CN112720538A - 一种应用于机械灵巧手手指的触觉传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于机械灵巧手手指的触觉传感器系统，包括基底以及位于基底上的温度检测传感器、材料介电常数检测传感器及三维力检测传感器，该系统能够实现介电常数、三维力及温度同时原位感知，集成化程度高。

Description

一种应用于机械灵巧手手指的触觉传感器系统

技术领域

本发明属于传感器测量领域，涉及一种应用于机械灵巧手手指的触觉传感器系统。

背景技术

在智能制造领域，制造过程十分复杂，不同的工件有着不同的功能要求，其搬运、加工、装配过程亦不同，如果机器人在进行预定任务前，能够感知必要的信息以完成目标物体的识别，可以控制灵巧手对物体进行高效抓取和精密操作。例如，随着制造技术的发展和多样化需求的提升，个性化、小批量定制成为了未来制造业发展的主要趋势之一。在此情况下，生产线上的零件不再是固定尺寸和材质的特定工件，机械灵巧手如何进行零件识别、筛选和分拣成为了智能生产线的所面临的新挑战。

现有柔性传感器体积较大，集成化程度低，大多数仅能实现单一物理量测试，需多根灵巧手手指安装不同传感器进行配合使用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种应用于机械灵巧手手指的触觉传感器系统，该系统能够实现介电常数、三维力及温度同时原位感知，集成化程度高。

为达到上述目的，本发明所述的应用于机械灵巧手手指的触觉传感器系统包括基底以及位于基底上的温度检测传感器、材料介电常数检测传感器及三维力检测传感器。

所述温度传感器为阵列式温度检测传感器。

所述基底包括自上到下依次分布的第一柔性绝缘基底及第二柔性绝缘基底，温度传感器中的正极阵列式热电偶薄膜、温度传感器中的负极热电偶薄膜、材料介电常数检测传感器中的叉指电极薄膜均位于第一柔性绝缘基底的表面；三维力检测传感器中用于感受三维力的凸台、三维力检测传感器中的上电极、三维力检测传感器中的力敏感层材料及三维力检测传感器中的下电极均位于第二柔性绝缘基底上，凸台穿过第一柔性绝缘基底。

正极阵列式热电偶薄膜的一端与负极热电偶薄膜的一端重叠作为阵列式温度测点，正极阵列式热电偶薄膜另一端与负极热电偶薄膜的另一端作为热电偶冷端。

第一柔性绝缘基底上设置有用于供凸台穿过的通孔。

第一柔性绝缘基底与第二柔性绝缘基底的尺寸相同。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的应用于机械灵巧手手指的触觉传感器系统在具体操作时，将温度检测传感器、材料介电常数检测传感器及三维力检测传感器集成于基底上，以形成触觉传感器系统，实现介电常数、三维力及温度同时原位感知，基于安装于机器人灵巧手手指上，当机器人灵巧手靠近并触碰待测物体时，通过本发明实现待测物体的介电常数与区域温度检测，三维力传感器对机器人灵巧手手指执行力的大小方向进行实时反馈，实现灵巧手对待测物体的准确感知和精密操作。

附图说明

图1为第一柔性绝缘基底1上温度检测传感器以及材料介电常数检测传感器10的分布图；

图2为温度检测传感器的结构图。

图3为材料介电常数检测传感器10的结构图；

图4为第二柔性绝缘基底5的结构图；

图5为三维力检测传感器11的结构图；

图6为三维力检测传感器11的截面图；

图7为本发明的正面图；

图8为本发明的背面图。

其中，1为第一柔性绝缘基底、2为正极阵列式热电偶薄膜、3为负极热电偶薄膜、4为叉指电极薄膜、5为第二柔性绝缘基底、6为上电极、7为力敏感层材料、8为下电极、9为阵列式温度检测传感器9、10为材料介电常数检测传感器、11为三维力检测传感器、12为阵列式温度测点、13为热电偶冷端、14为凸台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1至图8，本发明所述的应用于机械灵巧手手指的触觉传感器系统包括基底以及位于基底上的温度检测传感器、材料介电常数检测传感器10及三维力检测传感器11。

所述温度传感器为阵列式温度检测传感器9；所述基底包括自上到下依次分布的第一柔性绝缘基底1及第二柔性绝缘基底5，温度传感器中的正极阵列式热电偶薄膜2、温度传感器中的负极热电偶薄膜3、材料介电常数检测传感器10中的叉指电极薄膜4均位于第一柔性绝缘基底1的表面；三维力检测传感器11中用于感受三维力的凸台14、三维力检测传感器11中的上电极6、三维力检测传感器11中的力敏感层材料7及三维力检测传感器11中的下电极8均位于第二柔性绝缘基底5上，凸台14穿过第一柔性绝缘基底1，第一柔性绝缘基底1上设置有用于供凸台14穿过的通孔。

正极阵列式热电偶薄膜2的一端与负极热电偶薄膜3的一端重叠作为阵列式温度测点12，正极阵列式热电偶薄膜2另一端与负极热电偶薄膜3的另一端作为热电偶冷端13。

第一柔性绝缘基底1的尺寸为23mm×13mm×150μm，通孔的尺寸为8mm×8mm，可根据实际应用工况进行调整。阵列式温度检测传感器9中，正极阵列式热电偶薄膜2的宽度为100μm-500μm，材料为铂，厚度为300nm-1000nm；负极热电偶薄膜3的宽度为100μm-500μm，材料为氧化铟，厚度为500nm-2000nm，在1cm²面积内实现4点的同时原位温度测量。

材料介电常数检测传感器10中，叉指电极薄膜4的引线宽为100μm-500μm，厚度为300nm-1000nm，叉指电极薄膜4的宽度为50μm-100μm，材料为铂，能够实现与正极阵列式热电偶薄膜2同时制备，材料介电常数检测传感器10的整体尺寸为12.5mm×7mm。

三维力检测传感器11中，上电极6的尺寸为6mm×6mm×300nm-1000nm，材料为金；力敏感层材料7的尺寸为6mm×6mm×1μm-5μm，材料为聚偏氟乙烯；下电极8的整体尺寸为6mm×6mm×300nm-1000nm，材料为金；凸台14的尺寸为6mm×6mm×1mm-5mm，便于第二柔性绝缘基底5脱膜，凸台14的侧面具有10°-15°倾角，四周有1mm-2mm间隙留于凸台14的受力变形；第二柔性绝缘基底5除凸台14及间隙外，尺寸为23mm×13mm×1mm-5mm，材料为聚二甲基硅氧烷。

第一柔性绝缘基底1与第二柔性绝缘基底5的长宽相同，为保证三维力测量需求，第一柔性绝缘基底1与第二柔性绝缘基底5的厚度相加需略小于凸台14的高度，或在二者中间增加海绵层，减少三维力测量误差。

本发明的具体制备过程为：

1)对柔性绝缘基底聚酰亚胺依次利用丙酮、乙醇及去离子水进行清洗，并利用氧离子清洗机对表面进行处理；

2)利用光刻工艺形成材料介电常数检测传感器10的叉指电极图形；

3)采用磁控溅射方法制作叉指电极薄膜4；

4)利用光刻工艺形成温度检测传感器的负极图形；

5)采用磁控溅射方法制作负极热电偶薄膜3；

6)利用光刻工艺形成温度检测传感器的正极阵列图形；

7)采用磁控溅射方法制作正极阵列式热电偶薄膜2；

8)通过翻模工艺制备三维力检测传感器11的柔性绝缘基底聚二甲基硅氧烷；

9)采用真空蒸镀技术在柔性绝缘基底聚二甲基硅氧烷上制作三维力检测传感器11的上电极6；

10)采用静电纺丝技术制作三维力检测传感器11的力敏感层；

11)采用真空蒸镀技术制作三维力检测传感器11的阵列式下电极8；

12)利用聚二甲基硅氧烷对三维力检测传感器11引线进行封装；

13)利用双面粘合剂对聚二甲基硅氧烷以及聚酰亚胺基底进行对位安装粘合。

本发明能够实现面积为10mm×10mm内的四个温度点的同时测量，测量传感器实现该区域内三维力的检测以及材料的介电常数检测。传感器集成后的触觉传感系统能够方便地应用于机械人灵巧手手指上，具有体积小，响应快，灵敏度大，便于安装以及实现原位测量等特点。

Claims (6)

1.一种应用于机械灵巧手手指的触觉传感器系统，其特征在于，包括基底以及位于基底上的温度检测传感器、材料介电常数检测传感器(10)及三维力检测传感器(11)。

2.根据权利要求1所述应用于机械灵巧手手指的触觉传感器系统，其特征在于，所述温度传感器为阵列式温度检测传感器(9)。

3.根据权利要求1所述应用于机械灵巧手手指的触觉传感器系统，其特征在于，所述基底包括自上到下依次分布的第一柔性绝缘基底(1)及第二柔性绝缘基底(5)，温度传感器中的正极阵列式热电偶薄膜(2)、温度传感器中的负极热电偶薄膜(3)、材料介电常数检测传感器(10)中的叉指电极薄膜(4)均位于第一柔性绝缘基底(1)的表面；三维力检测传感器(11)中用于感受三维力的凸台(14)、三维力检测传感器(11)中的上电极(6)、三维力检测传感器(11)中的力敏感层材料(7)及三维力检测传感器(11)中的下电极(8)均位于第二柔性绝缘基底(5)上，凸台(14)穿过第一柔性绝缘基底(1)。

4.根据权利要求3所述应用于机械灵巧手手指的触觉传感器系统，其特征在于，正极阵列式热电偶薄膜(2)的一端与负极热电偶薄膜(3)的一端重叠作为阵列式温度测点(12)，正极阵列式热电偶薄膜(2)另一端与负极热电偶薄膜(3)的另一端作为热电偶冷端(13)。

5.根据权利要求3所述应用于机械灵巧手手指的触觉传感器系统，其特征在于，第一柔性绝缘基底(1)上设置有用于供凸台(14)穿过的通孔。

6.根据权利要求3所述应用于机械灵巧手手指的触觉传感器系统，其特征在于，第一柔性绝缘基底(1)与第二柔性绝缘基底(5)的尺寸相同。

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