CN112880547B - 一种基于液态金属的触觉传感器、阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于液态金属的触觉传感器、阵列及其制备方法,属于传感技术领域,触觉传感器,包括:上层弹性体、下层弹性体,所述上层弹性体和下层弹性体粘连形成微流道;其中,所述微流道包括2N段子微流道,相邻子微流道相通且垂直排布;液态金属,所述液态金属充满所述微流道;2N+1根导线,所述2N+1根导线从所述微流道两端和中间等间距引出,并连接到数据采集设备,以同时测量相互垂直的两个方向的应变。通过检测每段子微流道中液态金属的电压变化,得到所述触觉传感器自身的变形以及接触力的位置和大小。如此,本发明的触觉传感器能够实现精确地感知和控制。
Description
技术领域
本发明属于传感技术领域,更具体地,涉及一种基于液态金属的触觉传感器、阵列及其制备方法。
背景技术
触觉对于生物来说是不可或缺的一部分,是生物感知外界环境作用力的重要环节。同样,对于类生物体(如仿章鱼臂、仿人手等刚体或软体操纵器)来说,触觉传感器也是它们感知环境及自身状态,完成任务的必要组件。对于刚体操纵器,市场上存在大量技术成熟的应变与触觉传感器或传感器阵列,它们基于电阻/压阻、隧道效应、电容、光学、超声波、电磁或者压电效应等原理。
但是对于软体操纵臂来说,这些刚性传感器由于材质较硬、不易变形或者体积庞大等原因,难以集成到软体操纵器上,并且会破坏软体本身柔软的特性。此外,现有的软体触觉传感器,一方面原理复杂,测量装置笨重;另一方面测量参数单一,要么只测量应变要么只测量压力。因此,设计和制造能贴合软体操纵器的柔性应变与触觉传感器阵列仍存在巨大的挑战。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求,本发明提供了一种基于液态金属的触觉传感器、阵列及其制备方法,其目的在于解决软体机器人缺乏自身形状感知和触觉感应的技术问题。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种基于液态金属的触觉传感器,包括:
上层弹性体、下层弹性体,所述上层弹性体和下层弹性体粘连形成微流道;其中,所述微流道包括2N段子微流道,相邻子微流道相通且垂直排布;
液态金属,所述液态金属充满所述微流道;
2N+1根导线,所述2N+1根导线从所述微流道两端和中间等间距引出,并连接到数据采集设备,以同时测量相互垂直的两个方向的应变。
进一步地,通过检测每段子微流道中液态金属的电压变化,得到所述触觉传感器自身的变形以及接触力的位置和大小。
进一步地,所述上层弹性体和下层弹性体采用硅胶制作而成。
进一步地,所述液态金属为镓铟合金。
本发明另一方面提供了一种基于液态金属的触觉传感器阵列,包括多个独立的上述触觉传感器。
本发明另一方面提供了一种上述触觉传感器的制备方法,包括以下步骤:
(1)制作所述上层弹性体和下层弹性体的模具;
(2)将脱泡后的硅胶分别浇注在上层弹性体模具和下层弹性体模具中,固化成型后取出;
(3)另取脱泡后的硅胶均匀涂抹在下层弹性体表面,再将上层弹性体带有微流道的一面,均匀地盖在涂抹有硅胶的下层弹性体上,待固化粘连;
(4)将液态金属注入微流道中;
(5)将细导线埋入微流道的2N+1个出口,并用同质硅胶涂抹在接口处进行密封。
进一步地,步骤(4)包括:使用一个注射器将液态金属注入微流道中,使用另一个注射器从微流道的其他出口抽出空气,直至液态金属充满微流道。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案,能够取得以下有益效果:
本发明基于液态金属的触觉传感器,通过微流道在外部环境作用下产生形变,使液态金属的长度和截面发生变化,液态金属的电阻值发生变化,从而感知自身的变形以及接触力的位置和大小;同时,由于相邻子微流道相通且垂直排布,使得通过检测每段子微流道中液态金属的电压变化,能够测量相互垂直的两个方向的应变。如此,本发明的触觉传感器在保证软体操纵器顺应性的同时,可以快速获取接触时自身的局部形状变化、接触力大小等特征,从而实现精确地感知和控制。
附图说明
图1为本发明提供的基于液态金属的触觉传感器结构图;
图2为本发明提供的基于液态金属的触觉传感器阵列结构图;
图3-1和图3-2分别为本发明提供的触觉传感器感知应变前后的原理图;
图4-1和图4-2分别为本发明提供的触觉传感器感知压力前后的原理图;
图5为本发明提供的上层弹性体浇铸模具结构图;
图6为本发明提供的下层弹性体浇铸模具结构图;
在所有附图中,相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构,其中:
101为数据采集设备,102为连接101的导线,103为电流源,104为连接103的导线,105为上层弹性体,106为液态金属,107为下层弹性体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
人的触觉感知主要集中在皮肤,在人的皮肤中存在许多种类不一的接受器,这些接受器对外界刺激的放电性质是热释电和压电的,在皮肤接触物体发生变形后释放出电信号,通过脊髓丘脑束、脊柱-内侧丘系等神经纤维,最终传递到丘脑和主要感觉皮质,使人能感知接触物体的接触力、形状、粗糙度、滑移、温度、粘性、纹理、硬度以及弹性等特征。另外,人的动觉可以提供身体的姿态信息,比如头部、躯干和四肢的相对位置。触觉和动觉的配合使得人能和外界环境中的物体进行良好的互动。受到人类触觉感知的启发,本发明提供了一种基于液态金属的触觉传感器,该传感器在保证软体操纵器顺应性的同时,可以快速获取接触时自身的局部形状变化、接触力大小等特征,从而实现精确的感知和控制。
参阅图1,本发明提供的基于液态金属的触觉传感器,包括:
上层弹性体105、下层弹性体107,上层弹性体105和下层弹性体107粘连形成微流道;其中,所述微流道包括2N段子微流道,相邻子微流道相通且垂直排布;
液态金属106,所述液态金属106充满所述微流道;
2N+1根导线102,2N+1根导线102从所述微流道两端和中间等间距引出,并连接到数据采集设备101,以同时测量相互垂直的两个方向的应变。
具体的,如图1所示,N=2,整个微流道可以分为4段子微流道,相邻子微流道相通且垂直排布。需要说明的是,每一段子微流道长宽高均相同;并且每一段子微流道中可以是一条流道,也可以是多条平行的流道,在弯曲段的流道尺寸可以忽略不计。
在实际应用中,将下层弹性体107粘贴在软体机器人表面,电流源103通过导线104,给上层弹性体105的微流道中的液态金属106提供恒定电流,DAQ数据采集设备101通过导线102采集到液态金属106不同段的电压,通过差分得到不同段液态金属的电压值。在软体机器人变形运动或者与外界环境接触时,DAQ数据采集设备101测得的电压值发生变化,通过计算电压变化与应变或者压力的关系,可以得到软体机器人自身的局部形状或者接触压力。如图2所示,使用这种方法可以将N*M个传感器粘贴在软体机器人表面,组成柔性传感器阵列,实现软体机器人的自身形状感知和接触压力感应。
如图3-1和图3-2所示,分别为本发明提供的触觉传感器感知应变前后的原理图。液态金属充满在带有微流道的上层弹性体和下层弹性体中,微流道的宽度为w,高度为h,长度为L,液态金属的电阻率为ρ。在微流道两侧引出两根导线,连接到电流源,由电流源提供恒定电流,电流大小为I,在微流道的两端和中间等间距引出五根导线,连接到DAQ数据采集设备,由DAQ数据采集设备依次采集微流道中等间距的液态金属的电压值。假设每两根线之间的微流道长度为L,那么两根线之间的液态金属的电阻R为:
在自身变形或者外力作用下,上层弹性体和下层弹性体发生伸长,导致伸长方向的两段微流道中的液态金属变长变细,图3-1中301和图3-2中302分别为变形前后的微流道截面。令ΔL为微流道长度变化量,Δw为微流道宽度变化量,Δh为微流道高度变化量,弹性体的泊松比为υ,应变弹性体变形前后液态金属的电阻变化ΔR为:
在电流源作用下,该段液态金属的电压变化ΔU为:
于是,得到了电压变化ΔU和应变∈的关系式,通过测量电压变化ΔU,可以测量出弹性体应变∈。液态金属四段中每两段交叉同向布置,同向的两段液态金属只对同向的应变敏感,因此,四段液态金属可同时测量两个方向的应变。
如图4-1和图4-2所示,分别为本发明提供的触觉传感器感知压力前后的原理图。上层弹性体的上表面接触到外界物体时,在外部压力作用下发生变形,图4-1中401和图4-2中402为变形前后的微流道截面。令E为上层弹性体的弹性模量,外部压力大小为p,则弹性体变形前后液态金属的电阻变化ΔR为:
在电流源作用下,该段液态金属的电压变化ΔU为:
于是,得到了电压变化ΔU和外部压力p的关系式,通过测量电压变化,可以测量出作用在上层弹性体上表面的外部压力p。液态金属的四段可以同时测量外部压力p,通过四段液态金属的电压变化差异可以知道外部压力的位置。
本发明实施例还提供了一种基于液态金属的触觉传感器的制备方法,本发明中的柔性应变与触觉传感器主要由3D打印的模具浇铸形成。为保证传感器的与生物体接触时的柔顺性,这里带有微流道的弹性体主要采用邵氏05D的硅胶制作而成,液态金属采用镓铟合金。
带有微流道的弹性体的制造采用先分层制作,后粘合两层的方法。
第一步,利用三维设计软件设计上层弹性体和下层弹性体的模具,并使用3D打印机打印模具,图5为上层弹性体的模具结构图,图6为下层弹性体的模具结构图;
第二步,将硅胶AB两种成分等体积混合,搅拌均匀之后放入真空室进行脱泡处理,将脱泡后的硅胶分别浇注在上层弹性体模具和下层弹性体模具中,在恒温箱60℃恒温放置20min,固化成型后取出;
第三步,将同样的硅胶AB两种成分等体积混合,均匀搅拌之后脱泡处理,然后均匀涂抹在下层弹性体表面,再将上层弹性体带有微流道的一面,均匀的盖在涂抹有硅胶的下层弹性体上,室温放置1h后固化粘连;
第四步,使用一个注射器将液态金属注入弹性体的微流道中,使用另一个注射器从微流道的其他出口抽出空气,直至液态金属充满微流道;
第五步,使用针头将细导线埋入微流道的五个出口,并用同质硅胶涂抹在接口处进行密封,至此柔性应变与触觉传感器制作完成。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于液态金属的触觉传感器,其特征在于,包括:
上层弹性体、下层弹性体,所述上层弹性体和下层弹性体粘连形成微流道;其中,所述微流道包括2N段子微流道,相邻子微流道相通且垂直排布;
液态金属,所述液态金属充满所述微流道;
2N+1根导线,所述2N+1根导线从所述微流道两端和中间等间距引出,并连接到数据采集设备,以同时测量相互垂直的两个方向的应变;
通过检测每段子微流道中液态金属的电压变化,得到所述触觉传感器自身的变形以及接触力的位置和大小。
2.如权利要求1所述的触觉传感器,其特征在于,所述上层弹性体和下层弹性体采用硅胶制作而成。
3.如权利要求1所述的触觉传感器,其特征在于,所述液态金属为镓铟合金。
4.一种基于液态金属的触觉传感器阵列,其特征在于,包括多个独立的如权利要求1至3任一项所述的触觉传感器。
5.一种如权利要求1至3任一项所述的触觉传感器的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)制作所述上层弹性体和下层弹性体的模具;
(2)将脱泡后的硅胶分别浇注在上层弹性体模具和下层弹性体模具中,固化成型后取出;
(3)另取脱泡后的硅胶均匀涂抹在下层弹性体表面,再将上层弹性体带有微流道的一面,均匀地盖在涂抹有硅胶的下层弹性体上,待固化粘连;
(4)将液态金属注入微流道中;
(5)将细导线埋入微流道的2N+1个出口,并用同质硅胶涂抹在接口处进行密封。
6.如权利要求5所述的制备方法,其特征在于,步骤(4)包括:使用一个注射器将液态金属注入微流道中,使用另一个注射器从微流道的其他出口抽出空气,直至液态金属充满微流道。
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