CN114370959B - 液态金属柔性压力触觉和应变传感器 - Google Patents

液态金属柔性压力触觉和应变传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液态金属柔性压力触觉和应变传感器，包括：并联的第一柔性传感组件和第二柔性传感组件；所述第一柔性传感组件的电阻小于所述第二柔性传感组件的电阻；其中，所述第二柔性传感组件缠绕连接在所述第一柔性传感组件上；所述第一柔性传感组件和所述第二柔性传感组件可拉伸形变以改变所述传感器的电阻；或所述第一柔性传感组件和所述第二柔性传感组件可受压形变以改变所述传感器的电阻。由于较小作用力下，第二柔性传感组件可以实现作用力的测量且具有较高灵敏度，较大作用力下，第一柔性传感组件可以实现作用力的测量且具有较高灵敏度，从而实现在较大量程上都能具有较高灵敏度，实现传感器兼容大量程和高灵敏度。

Description

液态金属柔性压力触觉和应变传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及的是一种液态金属柔性压力触觉和应变传感器。
背景技术
在虚拟现实方面，柔性传感器在虚拟现实中发挥着关键性的作用，它能够检测人体各部位的实时运动状态，提高人机交互的自然性，增强虚拟现实的沉浸感；在软体机器人方面，柔性传感器是机器人实现可靠抓取和灵巧作业的重要保障，是机器人智能控制的核心部件。传感器能够为机器人提供外部感知功能，其中机器人对抓取力的需求对机器人的灵巧操作极为关键。
现有技术中，高灵敏度的传感器的量程较小，大量程的传感器的灵敏度较小，现有传感器无法兼容高灵敏度和大量程。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种液态金属柔性压力触觉和应变传感器，旨在解决现有技术中传感器无法兼容高灵敏度和大量程的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种液态金属柔性压力触觉和应变传感器，其中，包括：
并联的第一柔性传感组件和第二柔性传感组件；所述第一柔性传感组件的电阻小于所述第二柔性传感组件的电阻；
其中，所述第二柔性传感组件缠绕连接在所述第一柔性传感组件上；
所述第一柔性传感组件和所述第二柔性传感组件可拉伸形变以改变所述传感器的电阻；或
所述第一柔性传感组件和所述第二柔性传感组件可受压形变以改变所述传感器的电阻。
所述的液态金属柔性压力触觉和应变传感器，其中，所述第一柔性传感组件包括：
第一软体管；
第一液态导电介质，填充在所述第一软体管内；
第一电极和第二电极，分别设置在所述第一软体管两端；
其中，所述第一电极、所述第二电极均与所述第一液态导电介质接触；
所述第一软体管可拉伸形变以改变所述第一软体管的长度；和/或
所述第一软体管可受压形变以改变所述第一软体管的横截面积；
所述第二柔性传感组件包括：
第二软体管；其中，所述第二软体管的直径小于所述第一软体管的直径，所述第二软体管缠绕连接在所述第一软体管上；
第二液态导电介质，填充在所述第二软体管内；
第三电极和第四电极，分别设置在所述第二软体管两端；
其中，所述第三电极、所述第四电极均与所述第二液态导电介质接触；
所述第一电极与所述第三电极电连接，所述第二电极与所述第四电极电连接；
所述第二软体管可拉伸形变以改变所述第二软体管的长度；和/或
所述第二软体管可受压形变以改变所述第二软体管的横截面积。
所述的液态金属柔性压力触觉和应变传感器，其中，所述第一液态导电介质采用第一液态金属；和/或
所述第二液态导电介质采用第二液态金属。
所述的液态金属柔性压力触觉和应变传感器，其中，所述第一液态金属包括不同比例的镓、铟以及锡；和/或
所述第二液态金属包括不同比例的镓、铟以及锡。
所述的液态金属柔性压力触觉和应变传感器，其中，所述第一软体管采用软体硅胶管；和/或
所述第二软体管采用软体硅胶管。
所述的液态金属柔性压力触觉和应变传感器，其中，所述第一电极、所述第二电极分别与所述第一软体管两端的开口密封连接；和/或
所述第三电极、所述第四电极分别与所述第二软体管两端的开口密封连接。
一种如上述任意一项所述的液态金属柔性压力触觉和应变传感器的制备方法，其中，包括步骤：
提供第一软体管、第二软体管、第一液态导电介质、第二液态导电介质、第一电极、第二电极、第三电极以及第四电极；
将所述第二软体管缠绕连接在所述第一软体管上；
将所述第一液态导电介质填充在所述第一软体管内，并将所述第二液态导电介质填充在所述第二软体管内；
将所述第一电极和所述第二电极分别连接在所述第一软体管的两端，并将所述第三电极和所述第四电极分别连接在所述第二软体管的两端；
将所述第一电极与第三电极电连接，并将所述第二电极和所述第四电极电连接，得到所述传感器。
一种压力测量方法，其中，所述压力测量方法采用如上述任意一项所述液态金属柔性压力触觉和应变传感器进行测量；所述压力测量方法包括步骤：
获取所述传感器的测量电阻；
根据所述传感器的测量电阻和所述传感器的初始电阻，确定所述传感器的作用力值；其中，所述作用力值包括拉伸应变值或接触压力值。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的方法的步骤。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的方法的步骤。
有益效果：较小作用力下，第二柔性传感组件可以实现作用力的测量且具有较高灵敏度，较大作用力下，第一柔性传感组件可以实现作用力的测量且具有较高灵敏度，从而实现在较大量程上都能具有较高灵敏度，实现传感器兼容大量程和高灵敏度。
附图说明
图1是本发明中压力测量方法的流程图。
图2是本发明中液态金属柔性压力触觉和应变传感器的结构示意图。
图3是本发明中液态金属柔性压力触觉和应变传感器的电路原理图。
图4是本发明中液态金属柔性压力触觉和应变传感器的制备流程图。
图5是本发明中液态金属柔性压力触觉和应变传感器的实物照片。
图6是本发明中人接触压力下液态金属柔性压力触觉和应变传感器的测量示意图。
图7是本发明中车接触压力下液态金属柔性压力触觉和应变传感器的测量示意图。
图8是本发明中液态金属柔性压力触觉和应变传感器的拉伸应变示意图。
图9是本发明中液态金属柔性压力触觉和应变传感器的拉伸应变安装示意图。
附图标记说明：
10、第一软体管；11、第一电极；12、第二电极；20、第二软体管；21、第三电极；22、第四电极；30、焊锡。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。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。
请同时参阅图2-图9，本发明提供了一种液态金属柔性压力触觉和应变传感器的一些实施例。
如图2-图3所示，本发明的液态金属柔性压力触觉和应变传感器，包括：
并联的第一柔性传感组件和第二柔性传感组件；所述第一柔性传感组件的电阻小于所述第二柔性传感组件的电阻；
其中，所述第二柔性传感组件缠绕连接在所述第一柔性传感组件上；
所述第一柔性传感组件和所述第二柔性传感组件可拉伸形变以改变所述传感器的电阻；或
所述第一柔性传感组件和所述第二柔性传感组件可受压形变以改变所述传感器的电阻。
值得说明的是，柔性传感器组件（即第一柔性传感组件和第二柔性传感组件）在拉伸形变或受压形变中可以改变传感器的电阻，由于电阻较小的第二柔性传感组件缠绕连接在电阻较大的第一柔性传感组件上，在拉伸形变或受压形变时，第一柔性传感组件和第二柔性传感组件的形变量不同，电阻的改变量也不同，例如，传感器受压力较小时，虽然第一柔性传感组件的形变量较小，电阻的改变量较小，但是缠绕在外的第二柔性传感组件优先受到接触压力，第二柔性传感组件的形变量较大，电阻的改变量较大，可以测量较小的接触压力；传感器受压力增长较大时，虽然第二柔性传感组件的形变量有限，电阻的改变量也有限，在压力增长较大下，形变量无法继续增加，电阻的改变量无法继续增加，但是第一柔性传感组件的形变量增大，电阻的改变量增大，可以测量较大的接触压力。由于第一柔性传感组件和第二传感组件是并联的，第一柔性传感组件的电阻的改变和第二柔性传感组件的电阻的改变都会改变传感器的电阻，因此，可以根据传感器的电阻检测拉伸应变的大小或接触压力的大小。较小作用力下，第二柔性传感组件可以实现作用力的测量且具有较高灵敏度，较大作用力下，第一柔性传感组件可以实现作用力的测量且具有较高灵敏度，从而实现在较大量程上都能具有较高灵敏度，实现传感器兼容大量程和高灵敏度。
需要说明的是，本发明中传感器既可以测量接触压力，又可以测量拉伸应变，扩展了传感器的应用范围。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述第一柔性传感组件包括：
第一软体管10；
第一液态导电介质，填充在所述第一软体管10内；
第一电极11和第二电极12，分别设置在所述第一软体管10两端；
其中，所述第一电极11、所述第二电极12均与所述第一液态导电介质接触；
所述第一软体管10可拉伸形变以改变所述第一软体管10的长度；和/或
所述第一软体管10可受压形变以改变所述第一软体管10的横截面积。
具体地，如图2-图5所示，第一软体管10内形成通孔，第一软体管10内填充有第一液态导电介质，第一液态导电介质可以导电。由于第一液态导电介质的电阻与电阻率、长度成正比，与截面积成反比，第一软体管10受压形变时，横截面积减小，则电阻增大；第一软体管10拉伸形变时，长度增加，则电阻增加。
如图6和图7所示，通孔的直径根据需要设定，在作用力较大时，传感器的电阻主要与第一软体管10的形变有关，通过检测传感器的测量电阻，并通过测量电阻和传感器的原始电阻，可以得到传感器的电阻的改变量，通过电阻的改变量，可以确定第一软体管10的直径或长度的改变量，通过第一软体管10的直径或长度的改变量和第一软体管10的弹性系数，可以得到第一软体管10受到的接触压力或拉伸应变。传感器在人体重量或车的重量之下，仍然能够进行测量，说明传感器的抗载能力较强。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述第二柔性传感组件包括：
第二软体管20；其中，所述第二软体管20的直径小于所述第一软体管10的直径，所述第二软体管20缠绕连接在所述第一软体管10上；
第二液态导电介质，填充在所述第二软体管20内；
第三电极21和第四电极22，分别设置在所述第二软体管20两端；
其中，所述第三电极21、所述第四电极22均与所述第二液态导电介质接触；
所述第一电极11与所述第三电极21电连接，所述第二电极12与所述第四电极22电连接；
所述第二软体管20可拉伸形变以改变所述第二软体管20的长度；和/或
所述第二软体管20可受压形变以改变所述第二软体管20的横截面积。
如图2和图4所示，第二软体管20内形成通孔，第二软体管20内填充有第二液态导电介质，第二液态导电介质可以导电。由于第二液态导电介质的电阻与电阻率、长度成正比，与截面积成反比，第二软体管20受压形变时，横截面积减小，则电阻增大；第二软体管20拉伸形变时，长度增加，则电阻增加。采用焊锡30连接第一电极11和第三电极21，并采用焊锡30连接第二电极12和第四电极22，从而实现第一柔性传感组件和第二柔性传感组件的并联，以得到传感器。
如图3所示，各部件的电阻如下：第一电极的电阻R1、第二电极的电阻R2，第一液态导电介质的电阻Ra、第三电极的电阻R3、第四电极的电阻R4、第二液态导电介质的电阻Rb。传感器的电阻R满足如下关系1/R=1/（R1+R2+Ra）+1/（R3+R4+Rb），Ra或Rb增大时，R会增大，Ra或Rb减小时，R会减小。
如图8和图9所示，通孔的直径根据需要设定，在作用力较小时，传感器的电阻主要与第二软体管20的形变有关，通过检测传感器的测量电阻，并通过测量电阻和传感器的原始电阻，可以得到传感器的电阻的改变量，通过电阻的改变量，可以确定第二软体管20的直径或长度的改变量，通过第二软体管20的直径或长度的改变量和第二软体管20的弹性系数，可以得到第二软体管20受到的接触压力或拉伸应变。
当作用力介于较大作用力和较小作用力之间时，传感器的电阻与第一软体管10的形变、第二软体管20的形变均有关，同样可以通过检测传感器的测量电阻，最终得到传感器受到的接触压力或拉伸应变。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图4所示，所述第一液态导电介质采用第一液态金属；和/或所述第二液态导电介质采用第二液态金属。
具体地，液态导电介质可以有多种，例如采用液态金属，含有导电介质的溶液等。第一液态导电介质可以采用第一液态金属，第二液态导电介质可以采用第二液态金属，第一液态金属和第二液态金属可以相同，也可以不相同。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述第一液态金属包括不同比例的镓、铟以及锡；和/或所述第二液态金属包括不同比例的镓、铟以及锡。具体地，液态金属包括但不限于同一比例的镓、铟以及锡。例如，液态金属中含68.5wt%镓、21.5wt%铟、10wt%锡。在室温下可以流动的液体合金，具有很好的流动性和导电性能。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述第一软体管10采用软体硅胶管；和/或所述第二软体管20采用软体硅胶管。
具体地，第一软体管10和第二软体管20均采用软体硅胶管，从而可以实现第一软体管10和第二软体管20的柔性。采用软体硅胶管，可以降低传感器的成本。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图2和图4所示，所述第一电极11、所述第二电极12分别与所述第一软体管10两端的开口密封连接；和/或
所述第三电极21、所述第四电极22分别与所述第二软体管20两端的开口密封连接。
具体地，为了防止第一软体管10内第一液态导电介泄漏，将第一电极11、第二电极12分别与第一软体管10两端的开口密封连接。为了防止第二软体管20内第二液态导电介质泄漏，将第三电极21、第四电极22分别与第二软体管20两端的开口密封连接。
基于上述任意一实施例的液态金属柔性压力触觉和应变传感器，本发明提供了一种液态金属柔性压力触觉和应变传感器的制备方法的较佳实施例：
如图4所示，液态金属柔性压力触觉和应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤A100、提供第一软体管、第二软体管、第一液态导电介质、第二液态导电介质、第一电极、第二电极、第三电极以及第四电极。
具体地，先准备好第一软体管、第二软体管、第一液态导电介质、第二液态导电介质、第一电极、第二电极、第三电极以及第四电极。
步骤A200、将所述第二软体管缠绕连接在所述第一软体管上。
具体地，将第二软体管缠绕连接在第一软体管上，在缠绕时，在第一软体管和第二软体管接触处涂覆液体硅胶，缠绕完后加热固化，使得第一软体管和第二软体管连接在一起。当然在缠绕之前，还可以对第一软体管和第二软体管采用腐蚀剂进行腐蚀，以便采用液体硅胶连接两者时，更牢固。
需要说明的是，第一软体管和第二软体管形成的结构，还可以采用其它制作方式得到，例如，采用3D打印的方式得到，当然还可以采用其它方式，如模具铸造、激光切割、光刻工艺等。
步骤A300、将所述第一液态导电介质填充在所述第一软体管内，并将所述第二液态导电介质填充在所述第二软体管内。
具体地，将第一液态导电介质注入到第一软体管内，并将第二液态导电介质注入第二软体管内，为了避免第一液态导电介质从第一软体管中流出，且避免第二液态导电介质从第二软体管中流出，可以将第一软体管和第二软体管弯曲成U形，第一软体管两端的开口向上且平齐，则注入第一液态导电介质和第二液态导电介质后，不会流出。
步骤A400、将所述第一电极和所述第二电极分别连接在所述第一软体管的两端，并将所述第三电极和所述第四电极分别连接在所述第二软体管的两端。
具体地，将第一电极和第二电极分别连接在第一软体管的两端，并将第三电极和第四电极分别连接在第二软体管的两端，具体先在第一电极和第二电极上涂覆液体硅胶，并将第一电极和第二电极插入到第一软体管内，从而使得第一电极、第二电极分别与第一软体管密封连接。然后在第三电极和第四电极上涂覆液体硅胶，并将第三电极和第四电极插入到第二软体管内，从而使得第三电极、第四电极分别与第二软体管密封连接。
步骤A500、将所述第一电极与第三电极电连接，并将所述第二电极和所述第四电极电连接，得到所述传感器。
具体地，将第一电极和第三电极电连接，并将第二电极和第四电极电连接。需要说明的是，这里第一电极和第三电极为传感器同一侧的两个电极，第二电极和第四电极为传感器同一侧的两个电极。具体可以采用焊锡连接第一电极和第三电极，并采用焊锡连接第二电极和第四电极，从而实现第一柔性传感组件和第二柔性传感组件的并联，以得到传感器。
基于上述任意一实施例的液态金属柔性压力触觉和应变传感器，本发明采用该传感器进行测量，提供了一种压力测量方法的较佳实施例：
如图1所示，本发明的压力测量方法，包括以下步骤：
步骤S100、获取所述传感器的测量电阻。
具体地，测量传感器的电阻，得到测量电阻。
步骤S200、根据所述传感器的测量电阻和所述传感器的初始电阻，确定所述传感器的作用力值；其中，所述作用力值包括拉伸应变值或接触压力值。
具体地，传感器受到的作用力可以是拉伸力或接触压力。通过传感器的测量电阻和初始电阻，确定传感器的拉伸应变值或接触压力值。
步骤S200具体包括：
步骤S210、根据传感器受到的作用力的类型，确定该作用力的类型对应的电阻改变量与作用力的关系；其中，所述作用力的类型包括：拉伸应变或接触压力；
步骤S220、传感器的测量电阻和传感器的初始电阻，确定传感器的电阻的改变量。
步骤S220、根据电阻的改变量和电阻改变量与作用力的关系，确定传感器的作用力值。
具体地，通过测量电阻减去初始电阻得到电阻的改变量，电阻的改变量与作用力呈正比，则可以通过电阻的改变量得到作用力值。
需要说明的是，由于作用力不同，电阻的改变量与作用力呈正比的关系略有不同，因此，先根据作用力的类型，确定对应的电阻改变量与作用力的关系，作用力为拉伸应变时，则对应的电阻改变量与作用力的关系为电阻改变量与拉伸应变的关系；作用力为接触压力时，则对应的电阻改变量与作用力的关系为电阻改变量与接触压力的关系。然后再根据电阻的改变量和电阻改变量与作用力的关系，确定传感器的作用力值，从而可以提高不同作用力的测量的准确性。
基于上述任意一实施例的压力测量方法，本发明还提供了一种计算机设备的较佳实施例：
计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
获取所述传感器的测量电阻；
根据所述传感器的测量电阻和所述传感器的初始电阻，确定所述传感器的作用力值；其中，所述作用力值包括拉伸应变值或接触压力值。
基于上述任意一实施例的压力测量方法，本发明还提供了一种计算机可读存储介质的较佳实施例：
计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
获取所述传感器的测量电阻；
根据所述传感器的测量电阻和所述传感器的初始电阻，确定所述传感器的作用力值；其中，所述作用力值包括拉伸应变值或接触压力值。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种液态金属柔性压力触觉和应变传感器，其特征在于，包括：
并联的第一柔性传感组件和第二柔性传感组件；所述第一柔性传感组件的电阻小于所述第二柔性传感组件的电阻；
其中，所述第二柔性传感组件缠绕连接在所述第一柔性传感组件上；
所述第一柔性传感组件和所述第二柔性传感组件可拉伸形变以改变所述传感器的电阻；或
所述第一柔性传感组件和所述第二柔性传感组件可受压形变以改变所述传感器的电阻；
在拉伸形变或受压形变时，所述第一柔性传感组件和所述第二柔性传感组件的形变量不同，电阻的改变量也不同；
所述第一柔性传感组件包括：
第一软体管；
第一液态导电介质，填充在所述第一软体管内；
第一电极和第二电极，分别设置在所述第一软体管两端；
其中，所述第一电极、所述第二电极均与所述第一液态导电介质接触；
所述第一软体管可拉伸形变以改变所述第一软体管的长度；和/或
所述第一软体管可受压形变以改变所述第一软体管的横截面积；
所述第二柔性传感组件包括：
第二软体管；其中，所述第二软体管的直径小于所述第一软体管的直径，所述第二软体管缠绕连接在所述第一软体管上；
第二液态导电介质，填充在所述第二软体管内；
第三电极和第四电极，分别设置在所述第二软体管两端；
其中，所述第三电极、所述第四电极均与所述第二液态导电介质接触；
所述第一电极与所述第三电极电连接，所述第二电极与所述第四电极电连接；
所述第二软体管可拉伸形变以改变所述第二软体管的长度；和/或
所述第二软体管可受压形变以改变所述第二软体管的横截面积。
2.根据权利要求1所述的液态金属柔性压力触觉和应变传感器，其特征在于，所述第一液态导电介质采用第一液态金属；和/或
所述第二液态导电介质采用第二液态金属。
3.根据权利要求2所述的液态金属柔性压力触觉和应变传感器，其特征在于，所述第一液态金属包括不同比例的镓、铟以及锡；和/或
所述第二液态金属包括不同比例的镓、铟以及锡。
4.根据权利要求1所述的液态金属柔性压力触觉和应变传感器，其特征在于，所述第一软体管采用软体硅胶管；和/或
所述第二软体管采用软体硅胶管。
5.根据权利要求1所述的液态金属柔性压力触觉和应变传感器，其特征在于，所述第一电极、所述第二电极分别与所述第一软体管两端的开口密封连接；和/或
所述第三电极、所述第四电极分别与所述第二软体管两端的开口密封连接。
6.一种如权利要求1-5任意一项所述的液态金属柔性压力触觉和应变传感器的制备方法，其特征在于，包括步骤：
提供第一软体管、第二软体管、第一液态导电介质、第二液态导电介质、第一电极、第二电极、第三电极以及第四电极；
将所述第二软体管缠绕连接在所述第一软体管上；
将所述第一液态导电介质填充在所述第一软体管内，并将所述第二液态导电介质填充在所述第二软体管内；
将所述第一电极和所述第二电极分别连接在所述第一软体管的两端，并将所述第三电极和所述第四电极分别连接在所述第二软体管的两端；
将所述第一电极与第三电极电连接，并将所述第二电极和所述第四电极电连接，得到所述传感器。
7.一种压力测量方法，其特征在于，所述压力测量方法采用如权利要求1-5任意一项所述液态金属柔性压力触觉和应变传感器进行测量；所述压力测量方法包括步骤：
获取所述传感器的测量电阻；
根据所述传感器的测量电阻和所述传感器的初始电阻，确定所述传感器的作用力值；其中，所述作用力值包括拉伸应变值或接触压力值。
8.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求7所述方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求7所述的方法的步骤。
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