CN113049167A - 一种柔性多维触觉传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柔性多维触觉传感器及其制备方法，包括多个传感单元；所述传感单元包括一柔性衬底、第一压阻单元及第二压阻单元；所述柔性衬底的中部向上凸起一半球形的凸部；所述第一压阻单元设置于所述凸部的上方且贴合所述凸部的外表面设置；多个所述的第二压阻单元以所述凸部所在位置为中心沿中心对称设置于所述凸部的周围；当传感单元受到法向力时，凸部的结构发生法向形变，凸部的顶部的第一压阻单元产生不一样的阻值变化；当传感单元受到切向力时，所述第二压阻单元产生不一样的阻值变化，根据电阻值的变化，得出传感单元受到的力的矢量。应用本技术方案可实现较高精度地分辨所受到的法向力与切向力的大小、方向、分布及自身弯曲变形。

Description

一种柔性多维触觉传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体是指一种柔性多维触觉传感器及其制备方法。

背景技术

随着智能机器人的需求不断提高，柔性压阻式力传感器被广泛研究。在机器人抓取物体时，需要机械手能够感知目标物体的状态，从而完成对不同形状和材料的物体的自适应抓取。传统的刚性力传感器因为其材料的可拉伸性和柔韧性较差，无法完成对物体的自适应抓取。柔性力传感器具有对不同形状材料的顺应性以及在变形下仍能实现力学传感的优良特性。

大多数柔性触觉传感器的研究主要集中于单维力的检测。而在实际抓取物体中，需要机械手能感受和分辨出所受到的力方向、大小及分布。所以目前柔性触觉传感器领域的关键问题就是在于结合结构设计与制作工艺来使柔性触觉传感器能够满足多维触觉检测的性能要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种柔性多维触觉传感器及其制备方法，

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种柔性多维触觉传感器，包括多个传感单元；所述传感单元包括一柔性衬底、第一压阻单元及第二压阻单元；所述柔性衬底的中部向上凸起一半球形的凸部；所述第一压阻单元设置于所述凸部的上方且贴合所述凸部的外表面设置；多个所述的第二压阻单元以所述凸部所在位置为中心沿中心对称设置于所述凸部的周围；

当传感单元受到法向力时，凸部的结构发生法向形变，凸部的顶部的第一压阻单元产生不一样的阻值变化；当传感单元受到切向力时，所述第二压阻单元产生不一样的阻值变化，根据第一压阻单元及第二压阻单元的电阻值的变化，得出传感单元受到的力的方向、大小、分布及自身弯曲变形。

在一较佳的实施例中，所述柔性衬底的周边向下弯曲变形时，所述第二压阻单元受压，电阻值减小；所述柔性衬底的周边向上弯曲变形时，所述第二压阻单元受拉，电阻值增大。

在一较佳的实施例中，所述第一压阻单元具体为环形压阻单元，所述环形压阻单元与所述凸部同心设置。

在一较佳的实施例中，所述第二压阻单元设置有3个或4个或5个。

在一较佳的实施例中，所述传感单元设置有4个，且呈2×2阵列设置。

本发明还提供了一种柔性多维触觉传感器的制备方法，制备了上述的柔性多维触觉传感器，包括以下步骤：

1)依据传感器的力学性能要求确定柔性聚合物与相应固化剂的质量比，按比例将二者混合，充分搅拌后，使用真空泵去除混合物中的气泡，然后倒入模具内，再次抽真空，加热固化后脱模，得到带有半球形凸部的柔性衬底；

2)利用喷枪将配置好的导电材料喷涂在柔性衬底表面；

3)利用激光切割技术，一次成型设计好的第一压阻单元及第二压阻单元；

4)将与衬底相同的柔性绝缘材料旋涂在器件表面进行封装。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

1)所设计的半球形的凸部及压阻单元分布的结构，能较高精度地分辨所受到的法向力与切向力的大小、方向、分布及自身弯曲变形。

2)采用喷涂与激光切割的图案化工艺，可一次成型多个图案化单元，使制作过程更加简单。

3)受法向力的压阻单元为环状的折线形结构，该图案分布与传感器受法向力产生的应变方向相匹配，能有效提高传感器受法向力时的灵敏度。

4)采用柔性材料制作传感器的各个结构，相比传统刚性传感器，具有更高的弹性模量，拉伸性能更好，不易受到脆性破坏。

5)传感器各部分所使用的制作材料均易获取且成本较低。

附图说明

图1为本发明优选实施例中传感单元设置有4个时传感器的结构示意图；

图2为本发明优选实施例中传感单元中第二压阻单元设置3个时的结构示意图；

图3为本发明优选实施例中传感单元中第二压阻单元设置4个时的结构示意图；

图4为本发明优选实施例中传感单元中第二压阻单元设置5个时的结构示意图；

图5为本发明优选实施例中传感单元感受法向力时的示意图；

图6为本发明优选实施例中传感单元感受切向力时的示意图；

图7为本发明优选实施例中传感单元向上弯曲变形示意图；

图8为本发明优选实施例中传感单元向下弯曲变形示意图。

具体实施方式

下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种柔性多维触觉传感器，参考图1至8，包括多个传感单元；所述传感单元包括一柔性衬底1、第一压阻单元2及第二压阻单元3；所述柔性衬底1的中部向上凸起一半球形的凸部11；所述第一压阻单元2设置于所述凸部11的上方且贴合所述凸部11的外表面设置；多个所述的第二压阻单元3以所述凸部11所在位置为中心沿中心对称设置于所述凸部11的周围；

当传感单元受到法向力时，凸部11的结构发生法向形变，凸部11的顶部的第一压阻单元2产生不一样的阻值变化；当传感单元受到切向力时，所述第二压阻单元3产生不一样的阻值变化，根据第一压阻单元2及第二压阻单元3的电阻值的变化，得出传感单元受到的力的方向、大小、分布及自身弯曲变形。通过半球形的凸部11及压阻单元分布的结构，能较高精度地分辨所受到的法向力与切向力的大小、方向、分布及自身弯曲变形。

参考图7至8，所述柔性衬底1的周边向下弯曲变形时，所述第二压阻单元3受压，电阻值减小；所述柔性衬底1的周边向上弯曲变形时，所述第二压阻单元3受拉，电阻值增大。

具体来说，所述第一压阻单元2具体为环形压阻单元，所述环形压阻单元与所述凸部11同心设置。所述第二压阻单元3设置有3个或4个或5个。受法向力的压阻单元为环状的折线形结构，该图案分布与传感器受法向力产生的应变方向相匹配，能有效提高传感器受法向力时的灵敏度。

在本实施例中，所述传感单元设置有4个，且呈2×2阵列设置。

一种柔性多维触觉传感器的制备方法，包括以下步骤：

1)依据传感器的力学性能要求确定柔性聚合物与相应固化剂的质量比，按比例将二者混合，充分搅拌后，使用真空泵去除混合物中的气泡，然后倒入模具内，再次抽真空，加热固化后脱模，得到带有半球形凸部11的柔性衬底1；

2)利用喷枪将配置好的导电材料喷涂在柔性衬底1表面；

3)利用激光切割技术，一次成型设计好的第一压阻单元2及第二压阻单元3；

4)将与衬底相同的柔性绝缘材料旋涂在器件表面进行封装。

采用喷涂与激光切割的图案化工艺，可一次成型多个图案化单元，使制作过程更加简单。采用柔性材料制作传感器的各个结构，相比传统刚性传感器，具有更高的弹性模量，拉伸性能更好，不易受到脆性破坏。传感器各部分所使用的制作材料均易获取且成本较低。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (6)

1.一种柔性多维触觉传感器，其特征在于包括多个传感单元；所述传感单元包括一柔性衬底、第一压阻单元及第二压阻单元；所述柔性衬底的中部向上凸起一半球形的凸部；所述第一压阻单元设置于所述凸部的上方且贴合所述凸部的外表面设置；多个所述的第二压阻单元以所述凸部所在位置为中心沿中心对称设置于所述凸部的周围；

当传感单元受到法向力时，凸部的结构发生法向形变，凸部的顶部的第一压阻单元产生不一样的阻值变化；当传感单元受到切向力时，所述第二压阻单元产生不一样的阻值变化，根据第一压阻单元及第二压阻单元的电阻值的变化，得出传感单元受到的力的方向、大小、分布及自身弯曲变形。

2.根据权利要求1所述的柔性多维触觉传感器，其特征在于，所述柔性衬底的周边向下弯曲变形时，所述第二压阻单元受压，电阻值减小；所述柔性衬底的周边向上弯曲变形时，所述第二压阻单元受拉，电阻值增大。

3.根据权利要求2所述的柔性多维触觉传感器，其特征在于，所述第一压阻单元具体为环形压阻单元，所述环形压阻单元与所述凸部同心设置。

4.根据权利要求3所述的柔性多维触觉传感器，其特征在于，所述第二压阻单元设置有3个或4个或5个。

5.根据权利要求4所述的柔性多维触觉传感器，其特征在于，所述传感单元设置有4个，且呈2×2阵列设置。

6.一种柔性多维触觉传感器的制备方法，其特征在于制备了上述权利要求1至5中任意一项所述的柔性多维触觉传感器，包括以下步骤：

1)依据传感器的力学性能要求确定柔性聚合物与相应固化剂的质量比，按比例将二者混合，充分搅拌后，使用真空泵去除混合物中的气泡，然后倒入模具内，再次抽真空，加热固化后脱模，得到带有半球形凸部的柔性衬底；

2)利用喷枪将配置好的导电材料喷涂在柔性衬底表面；

3)利用激光切割技术，一次成型设计好的第一压阻单元及第二压阻单元；

4)将与衬底相同的柔性绝缘材料旋涂在器件表面进行封装。

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