CN113340507B - 一种基于“沙漏状”结构的全柔性三维力柔性触觉传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于“沙漏状”结构的全柔性三维力柔性触觉传感器，包括梯形触头、柔性腔体、“沙漏状”弹性体和柔性电极，“沙漏状”弹性体粘贴在柔性腔体内壁；所述的柔性电极包括柔性激励电极和柔性接地电极，柔性激励电极和柔性接地电极均以柔性腔体的中心轴为对称轴，分别等间隔粘贴在“沙漏状”弹性体上曲面与下曲面，并与柔性腔体内壁留有一定距离，且柔性激励电极与柔性接地电极相互对齐；柔性激励电极与柔性接地电极之间隔一层空气层作为电介质层；梯形触头紧密粘贴在柔性腔体上部中心位置。本发明结构更加优异，极易发生形变，响应更快，灵活性更好，迟滞更低，恢复性更好，检测范围更宽。

Description

一种基于“沙漏状”结构的全柔性三维力柔性触觉传感器

技术领域

本发明涉及一种电容式三维力柔性触觉传感器，尤其是一种具有高灵敏 度宽检测范围特性的基于“沙漏状”结构的全柔性三维力柔性触觉传感器。

背景技术

近年来，随着智能机器人工业化应用以及一些行业的高精度作业要求， 对于机器人的反应速度、反馈精度、作业范围等要求越来越高。因此，柔性 三维力触觉传感器作为机器人触觉传感器的一个重要分支，国内外学者对其 研究便趋于追求更快的响应速度、更高的灵敏度、更宽的检测范围、更好的 耐用性等。

柔性三维力触觉传感器因具有高灵敏度、快速响应、高精度、全柔性材 料制作等特点而能够适用于多数复杂环境，同时配套在一些软体机器人电子 皮肤上可应用于众多领域。利用柔性材料包括橡胶、聚合物材料、天然材料 等固有的柔性，以及一些复合柔性导电材料的导电性或压阻效应，可制备出 各种三维力传感器。

在各种类型的三维力触觉传感器，如电阻式、电容式、电感式、压电式 等都取得了一定的进展，并论证了其在电子皮肤上应用的可行性。基于电容 式柔性三维力触觉传感器具有灵敏度高、迟滞小、响应快等特点，目前国内 外研究人员对电容式柔性三维力触觉传感器取得了不少研究成果：

安徽大学郭小辉等人发明的一种全柔性电容式三维力触觉传感器(CN111366274A)，该传感器由一个圆形柔性公共极板和四个方形感应电极组成 四个呈空间立体分布的电容。利用半圆环形凹槽结构，在受力情况下半圆环 形凹槽向下弯曲变形，带动圆形柔性极板向下移动，使得极板间距减小，电 容发生改变，增强了传感器在外力作用下的变形能力，提高了传感器的灵敏 度，但其传感器的恢复特性较差，易损耗。

安徽大学张心怡等人发明的基于仿生蘑菇结构的高灵敏度电容式柔性 三维力触觉传感器(CN 111751038A)，该传感器包括作为顶部覆盖的半球形 触头和作为底部支撑的柔性基底，二者通过环形连接件进行连接并在内部间 隔布设柔性半球形公共电极和四个柔性球曲面激励电极，构成四个呈空间立 体分布的电容。该传感器受法向力和切向力作用于半球型触头时，会改变极 板间距，从而实现电容值的变化，但是柔性半球形公共电极与四个柔性球曲 面激励电极的距离较近，在切向力或较大法向力时，两极板很容易发生接触， 且电极表面均未设置绝缘材料，若发生接触，则传感器功能失效。

安徽大学陈叶馨等人发明的一种基于波纹管微结构的全柔性电容式三 维力触觉传感器(CN 111947813A)，该传感器由半球型中空触头、柔性圆形 公共电极、带波纹管结构的“沙漏型”空气腔、柔性激励电极和柔性基底构成， 柔性基底整体呈边缘带凹陷的圆形薄片，与半球形中空触头连接，柔性圆形 公共电极镶嵌在带波纹管结构的“沙漏型”空气腔上部，四个柔性激励电极粘 贴在柔性基底上，与柔性圆形公共极板构成四个呈空间立体分布的电容。该 传感器结构通过独特的带波纹管结构的“沙漏型”空气腔，使得传感器在受力时更容易发生形变，提高了传感器的灵敏度和响应时间，但是该发明中未在 柔性圆形公共极板或四个柔性激励电极表面设置绝缘材料，因此在受力情况 下有可能出现极板短接情况，造成测量数据不准确，影响传感器在实际情况 的应用。另外，该发明传感器的波纹管结构是叠层结构，在多次使用后会产 生蠕变，导致传感器不能长期稳定使用。

安徽大学施荣煜等人发明了一种高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感 器及其制备方法(CN 110793701A)，该传感器由半球型触头、柔性球曲面激 励电极、柔性公共电极以及柔性基底构成，半球型触头与柔性基底粘接在一 起形成空气腔，柔性公共电极粘接在半球型触头和柔性基底之间，四个柔性 球曲面激励电极均匀分布在柔性基底上，且在柔性球曲面激励电极表面设绝 缘层。该传感器受力作用于半球型触头，使得柔性公共电极变形，极板间距 和极板正对面积发生变化，进而获得电容的变化。由于传感器在受力时，被 压缩的是实体的柔性公共电极，因此发生及恢复变形的能力一般，获得的传 感器灵敏度和灵活性也就不够好。

综上可见，现有的电容式柔性三维力触觉传感器在测量范围、测量响应 速度、损耗等方面的性能还有待提高。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种基于“沙漏状”结构的 全柔性三维力柔性触觉传感器，该传感器结构更加优异，极易发生形变，响 应更快，灵活性更好，迟滞更低，恢复性更好，检测范围更宽。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：包括梯形触头、柔性腔体、 “沙漏状”弹性体和柔性电极，所述的柔性腔体整体为圆柱筒体或波纹管状 或灯笼状或腰鼓状；“沙漏状”弹性体粘贴在柔性腔体内壁；所述的柔性电 极包括柔性激励电极和柔性接地电极，柔性激励电极和柔性接地电极均以柔 性腔体的中心轴为对称轴，分别等间隔粘贴在“沙漏状”弹性体上曲面与下 曲面，并与柔性腔体内壁留有一定距离，且柔性激励电极与柔性接地电极相 互对齐；柔性激励电极与柔性接地电极之间隔一层空气层作为电介质层；梯 形触头紧密粘贴在柔性腔体上部中心位置。

相比现有技术，本发明的一种基于“沙漏状”结构的全柔性三维力柔性 触觉传感器，1、本发明中采用独特的“沙漏状”弹性体作为电极基体，传 感器受力作用于梯形触头，力可以直接传到“沙漏状”弹性体，使得“沙漏 状”弹性体易发生形变，而现有技术中传感器结构并没有设计利于传感器发 生形变的结构，只是通过力作用于半球形触头使传感器发生形变。因此本发 明传感器在相同力作用下，“沙漏状”基体结构能够产生较大形变，电容变 化量相对较大，具有灵敏度更高、灵活性更好、响应更快等优势。2、本发 明设计中，将梯形触头设置在柔性腔体上部，梯形触头底面正方形的对角线 与柔性腔体的外径一致。传感器在受力时，并不只作用于“沙漏状”弹性体， 而是柔性腔体与“沙漏状”弹性体共同受力。因此传感器在长期使用下，本 发明传感器结构具有更好的恢复性。3、本发明通过柔性激励电极和柔性接 地电极，构成了呈空间立体分布的电容，空气作为介质层，在三维力作用下，极板间距减小，电容发生改变。这种空间立体分布的电容相较于现有的三维 力传感器具有了更高的检测灵敏度和更宽的检测范围，扩大了传感器的应用 领域。4、在电极分布方面，本发明传感器将柔性曲面激励电极和柔性曲面 接地电极设置在“沙漏状”弹性体的上曲面与下曲面，传感器在受力时，“沙 漏状”弹性体向下弯曲，使得极板间距减小，电容增大。现有技术中将柔性 公共电极粘接在半球型触头和柔性基底之间，传感器在受力时，柔性公共电 极受力被压缩，因此极板间距和极板正对面积都发生改变。在以上两种传感 器受力时，本发明传感器由于内部是空气腔体(即对应“沙漏状”弹性体是 中空腔体)，相比于现有技术中被压缩的实体柔性公共电极，本发明更容易 发生变形，因此，本发明传感器的灵敏度以及灵活性更好。且在极板间距较 近时，根据电容变化公式可知，极板间距的变化比极板正对面积的变化对电 容的影响更大，因此，本发明中的电极设置更为优异。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1a是本发明一个实施例的剖面结构示意图。

图1b是本发明一个实施例的结构爆炸图。

图2a是本发明一个实施例中梯形触头的结构示意图。

图2b是本发明一个实施例中半椭球形触头的结构示意图。

图3a是本发明一个实施例中圆柱筒体状柔性腔体的结构示意图。

图3b是本发明一个实施例中波纹管状柔性腔体的结构示意图。

图3c是本发明一个实施例中灯笼状柔性腔体的结构示意图。

图3d是本发明一个实施例中腰鼓状柔性腔体的结构示意图。

图4是本发明一个实施例中“沙漏状”弹性体的结构示意图。

图5a是本发明一个实施例中柔性电极的结构示意图。

图5b是本发明一个实施例中柔性电极的俯视图。

图5c是本发明一个实施例中柔性电极在传感器结构中的剖面图。

图5d是本发明另一个实施例中柔性电极在传感器结构中的剖面图。

图6a是本发明一个实施例的法向位移图。

图6b是本发明一个实施例的切向位移图。

图7a是本发明一个实施例的法向力电容变化图。

图7b是本发明一个实施例的切向力电容变化图。

图中，1-1、梯形触头，1-2、半椭球形触头，2、柔性腔体，2-1、圆柱 筒体状柔性腔体，2-2、波纹管状柔性腔体，2-3、灯笼状柔性腔体，2-4、腰 鼓状柔性腔体，3、“沙漏状”弹性体，4、柔性电极，4-1、柔性激励电极， 4-2、柔性接地电极。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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，都属于本发明的保护范围。

图1a至图7b示出了本发明一个较佳的实施例的结构示意图。图1a和 图1b中的一种基于“沙漏状”结构的全柔性三维力柔性触觉传感器，包括 梯形触头1-1、柔性腔体2、“沙漏状”弹性体3和柔性电极4，各部分均采 用硅橡胶作粘接剂，通过层层组装方式进行集成。所述的“沙漏状”弹性体 3粘贴在柔性腔体2内壁；所述的柔性电极4包括柔性激励电极4-1和柔性 接地电极4-2，柔性激励电极4-1和柔性接地电极4-2均以柔性腔体2的中心 轴为对称轴，分别等间隔粘贴在“沙漏状”弹性体3上曲面与下曲面，并与 柔性腔体2内壁留有一定距离，且柔性激励电极4-1与柔性接地电极4-2相 互对齐；柔性激励电极4-1与柔性接地电极4-2之间隔一层空气层作为电介 质层；梯形触头1-1紧密粘贴在柔性腔体2上部中心位置。

本发明实施例的工作原理如下：由四个柔性激励电极4-1和四个柔性接地 电极4-2构成四个呈空间立体分布的电容，其中柔性激励电极4-1与柔性接地 电极4-2的尺寸一致，粘贴时上下对齐。当梯形触头1-1受到法向力及切向力 作用时，一部分柔性激励电极4-1与空气互换位置，改变了极板间距，从而实 现电容值得变化，其施加法向力时的电容变化如图7a所示。通过对称分布的 四个电容值的变化，可以感知所受外力的大小及方向；在法向力作用下，柔性 激励电极4-1法向上压缩，与柔性接地电极4-2的间距减小，四个电容值同趋 势增大；在切向力作用下，柔性激励电极4-1发生形变，与切向力方向相同的 两个电容极板间距减小，另一方向的两个电容极板间距增大，相应的电容值也 发生变化，得到如图7b所示的电容变化曲线。

如图2a和2b所示，所述的梯形触头1-1还可以由半椭球形触头1-2代 替，但梯形触头1-1更优，特别是当梯形触头1-1的上下底面均为正方形， 且底面正方形的对角线长度等于柔性腔体2的外直径时，通过仿真的验证， 综合考虑下能保证触觉传感器的最佳性能。

如图3a、3b、3c及图3d所示，所述的柔性腔体2的形状整体上可以为 圆柱筒体或波纹管状或灯笼状或腰鼓状；图3a为圆柱筒体状柔性腔体2-1， 图3b为波纹管状柔性腔体2-2，图3c为灯笼状柔性腔体2-3，图3d为腰鼓 状柔性腔体2-4，其中最优选的是圆柱形柔性腔体2-1。

考虑到兼顾更佳的形变能力和结构稳定性，如图4所示，所述的“沙漏 状”弹性体3是中空腔体，且具有一定厚度。进一步优选地，所述的“沙漏 状”弹性体3的曲面弧度为半圆形或半椭圆形。

如图5a、5b和图5c所示，所述的柔性电极4的第一种结构为一个面与 “沙漏状”弹性体3相贴合，即所述的柔性电极4由与“沙漏状”弹性体3 曲面相贴合的上端面以及平面矩形的下端面组成，这种更为优选；图5d中 的第二种结构是与“沙漏状”弹性体3曲面弯曲弧度一致的结构，即所述的 柔性电极4由均与“沙漏状”弹性体3曲面相贴合的两个端面组成。

在材质方面，本实施例中的柔性腔体2、“沙漏状”弹性体3均采用硅橡 胶材料制成；而梯形触头1-1采用聚二甲基硅氧烷制成。柔性电极4均以石 墨烯、多壁碳纳米管和硅橡胶的导电复合材料来制备，具体是将石墨烯和多 壁碳纳米管导电填料(0.075g，7.5wt％)按1:1的比例依次溶解在30mL二 甲苯溶液中，然后使用超声波分散一小时，在经过一小时的磁力搅拌，使石 墨烯和多壁碳纳米管在溶液中分散均匀、充分。在预处理过后的溶液中，加 入1g硅橡胶后，在进行一小时的磁力搅拌。最终得到石墨烯、多壁碳纳米 管和硅橡胶的均匀混合溶液。而本发明全柔性电容式三维力触觉传感器的制 备工艺可以基于3D打印技术及硅橡胶流体成型技术来实现。

利用COMSOL有限元仿真软件，分析在不同法向力及切向力作用下的 柔性电极4电场分布特征，可以得到工作机理仿真图。如图6a和图6b所示 是传感器受力情况下的COMSOL仿真图，图6a是法向力为2.5N时传感器 的位移变化图。图6b是法向力为0.5N，切向力为1.5N时传感器的位移变 化图，由仿真图可以看出本发明传感器可以达到较宽的检测范围。

如图7a和7b所示，为本发明全柔性三维力触觉传感器在法向力和切向 力下的电容变化曲线图。图7a是在法向力为0-2.5N时的电容变化曲线图， 其灵敏度为0.18/N。图7b是在法向力为0.5N时，切向力在0-1.5N时的电 容变化曲线图，其灵敏度为0.03/N。尽管本发明的柔性三维力触觉传感器的 灵敏度不是最高的，但是力的检测范围与其他同类型的传感器相比更宽，主 要依靠沙漏状结构的变形，传感器在受力时曲面结构容易变形弯曲，且圆柱 形腔体给予“沙漏状”结构支撑，因此能够承受较大的力，可应用于更多地 场景。另外，如果将极板间的空气层替换为公共导电柔性材料，也会改变极 板间介电常数，提高传感器的灵敏度。

Claims (8)

1.一种基于“沙漏状”结构的全柔性三维力柔性触觉传感器，其特征是：包括梯形触头（1-1）、柔性腔体（2）、“沙漏状”弹性体（3）和柔性电极（4），“沙漏状”弹性体（3）粘贴在柔性腔体（2）内壁；所述的柔性电极（4）包括柔性激励电极（4-1）和柔性接地电极（4-2），柔性激励电极（4-1）和柔性接地电极（4-2）均以柔性腔体（2）的中心轴为对称轴，分别等间隔粘贴在“沙漏状”弹性体（3）上曲面与下曲面，并与柔性腔体（2）内壁留有一定距离，且柔性激励电极（4-1）与柔性接地电极（4-2）相互对齐；柔性激励电极（4-1）与柔性接地电极（4-2）之间隔一层空气层作为电介质层；梯形触头（1-1）紧密粘贴在柔性腔体（2）上部中心位置；

所述的柔性腔体（2）整体为圆柱筒体或波纹管状或灯笼状或腰鼓状；

所述“沙漏状”弹性体（3）的宽度与柔性腔体（2）的内径尺寸一致，高度与柔性腔体（2）的高度一致。

2.根据权利要求1所述的一种基于“沙漏状”结构的全柔性三维力柔性触觉传感器，其特征是：所述的柔性电极（4）由与“沙漏状”弹性体（3）曲面相贴合的上端面以及平面矩形的下端面组成。

3.根据权利要求1所述的一种基于“沙漏状”结构的全柔性三维力柔性触觉传感器，其特征是：所述的柔性电极（4）由均与“沙漏状”弹性体（3）曲面相贴合的两个端面组成。

4.根据权利要求1所述的一种基于“沙漏状”结构的全柔性三维力柔性触觉传感器，其特征是：所述的柔性接地电极（4-2）的表面涂有硅橡胶绝缘层。

5.根据权利要求1所述的一种基于“沙漏状”结构的全柔性三维力柔性触觉传感器，其特征是：所述的“沙漏状”弹性体（3）是中空腔体。

6.根据权利要求5所述的一种基于“沙漏状”结构的全柔性三维力柔性触觉传感器，其特征是：所述的“沙漏状”弹性体（3）的曲面弧度为半圆形或半椭圆形。

7.根据权利要求1或2所述的一种基于“沙漏状”结构的全柔性三维力柔性触觉传感器，其特征是：所述的梯形触头（1-1）的上下底面均为正方形，且底面正方形的对角线长度等于柔性腔体的外直径。

8.根据权利要求1或2所述的一种基于“沙漏状”结构的全柔性三维力柔性触觉传感器，其特征是：所述的梯形触头（1-1）由半椭球形触头（1-2）代替。

Images