CN113218542B - 一种高灵敏度的柔性三维力触觉传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度的柔性三维力触觉传感器及制备方法，包括半球型触头，所述半球型触头包括表面开设有凹槽的托盘，以及设置在所述凹槽内的半球型凸起，所述凹槽与托盘上表面的连接处呈U型、V型、W型或横置的“S”型；连接在所述半球型触头下表面的柔性倒锥体组件，所述柔性倒锥体组件的侧表面上设置有柔性三角形激励电极；包围部分所述柔性三角形激励电极的柔性公共电极，所述柔性公共电极内部开设有开口的与所述柔性倒锥体组件外形一致的第一腔体，所述柔性三角形激励电极及柔性倒锥体组件的一部分设置在所述柔性公共电极的第一腔体内，所述柔性三角形激励电极及柔性倒锥体组件与所述柔性公共电极的第一腔体内壁无接触形成空气腔。

Description

一种高灵敏度的柔性三维力触觉传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及三维力触觉传感器领域，具体是一种高灵敏度的柔性三维力触觉传感器及制备方法。

背景技术

目前对于机器人作业的智能化和精细化程度不断提高，机器人的制作要求也越来越严苛，国内外学者便将响应速度更快、灵敏度更高、检测范围更宽、耐用性更加优良作为柔性三维力柔性触觉传感器的研究方向。

目前国内外对柔性三维力触觉传感器已有一定的研究，但大多都是关于传感器制备材料方面的改进。传感器的基本工作原理主要集中于电容式、压阻式和光电式三个方向，原理较为简单，但要想设计一个新颖的结构仍比较困难。柔性三维力触觉传感器的研究包括柔性传感器技术、柔性材料制备及成型技术、耐用性研究等，其关键问题主要体现在以下几个方面：（1）柔性三维力触觉传感器测量精度不高，测量范围较小。（2）柔性三维力触觉传感器测量响应速度慢。（3）柔性三维力触觉传感器易损耗，难以修复。因此，采用复合导电材料及高耐用性柔性材料，发散创新思维设计新型可靠的结构，从而提高传感器的优良性能，将是柔性三维力触觉传感器发展的主流。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高灵敏度的柔性三维力触觉传感器及制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高灵敏度的柔性三维力触觉传感器，包括：

半球型触头，所述半球型触头包括表面开设有凹槽的托盘，以及设置在所述凹槽内的半球型凸起，所述凹槽与托盘上表面的连接处呈U型、V型、W型或横置的“S”型；

连接在所述半球型触头下表面的柔性倒锥体组件，所述柔性倒锥体组件的侧表面上设置有柔性三角形激励电极，所述柔性倒锥体组件为圆锥体或面数为4的倍数的多面棱锥；

包围部分所述柔性三角形激励电极的柔性公共电极，所述柔性公共电极内部开设有开口的与所述柔性倒锥体组件外形一致的第一腔体，所述柔性三角形激励电极及柔性倒锥体组件的一部分设置在所述柔性公共电极的第一腔体内，所述柔性三角形激励电极及柔性倒锥体组件与所述柔性公共电极的第一腔体内壁无接触形成空气腔。

作为本发明进一步的方案：还包括与所述柔性公共电极外表面相连用于支撑所述柔性公共电极以及半球型触头的柔性基底。

作为本发明进一步的方案：所述柔性基底内部开设有开口的第二腔体，所述第二腔体的形状与所述柔性公共电极的外形一致，所述柔性公共电极设置在所述柔性基底的第二腔体内壁上，所述柔性基底的第二腔体的顶面外缘与所述托盘下底面的外缘通过硅橡胶粘结固定。

作为本发明进一步的方案：所述柔性基底呈长方体，所述柔性基底的长宽尺寸与所述托盘的长宽尺寸一致。

作为本发明进一步的方案：所述柔性公共电极的高度小于所述柔性基底第二腔体的高度，所述柔性公共电极上连接有与地面相接的用于做公共电极的导线，所述柔性公共电极的每个侧表面通过硅橡胶作为粘接剂粘结于所述柔性基底第二腔体的每个内侧面。

作为本发明进一步的方案：所述柔性倒锥体组件的尺寸小于所述柔性公共电极的第一腔体的尺寸大小，所述柔性倒锥体组件通过硅橡胶粘结在所述托盘未设置所述半球型凸起一侧的中心位置。

作为本发明进一步的方案：所述柔性三角形激励电极的个数为4N个，N为正整数，当所述柔性倒锥体组件为圆锥体时，所述柔性三角形激励电极为有弧度与所述柔性倒锥体组件外侧面贴合的扇形，当柔性倒锥体组件为多面棱锥时，所述柔性三角形激励电极为三角形，多面棱锥的柔性倒锥体组件的每个侧面上设置一个柔性三角形激励电极，所述柔性三角形激励电极外表面设置有硅橡胶层，每个所述柔性三角形激励电极上连接有用于做激励端的导线。

作为本发明进一步的方案：所述半球型触头、柔性基底、柔性倒锥体组件采用的材料为硅橡胶或聚二甲基硅氧烷，所述柔性公共电极、柔性三角形激励电极采用的材料为有机硅导电银胶、导电聚合物、或导电复合材料。

作为本发明进一步的方案：柔性倒锥体组件、柔性公共电极的形状优选倒四棱锥形。

一种根据上述所述的高灵敏度的柔性三维力触觉传感器的制备方法，包括以下步骤：

利用3D打印技术打印出柔性基底模具、柔性倒锥体组件模具、柔性公共电极模具以及半球型触头模具；

向柔性基底模具、柔性倒锥体组件模具、半球型触头模具中注入硅橡胶材料或聚二甲基硅氧烷(PDMS），向柔性公共电极模具中注入有机硅导电银胶(YC-02)、导电聚合物、或导电复合材料，待其固化后脱模，制得柔性基底、半球型触头、柔性倒锥体组件和柔性公共电极；

在制成的柔性倒锥体组件侧表面中心均匀涂抹有机硅导电银胶、导电聚合物、或导电复合材料，静置固化后，形成柔性三角形激励电极，在柔性三角形激励电极表面涂抹硅橡胶；

使用硅橡胶作粘接剂，将制得的部件进行组装。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过柔性三角形激励电极与柔性公共电极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型触头时，将同时改变极板的间距与有效正对面积，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，可以更灵敏的感知所受外力的大小及方向。

本发明中的半球型触头结构使得受力时更加敏感，半球型凸起当受微小力时即可带动柔性倒四棱锥形组件发生形变，配合托盘上的凹槽设计，所述凹槽与托盘上表面的连接处呈U型、V型、W型或横置的“S”型的设计，使得半球型凸起在检测切向力时更易被推动形变，使得本发明在检测切向力作用时更灵敏，能够获得更大的位移，即极板间距变化量较大，使得电容值变化更加明显；柔性公共电极倒四棱锥形的结构及其倒四棱锥形腔体的设计，增加了空气腔，由于空气的阻力小，因此在相同大小的力作用下，相较于固体填充，本结构可以获得更大的形变量，有助于灵敏度的提升；柔性三角形激励电极相较于传统的矩形激励电极的设计，为三角形或扇形结构，由于柔性三角形激励电极与柔性公共电极的半包围设计，实现在法向力作用下，改变极板的正对面积，且根据柔性倒锥体组件的形状，柔性三角形激励电极呈倾斜放置，这样在施加法向力作用时，不仅可以改变正对面积，还可改变极板间距，电容变化更为明显；在柔性基底形成的倒四棱锥形的腔体内，柔性公共电极和柔性三角形激励电极构成四个呈空间立体分布的电容，通过受力，改变了极板间距和有效面积。这种空间立体分布的电容结构具有优良的性能，使得本发明的电容式柔性三维力触觉传感器，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；

因此，本发明基于“倒四棱锥”结构，配合半球型触头、柔性公共电极和柔性三角形激励电极构成四个呈空间立体分布的电容，相较于传统的电容式三维力结构，在相同法向力作用力下，“倒四棱锥形”结构可同时改变极板间距与有效正对面积，具有灵敏度高、响应快等优良特性；此外，本发明相比于传统刚性三维力传感器，具有更广泛的应用领域，包含但不限于智能机器人电子皮肤和医疗器械等相关领域的应用。本发明结构清晰，组装方便，相比于其他复杂三维力传感器，本发明具有更好的耐用性并且便于维护。

附图说明

图1为本发明的结构爆炸图；

图2为本发明的整体结构示意图；

图3为半球型触头的结构示意图；

图4为柔性倒锥体组件的结构示意图；

图5为柔性三角形激励电极的结构示意图；

图6为柔性公共电极的结构示意图；

图7为柔性基底的结构示意图。

图中：1-半球型触头、11-半球型凸起、12-托盘、13-凹槽、131-连接处、2-柔性倒锥体组件、3-柔性三角形激励电极、4-柔性公共电极、5-柔性基底。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1、2，本发明实施例中，一种高灵敏度的柔性三维力触觉传感器，包括半球型触头1，所述半球型触头1包括表面开设有凹槽13的托盘12，以及设置在所述凹槽13内的半球型凸起11，所述凹槽13与托盘12上表面的连接处131呈U型、V型、W型或横置的“S”型；连接在所述半球型触头下表面的柔性倒锥体组件2，所述柔性倒锥体组件的侧表面上设置有柔性三角形激励电极3，所述柔性倒锥体组件2为圆锥体或面数为4的倍数的多面棱锥；包围部分所述柔性三角形激励电极3的柔性公共电极4，所述柔性公共电极4内部开设有开口的与所述柔性倒锥体组件2外形一致的第一腔体，所述柔性三角形激励电极3及柔性倒锥体组件2的一部分设置在所述柔性公共电极4的第一腔体内，所述柔性三角形激励电极3及柔性倒锥体组件2与所述柔性公共电极4的第一腔体内壁无接触形成空气腔。

具体的，请参阅图3，所述半球型触头1包括能够盖住所述柔性基底腔体开口的托盘12,以及设置在所述托盘上的半球型凸起11，所述半球型凸起11为实心，所述托盘12上表面开设有凹槽13，所述凹槽13为矩形凹槽，所述凹槽13与托盘12上表面的连接处131呈U型、V型、W型或横置的“S”型，优选为U形，所述半球型凸起11设置在所述托盘12的凹槽13内，所述连接处131的形态设置使得位于凹槽13中的半球型凸起11在检测切向力时更易被推动发生形变，使得本发明在检测切向力作用时更灵敏，能够获得更大的位移，即极板间距变化量较大，电容值变化更加明显；所述托盘12未设置所述半球型凸起11的一侧的外缘通过硅橡胶与所述柔性基底5的第二腔体的顶面外缘粘结固定，所述半球型触头1采用柔性绝缘材料制成，优选为硅橡胶；半球型触头1的结构使得受力时更敏感，半球型凸起受轻微力时，能带动倒四棱锥组件2形变进而使极板间距产生较大变化量，使得电容值变化更明显。

具体的，请参阅图4、5，所述柔性倒锥体组件2的高度小于所述柔性公共电极4的第一腔体的尺寸大小，所述柔性倒锥体组件2通过硅橡胶粘结在所述托盘12未设置所述半球型凸起11一侧的中心位置，所述柔性倒锥体组件由硅橡胶或聚二甲基硅氧烷等柔性绝缘材料制成，优选为硅橡胶，所述柔性倒锥体组件2为圆锥体或面数为4的倍数的多面棱锥，所述柔性倒锥体组件2优选为倒四棱锥形；所述柔性三角形激励电极的个数为4N个，N为正整数，当所述柔性倒锥体组件2为圆锥体时，所述柔性三角形激励电极3为有弧度与所述柔性倒锥体组件2外侧面贴合的扇形，当柔性倒锥体组件2为多面棱锥时，所述柔性三角形激励电极3为三角形，多面棱锥的柔性倒锥体组件2的每个侧面上设置一个柔性三角形激励电极3，优选的，所述柔性三角形激励电极3为4个，其间隔均匀地设置在倒四棱锥形的所述柔性倒锥体组件2的四个外侧面上，可测量四个方向作用下的切向力，当所述柔性倒锥体组件为8面棱锥，进而设置8个柔性三角形激励电极3时，可测量8个方向的切向力；每个所述柔性三角形激励电极3上连接有用于做激励端的导线，所述柔性三角形激励电极3材料为有机硅导电银胶、导电聚合物或导电复合材料等柔性导电材料，优选为有机硅导电银胶，所述柔性三角形激励电极3外表面设置有硅橡胶层，如GD401、GD402等常用室温硫化橡胶，该硅橡胶层起到粘结固定柔性三角形激励电极3于柔性倒锥体组件2表面上以及绝缘作用，三角形形状的柔性三角形激励电极3相对于矩形激励电极，在相同法向力作用下，电容的两极板正对面积变化量更大，因此电容随外力变化更明显。

具体的，请参阅7，所述柔性基底5呈长方体，所述柔性基底的材料为硅橡胶或聚二甲基硅氧烷等柔性绝缘材料制成，优选为硅橡胶，所述柔性基底5大小能够支撑所述托盘12，优选的，所述柔性基底5的长宽尺寸与所述托盘12的长宽尺寸一致；所述柔性基底5内部开设有开口的第二腔体，所述第二腔体的形状与所述柔性公共电极4的外形一致，优选为倒四棱锥形，该第二腔体的开口四周形成有外缘，所述柔性基底5的第二腔体大小为柔性倒锥体组件2按比例放大1.5倍的大小，该第二腔体开口处的长宽小于所述柔性基底5外表面长方体的长宽。

具体的，请参阅图6，所述柔性公共电极4外形优选为倒四棱锥形，所述柔性公共电极4材料为有机硅导电银胶、导电聚合物、或导电复合材料等柔性导电材料，优选为有机硅导电银胶，所述柔性公共电极4高度小于所述柔性基底5第二腔体的高度，所述柔性公共电极4上连接有与地面相接的用于做公共电极的导线，所述柔性公共电极4的外侧表面通过硅橡胶作为粘接剂粘结于所述柔性基底5的第二腔体的每个内壁上，所述柔性基底5的第二腔体与所述柔性公共电极4的外表面完全嵌合连接；所述柔性公共电极4内部开设有用于放置部分柔性倒锥体组件2和柔性三角形激励电极3组合装置第一腔体，所述第一腔体与所述柔性倒锥体组件2外形一致，优选为倒四棱锥形，所述柔性公共电极4的第一腔体为开口腔体，部分所述柔性三角形激励电极3及柔性倒锥体组件2置于第一腔体中，形成柔性公共电极4不完全包围所述柔性三角形激励电极3及柔性倒锥体组件2的结构，该种不完全包围的结构设计，使得在法向力作用下，极板的正对面积能得以改变，使得本发明的灵敏度得以提升，所述柔性三角形激励电极3及柔性倒锥体组件2与所述柔性公共电极4的倒四棱锥形腔体内壁无接触，两者间存在空气填充的腔体，也可将空气替换为公共导电柔性材料，则同时也改变了极板间介质，从而受力时也会改变极板间介电常数，但空气填充由于空气的阻力小，因此在相同大小的力作用下，相较于其他固体填充，空气腔结构可以获得更大的形变量，有助于灵敏度的提升；柔性基底5和柔性公共电极4组成的结构与柔性倒锥体组件2和柔性三角形激励电极3组成的结构构成多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型触头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，本发明通过多个电容值的变化，感知半球型触头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。

一种根据上述所述的高灵敏度的柔性三维力触觉传感器的制备方法，包括以下步骤：利用3D打印技术流体成型技术，使用多物理场仿真软件COMSOL进行建模设计各部件模具，打印出柔性基底模具、柔性倒锥体组件模具、柔性公共电极模具以及半球型触头模具；向柔性基底模具、柔性倒锥体组件模具、半球型触头模具中注入硅橡胶材料，将有机硅导电银胶与固化剂混合后注入柔性公共电极模具中，将所有模具置于真空干燥箱中室温固化，保持温度于60℃，经2至3小时待其固化后脱模，制得柔性基座、半球型触头和柔性倒锥体组件，以及柔性公共电极；在制成的柔性倒锥体组件四个侧表面中心均匀涂抹有机硅导电银胶，静置进行室温固化后，形成四个柔性三角形激励电极，在有机硅导电银胶的柔性三角形激励电极表面涂抹硅橡胶，进行绝缘处理；使用硅橡胶作粘接剂对制得部件进行组装，将柔性公共电极与柔性基底粘接，将柔性倒锥体组件与半球型触头粘接，再将半球型触头与柔性基底粘接即制得本发明。

本发明的工作原理如下：传感器由柔性三角形激励电极3与柔性公共电极4构成多个呈空间立体分布的电容，受法向力及切向力作用于半球型触头1时，将同时改变极板的间距与有效正对面积，从而实现电容值的变化。在法向力作用下，柔性三角形激励电极3向下压缩，与柔性公共电极4的间距减小，同时极板的有效面积增大，多个电容值同趋势的增大；切向力作用下，柔性三角形激励电极3靠近距离受力方向较近的公共端，两极板间的间距减小、有效面积增大，对应的电容值增大；相反的，柔性三角形激励电极3远离受力方向的公共端，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。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种高灵敏度的柔性三维力触觉传感器，其特征在于，包括：

半球型触头(1)，所述半球型触头(1)包括表面开设有凹槽(13)的托盘(12)，以及设置在所述凹槽(13)内的半球型凸起(11)，所述凹槽(13)与托盘(12)上表面的连接处(131)呈U型、V型、W型或横置的“S”型；

连接在所述半球型触头下表面的柔性倒锥体组件(2)，所述柔性倒锥体组件的侧表面上设置有柔性三角形激励电极(3)，所述柔性倒锥体组件(2)为圆锥体或面数为4的倍数的多面棱锥；

包围部分所述柔性三角形激励电极(3)的柔性公共电极(4)，所述柔性公共电极(4)内部开设有开口的与所述柔性倒锥体组件(2)外形一致的第一腔体，所述柔性三角形激励电极(3)及柔性倒锥体组件(2)的一部分设置在所述柔性公共电极(4)的第一腔体内，所述柔性三角形激励电极(3)及柔性倒锥体组件(2)与所述柔性公共电极(4)的第一腔体内壁无接触形成空气腔；

所述柔性倒锥体组件(2)的尺寸小于所述柔性公共电极(4)的第一腔体的尺寸大小，所述柔性倒锥体组件(2)通过硅橡胶粘结在所述托盘(12)未设置所述半球型凸起(11)一侧的中心位置；

所述柔性三角形激励电极的个数为4N个，N为正整数；当所述柔性倒锥体组件(2)为圆锥体时，所述柔性三角形激励电极(3)为有弧度与所述柔性倒锥体组件(2)外侧面贴合的扇形，当柔性倒锥体组件(2)为多面棱锥时，所述柔性三角形激励电极(3)为三角形，多面棱锥的柔性倒锥体组件(2)的每个侧面上设置一个柔性三角形激励电极(3)，所述柔性三角形激励电极(3)外表面设置有硅橡胶层，每个所述柔性三角形激励电极(3)上连接有用于做激励端的导线。

2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的柔性三维力触觉传感器，其特征在于，还包括与所述柔性公共电极(4)外表面相连用于支撑所述柔性公共电极以及半球型触头(1)的柔性基底(5)。

3.根据权利要求2所述的一种高灵敏度的柔性三维力触觉传感器，其特征在于，所述柔性基底(5)内部开设有开口的第二腔体，所述第二腔体的形状与所述柔性公共电极(4)的外形一致，所述柔性公共电极(4)嵌合在所述柔性基底的第二腔体内壁上，所述柔性基底(5)的第二腔体的顶面外缘与所述托盘(12)下底面的外缘通过硅橡胶粘结固定。

4.根据权利要求2所述的一种高灵敏度的柔性三维力触觉传感器，其特征在于，所述柔性基底(5)呈长方体，所述柔性基底的长宽尺寸与所述托盘(12)的长宽尺寸一致。

5.根据权利要求2所述的一种高灵敏度的柔性三维力触觉传感器，其特征在于，所述柔性公共电极(4)的高度小于所述柔性基底(5)第二腔体的高度，所述柔性公共电极(4)上连接有与地面相接的用于做公共电极的导线，所述柔性公共电极(4)的每个侧表面通过硅橡胶作为粘接剂粘结于所述柔性基底(5)第二腔体的每个内侧面。

6.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的柔性三维力触觉传感器，其特征在于，所述半球型触头(1)、柔性基底(5)、柔性倒锥体组件(2)采用的材料为硅橡胶或聚二甲基硅氧烷，所述柔性公共电极(4)、柔性三角形激励电极(3)采用的材料为有机硅导电银胶、导电聚合物、或导电复合材料。

7.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的柔性三维力触觉传感器，其特征在于，所述柔性倒锥体组件(2)、柔性公共电极(4)的形状为倒四棱锥形。

8.一种根据权利要求1-7任一项所述的高灵敏度的柔性三维力触觉传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用3D打印技术打印出柔性基底模具、柔性倒锥体组件模具、柔性公共电极模具以及半球型触头模具；

向柔性基底模具、柔性倒锥体组件模具、半球型触头模具中注入硅橡胶材料或聚二甲基硅氧烷(PDMS），向柔性公共电极模具中注入有机硅导电银胶(YC-02)、导电聚合物、或导电复合材料，待其固化后脱模，制得柔性基底、半球型触头、柔性倒锥体组件和柔性公共电极；

在制成的柔性倒锥体组件侧表面中心均匀涂抹有机硅导电银胶、导电聚合物、或导电复合材料，静置固化后，形成柔性三角形激励电极，在柔性三角形激励电极表面涂抹硅橡胶；

使用硅橡胶作粘接剂，将制得的部件进行组装。

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