CN204924512U - 一种浮动电极式的三维电容触觉传感阵列 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种浮动电极式的三维电容触觉传感阵列。该传感阵列由<i>N</i>×<i>N</i>个结构和尺寸相同的正方形传感子单元组成，每个传感子单元从下至上依次由感应电极层、中心绝缘层、浮动电极层和表面层组合而成。感应电极层上表面有四个对称分布的感应电极；中心绝缘层中心位置有四个的正方形凹槽；浮动电极层下表面有一个浮动电极；表面层中心呈梯形块结构。每个硅橡胶电容式触觉传感子单元均有四个中心对称的电容单元，可以有效实现<i>X</i>-<i>Y</i>-<i>Z</i>三维压力传感，完美实现人工假肢的触觉功能重建。同时将脆弱的接口电路加工在感应电极层上，提高传感阵列的挠曲刚度，可以承受更大的拉伸与弯曲。

Description

一种浮动电极式的三维电容触觉传感阵列

技术领域

本实用新型涉及一种触觉传感阵列，尤其是涉及一种浮动电极式的三维电容触觉传感阵列。

背景技术

皮肤是人体最大的一个器官，触觉的感知又是皮肤最重要的一项功能。随着医学技术与智能机器人技术的发展，越来越多的截肢患者通过人工假肢重新实现了日常生活的自理，而重塑触觉感知，准确还原触觉信息，是实现人工假肢重建人体运动功能关键的一步。

人工假肢的触觉感知是通过触觉敏感元件来识别对象的各种物理信息，因此构建一种类似人体皮肤的触觉敏感元件实现触觉感知的需求就显得尤为重要。近年来，“机器人触觉敏感皮肤”作为一类新型的触觉敏感元件已成为机器人触觉传感技术领域研究一个新的热点。机器人触觉敏感皮肤指的是大面积、带有数据处理能力的柔性微型传感阵列，可以覆盖在机器人表面，通过传感阵列感知外部环境。

在人工假肢工作过程中，假肢表面需贴合在任意曲面上，机器人触觉敏感皮肤必须设计成柔性结构，同时能够反复的弯曲和拉伸。典型的机器人触觉敏感皮肤的采用上下两层感应电极层结构，两层感应电极层均需要加工出接口电路，由于直接接触被测对象的上感应电极层需要承受较大的弯曲和拉伸，脆弱的接口电路往往无法承受这种大变形，因此容易出现断裂等失效现象。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种浮动电极式的三维电容触觉传感阵列。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

本实用新型的传感阵列由N×N个结构和尺寸相同的正方形传感子单元组成，其中N根据被测对象的大小而定，每个传感子单元从下至上依次由感应电极层、中心绝缘层、浮动电极层和表面层组合而成。

所述感应电极层，由下接口电路层和上接口电路层组成，所述两接口电路层均以柔性印刷电路板为基底；下接口电路层下表面有两条沿Y轴方向平行分布的接口电路，上接口电路层下表面有两条沿X轴方向平行分布的接口电路；上接口电路层上表面有四个对称分布的感应电极。

所述中心绝缘层，材料为硅橡胶，中心位置有四个的正方形凹槽，中心绝缘层的下表面安装在感应电极层的上表面，四个的正方形凹槽分别位于所述各自感应电极的上表面。

所述浮动电极层，下表面中心有一个正方形浮动电极，其面积大小足以覆盖感应电极层上表面的四个感应电极，浮动电极层的下表面安装在中心绝缘层的上表面，浮动电极层以硅橡胶为基底。

所述表面层，材料为硅橡胶，表面层中心为梯形块结构，表面层的下表面安装在浮动电极层的上表面。

所述每个传感子单元中感应电极层上的四个感应电极与浮动电极层上的浮动电极构成四个独立的电容单元。

所述感应电极层上的四个感应电极分别连接各自的接口电路，并对应四个输出端口，浮动电极层上的浮动电极不连接任何接口电路，呈浮动状态。

本实用新型具有的有益效果是：

1)每个硅橡胶电容式触觉传感子单元均有四个中心对称的电容单元，可以有效实现X-Y-Z三维压力传感，除了传统的Z向压力外，X-Y方向的剪切力也可以有效测量，完美实现人工假肢的触觉功能重建。

2)浮动电极式的传感阵列设计，由基于柔性印刷电路板的感应电极层和基于硅橡胶的浮动电极层替代传统的上下两层感应电极层结构，将较为脆弱的接口电路加工在底部的感应电极层上，在一定程度上提高了浮动电极层的挠曲刚度，使得该柔性电容触觉传感阵列可以承受更大的拉伸与弯曲。

附图说明

图1是本实用新型传感阵列结构分层图。

图2是本实用新型传感子单元结构图。

图3是本实用新型传感子单元剖视图。

图4是本实用新型感应电极层结构示意图。

图5是本实用新型下接口电路仰视图。

图6是本实用新型上接口电路仰视图。

图7是本实用新型上接口电路俯视图。

图8是本实用新型中心绝缘层俯视图。

图9是本实用新型浮动电极层仰视图。

图10是本实用新型表面层主视图。

图中：1、感应电极层，2、中心绝缘层，3、浮动电极层，4、表面层，5、传感子单元，6、下接口电路层，7、上接口电路层，8、接口电路，8’、接口电路，9、感应电极，10、浮动电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1、图2所示，本实用新型的传感阵列由N×N个2000×2000μm²结构和尺寸相同的正方形传感子单元5组成，其中N根据被测对象的大小而定，每个传感子单元5从下至上依次由感应电极层1、中心绝缘层2、浮动电极层3和表面层4组合而成。

感应电极层1的结构：如图1、图3、图4、图5、图6、图7所示，以柔性印刷电路板为基底，从下至上由下接口电路层6和上接口电路层7组成，下接口电路层6的厚度为60μm，其下表面有两条沿Y轴方向平行分布的接口电路8，接口电路8的厚度为30μm，宽度为50μm，分别表示为T2和T3；上接口电路层7的厚度为90μm，下表面有两条沿X轴方向平行分布的接口电路8’,接口电路8’的厚度为30μm，宽度为50μm，分别表示为T1和T4，上接口电路层7的上表面有四个对称分布的感应电极9，感应电极9的厚度为30μm，尺寸均为400×400μm²，间距为300μm，分别表示为S1，S2，S3和S4；其中S1连接到T1，S2连接到T2，S3连接到T3，S4连接到T4。

中心绝缘层2的结构：如图1、图3、图8所示，采用硅橡胶材料制作，中心绝缘层2的厚度为15μm，中心位置加工有四个600×600μm²的正方形凹槽，四个凹槽的间距为100μm，四个的正方形凹槽分别位于所述各自感应电极的上表面，中心绝缘层2的下表面安装在感应电极层1的上表面。

浮动电极层3的结构：如图1、图3、图9所示，以硅橡胶材料为基底，下表面加工有一个正方形浮动电极10，表示为S0，浮动电极10为外围1100×1100μm²，内径为300×300μm²，厚度为10μm的正方形环，面积大小恰好覆盖感应电极层1上表面的四个感应电极9，浮动电极层3的下表面安装在中心绝缘层2的上表面上。

表面层4的结构：如图1、图3、图10所示，为硅橡胶材料，为提高传感阵列对剪切力的灵敏度，表面层中心加工为高度300μm，下底面为700×700μm²，上表面为500×500μm²的梯形块，表面层4的下表面安装在浮动电极层3的上表面上。

如图3所示，感应电极层1上的四个感应电极9和浮动电极层3上的浮动电极10构成四个独立的电容单元，其电容量分别表示为C_S1，C_S2，C_S3和C_S4。

以一个传感子单元为例，说明本实用新型的工作原理是：

浮动电极式电容触觉传感阵列可实现X-Y-Z方向的三维压力传感，当X-Y方向的剪切力作用于表面层4时，根据剪切力方向和大小的不同，每个传感子单元5的四个电容单元电容量发生相应的变化，根据电容量的不同变化可实现X-Y方向的剪切力的测量；当Z方向的压力作用于表面层4时，每个传感子单元5的四个电容单元电容量产生相同的变化，根据电容量的平均变化可以实现Z方向压力的测量。

如图3、图4所示，感应电极层1上的四片感应电极9与浮动电极3上的一片浮动电极10构成了四个独立的电容单元，由于四片感应电极结构完全相同，因此四个电容单元的电容量可以表示为：

$C_{\mathrm{Sn}}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0{A}_S}{g_n}(n=\mathrm{1,2,3,4})---\left(1\right)$

式中，ε₀表示真空介电常数，A_S表示传感子单元的极板面积，g_n表示四个电容单元各自的极板间距。

由于接口电路均加工在感应电极层1上，故检测过程中输出的并非单个电容单元的电容量，而是任意两个输出接口之间的电容量，其中T1和T2接口之间的电容量表示为C_T1，T2和T3之间的电容量表示为C_T2，T3和T4接口之间的电容量表示为C_T3，T4和T1接口之间的电容量表示为C_T4，则可以得到：

$\frac{1}{C_{T1}}=\frac{1}{C_{S1}}+\frac{1}{C_{S2}}$

$\begin{array}{c}\frac{1}{C_{T2}}=\frac{1}{C_{S2}}+\frac{1}{C_{S3}}\\ \frac{1}{C_{T3}}=\frac{1}{C_{S3}}+\frac{1}{C_{S4}}\end{array}---\left(2\right)$

$\frac{1}{C_{T4}}=\frac{1}{C_{S4}}+\frac{1}{C_{S1}}$

初始阶段，四个电容单元的电容量完全相等，当Z-向压力F_z作用于传感子单元5时，四个电容单元的极板间距发生相同的变化g_z，此时四个电容变化量也相等。当剪切力F_x作用于传感子单元时，C_S2与C_S4的极板间距减小g_x，C_S1与C_S3的极板间距增大g_x，同时由于F_x存在Z-方向的分量，四个电容单元的间距都改变kg_x，k为比例系数。当剪切力F_y作用于传感子单元时，C_S1与C_S2的极板间距减小g_y，C_S3与C_S4的极板间距增大g_y，同时四个电容单元的间距都改变kg_y。

因此，当Z-向压力与Z-Y向剪切力同时作用于传感子单元表面时，可以得到：

$C_{S1}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0{A}_S}{g_1}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0{A}_S}{g-g_z+(1-k)g_x-(1+k)g_y}$

$C_{S4}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0{A}_S}{g_4}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0{A}_S}{g-g_z+(1+k)g_x-(1-k)g_y}$

可以看到四个电容单元的电容变化量各不相同，对式(3)其进行解算，得到Z-向压力与X-Y向剪切力导致的极板间距的变化值，从而实现三维压力的检测。

浮动电极式的三维电容触觉传感阵列可以与被测对象的不规则表面完全贴合，实现X-Y-Z三维压力传感，有效重建人工假肢的触觉功能，提高测量效率和测量精度。

Claims (7)

1.一种浮动电极式的三维电容触觉传感阵列，其特征在于：该传感阵列由N×N个结构和尺寸相同的正方形传感子单元(5)组成，其中N根据被测对象的大小而定，每个传感子单元(5)从下至上依次由感应电极层(1)、中心绝缘层(2)、浮动电极层(3)和表面层(4)组合而成。

2.根据权利要求1所述的一种浮动电极式的三维电容触觉传感阵列，其特征在于：所述感应电极层(1)，由下接口电路层(6)和上接口电路层(7)组成，所述两接口电路层均以柔性印刷电路板为基底；下接口电路层(6)下表面有两条沿Y轴方向平行分布的接口电路(8)，上接口电路层(7)下表面有两条沿X轴方向平行分布的接口电路(8’)；上接口电路层(7)上表面有四个对称分布的感应电极(9)。

3.根据权利要求1所述的一种浮动电极式的三维电容触觉传感阵列，其特征在于：所述中心绝缘层(2)，材料为硅橡胶，中心位置有四个的正方形凹槽，中心绝缘层(2)的下表面安装在感应电极层(1)的上表面，四个的正方形凹槽分别位于所述各自感应电极(9)的上表面。

4.根据权利要求1所述的一种浮动电极式的三维电容触觉传感阵列，其特征在于：所述浮动电极层(3)，下表面中心有一个正方形浮动电极(10)，其面积大小足以覆盖感应电极层(1)上表面的四个感应电极(9)，浮动电极层(3)的下表面安装在中心绝缘层(2)的上表面，浮动电极层(3)以硅橡胶为基底。

5.根据权利要求1所述的一种浮动电极式的三维电容触觉传感阵列，其特征在于：所述表面层(4)，材料为硅橡胶，表面层(4)中心为梯形块结构，表面层(4)的下表面安装在浮动电极层(3)的上表面。

6.根据权利要求1所述的一种浮动电极式的三维电容触觉传感阵列，其特征在于：所述每个传感子单元(5)中感应电极层(1)上的四个感应电极(9)与浮动电极层(3)上的浮动电极(10)构成四个独立的电容单元。

7.根据权利要求4所述的一种浮动电极式的三维电容触觉传感阵列，其特征在于：所述感应电极层(1)上的四个感应电极(9)分别连接各自的接口电路，并对应四个输出端口，浮动电极层(4)上的浮动电极(10)不连接任何接口电路，呈浮动状态。