分析与图形化显示。

如图3、4所示，当施加的力为法向力时，离电压力传感结构1与底部四个叉指电极接触应力相当；当施加的力与法向呈一定角度时，沿着力方向的电极接触应力更大。通过对四个叉指电极所检测出的电容大小进行比较、分析和计算即可得到所施加力的方向与大小，从而实现三维力的检测。

三维力触觉传感器的性能表征：使用基于FPGA的数据采集电路测试三维力触觉传感器肤在不同方向力作用下的输出信号，通过matlab算法计算自定义参数S的大小来判断所施加力的方向。

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.三维力触觉传感器，其特征在于，包括柔性电路板(2)和至少一个离电压力传感结构(1)，所述离电压力传感结构(1)和柔性电路板(2)层叠设置，其中

所述柔性电路板(2)的电极层包括至少一个传感单元(21)，所述传感单元(21)包括至少四个叉指电极；

所述离电压力传感结构(1)包括底板(11)和与底板(11)一体成型的半球形凸起(12)，所述底板(11)与传感单元(21)相接触的面为粗糙面。

2.根据权利要求1所述的三维力触觉传感器，其特征在于，所述半球形凸起(12)的直径和底板(11)的厚度的比例在1-1000:1的范围内。

3.根据权利要求2所述的三维力触觉传感器，其特征在于，所述半球形凸起(12)的直径和底板(11)的厚度的比例在6-30:1的范围内。

4.根据权利要求1-3任一所述的三维力触觉传感器，其特征在于，所述柔性电路板(2)为柔性印制电路多层板。

5.根据权利要求1-3任一所述的三维力触觉传感器，其特征在于，多个所述传感单元(21)构成叉指电极阵列，所述叉指电极阵列采用一列或一行共用一条位线的方式布置在所述柔性电路板(2)的基板上。

6.根据权利要求4所述的三维力触觉传感器，其特征在于，所述柔性电路板(2)还包括屏蔽层，所述屏蔽层采用共地覆铜的方式布置在所述电极层上。

7.根据权利要求1所述的三维力触觉传感器，其特征在于，所述离电压力传感结构(1)的材质为离电压力传感橡胶。

8.根据权利要求7所述的三维力触觉传感器，其特征在于，所述离电压力传感结构(1)的边缘处设置有粘合剂，所述离电压力传感结构(1)通过粘合剂粘贴在所述柔性电路板(2)上。

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