[发明专利]基于压阻式和电容式组合的柔性三维力触觉传感器

说明书

技术领域

本发明涉及柔性三维力触觉传感器，尤其是涉及一种基于压阻式和电容式组合的柔性三维力触觉传感器。

背景技术

触觉传感器是机器手获取触觉信息不可缺少的手段，根据触觉传感器提供的信息，机器人可对目标物体进行可靠抓取，并可进一步感知它的大小、形状、轻重、软硬等物理特性。能粘贴在表面为非平面的物体上并准确检测三个方向接触力的柔性三维力触觉传感器阵列，即智能皮肤成为机器手获取全方位握力、力矩、滑动等信息的重要工具。

近年来，“机器人柔性触觉敏感皮肤”已成为智能机器人触觉传感技术领域新的研究热点，具有感知功能的机器人柔性触觉皮肤可以增强其在各种环境下完成精细、复杂作业的能力，提高机器人系统的作业水平和智能化水平，对高级服务机器人、空间机器人以及危险环境下的精密操作微驱动机器人等都将产生重要的影响。因此，研究能检测三维力，且具有类似于皮肤弹性的柔性触觉传感器成为智能机器人传感器进一步发展的重要技术。

电容式柔性触觉传感器具有高灵敏度、动态性能好等特点，有着广泛的应用。但是就目前已知研发出来的电容式柔性触觉传感器，其电容电极板都是水平布置的。如中国国家发明专利（申请号201210037651.9）公开了一种基于压阻式和电容式的仿生柔性触觉传感器阵列。该传感器从下至上由柔性基底层、电容层、压阻层和表面封装层构成。电容式力敏感层的下层为电容下极板，上层构成电容上极板，中间为具有表面图案的PDMS介电层。当该传感器贴附在机器人的金属部件上时，由于金属表面寄生电容的存在，容易产生电容耦合干扰，影响触觉传感器的三维力测量精确度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于压阻式和电容式组合的柔性三维力触觉传感器，能够可靠地附在各种曲面上，其中，电容电极板竖直布置，可以减少表面金属所造成的电容耦合的干扰，实现对三维力的精确测量，同时具有静态性和动态性俱佳的特点。

本发明采用的技术方案是：

本发明从下至上依次由弹性基底层、柔性电路下层、四周填充有柔性填充物的三维力敏感阵列、柔性电路上层以及弹性凸起层构成。

所述弹性基底层是一层平板状的树脂层。

所述柔性电路下层，是嵌有导电橡胶线的平板状的树脂层，导电橡胶线与三维力敏感阵列相对应，并与力敏感应变片电气连通。

所述四周填充有柔性填充物的三维力敏感阵列，是由2×2以上结构相同的三维力敏感单元构成：均包括呈立体中空状的硅基体、绝缘弹性体、四块敏感电极板、中心敏感电极柱和力敏感应变片；绝缘弹性体位于硅基体的中心腔的底部；四块敏感电极板呈正方形分布，竖直粘结在硅基体的内表面，并与硅基体的上表面对齐；中心敏感电极柱竖直粘结在绝缘弹性体上面，中心敏感电极柱的四个侧表面分别与各自敏感电极板正对，形成四组感应电容；力敏感应变片贴在绝缘弹性体一个侧面；中心敏感电极柱和敏感电极板之间留有间隙，置有柔性填充物。

所述柔性电路上层呈等厚度的立体凸起状，立体凸起结构与三维力敏感单元个数相同，立体凸起结构上开有供中心敏感电极柱穿过的孔，柔性电路上层的上表面的导电橡胶线与三维力敏感阵列相对应，并与中心敏感电极柱的上表面进行电气连通；柔性电路上层的下表面的导电橡胶线正交方向排列，分别与四块敏感电极板的上表面进行电气连通。

所述弹性凸起层是一层等厚度的立体凸起状薄膜，立体凸起结构与三维力敏感单元个数相同，弹性凸起层与柔性电路上层紧密贴合。

通过中心敏感电极柱水平移动改变四组感应电容的电极板间距，电容值随之发生变化，用于检测水平切向力。通过中心敏感电极柱将竖直方向的力传导到绝缘弹性体上，力敏感应变片随之伸缩变形，电阻值发生变化，用于检测竖直法向力。

本发明具有的有益效果是：

1）由于三维力传感器采用单晶硅材料并通过MEMS工艺制造而成，因此每个三维力敏感单元尺寸小，因而能够实现较高的触觉空间分辨率，并且检测精度高。

2）弹性凸起层位于三维力传感器的最外层，表面具有微型凸起结构，这种设计不仅保护传感器内部的电子器件和线路，而且有效地提高传感器的力学灵敏度。

3）三维力敏感单元的敏感电极板和中心敏感电极柱之间留有微小间隙，置有柔性填充物。当中心敏感电极柱发生水平移动时，能够有效吸收冲击力，并保持电容板间一直存在间距。

4）三维力触觉传感阵列中既有适合于测量静态力的压阻式力敏感应变片，又具有适应于测量瞬变力的电容结构，能满足静态力与瞬变力的测量要求，具有良好的综合能力。