[发明专利]一种全柔性电容式触觉传感器

说明书

技术领域

本发明属于传感技术领域，涉及一种用于人工智能皮肤的全柔性电容式触觉传感器。

背景技术

触觉是智能机器人感知外界信息的一种有效途径，触觉信息感知是机器人传感技术领域中一个必不可少的环节。一个完整的触觉信息是力、软硬度、温湿度及滑移等信息量的有机融合。作为一种仿生皮肤的触觉传感器被广泛应用于智能机器人触觉感知系统中，为智能机器人在复杂多元环境下完成预定功能提供了可靠保障。常用的机器人触觉传感器种类繁多，按敏感机理不同主要分为电阻式、电容式、光电式、压电式和电感式等。

Shouher Shirafuji等人介绍了一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)的柔性压电薄膜人工皮肤，安装于机械手内表面，经可靠抓取目标物实验，验证其具备触觉检测功能。然而PVDF只能检测动态力，缺乏对静态力的感知功能。意大利的A.Cirillo等人介绍了一种基于光电技术的人工皮肤，可以实现法向力与切向力的检测。上海交通大学微纳科学技术研究院微米/纳米加工技术重点实验室的何明轩等人介绍了一种基于MEMS工艺的电容式微触觉探头，可实现精密测量。慕尼黑工业大学的Philipp Mittendorfer在印刷电路板上设计了一种正六边形的触觉传感单元，可拼接成不同大小的“人工皮肤”，实现大面积触觉感知。通常这类触觉传感器用仿生皮肤时多采用刚性基体，缺乏应有的柔性，不适合在机器人弯曲表面广泛使用。

Takashi Sagisaka等人提出了一种基于聚酰亚胺柔性基体的高密度触觉传感手套，用以检测外力分布、粗略估计力的方向及判别物体形状等。可灵活地穿戴于机器人手上实现触觉感知。然而，如果该高密度柔性触觉手套中某一部分发生破损则需要整体更换，势必加大使用成本，且可移植性与可维护性较差。

Kuniharu Takei等人于美国科学院院报提出了一种基于碳纳米管和银纳米粒子复合膜的高灵敏度电子胡须，并在半球形基体安装7个电子胡须用以实现触觉感知。可是，在大量触觉单元排列成阵列结构时存在引线繁琐，不易大规模集成等问题。三星综合技术研究院的Chwee-Lin Choong等人介绍了一种高灵敏度、高可拉伸度的压阻式传感器，由于其压阻电极共用一柔性极板，限制了其阵列化结构设计。

电容式传感器因具有体积小、灵敏度高、低噪声、低温漂及低功耗等显著优点而得到广泛应用。对于用作人工智能皮肤的触觉传感器不仅具有低成本、结构简单、稳定性高、抗干扰性强等特点外，还具备全柔性、可穿戴性、可扩展性、易维护性等特点。尤其是在服务和医疗机器人领域，这类智能机器人与人们生活密切相关，需要穿戴一些仿生皮肤确保安全人机交互。为此一种具有全柔性、可穿戴性强、可移植性好、易于维护、可拼接式的人工智能皮肤无疑是机器人传感技术领域的热点。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种全柔性电容式触觉传感器，旨在解决现有全柔性电容式触觉传感器量程与灵敏度不可调、抗干扰性差、不易阵列化等问题。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明全柔性电容式触觉传感器，其特点在于：设置一柔性基底，在其下表面设置有屏蔽层，在其上表面设置有柔性导电下极板和间隔环绕在所述柔性导电下极板外围的柔性导电上极板电极；

在所述柔性导电下极板和所述柔性导电上极板电极之间罩设有倒凹形弹性电介质层，所述弹性电介质层的凹槽底面贴合在所述柔性导电下极板的上表面，所述弹性电介质层的凸台嵌入在所述柔性导电下极板和所述柔性导电上极板电极之间，且凸台顶面贴合柔性基底；

在所述弹性电介质层外围罩设有倒凹形柔性导电上极板，所述柔性导电上极板的凸台顶面与所述柔性导电上极板电极贴合，所述柔性导电上极板的凹槽底面贴合在所述弹性电介质层的上表面；

在所述柔性导电上极板的外围罩设有倒凹形柔性保护层。

本发明全柔性电容式触觉传感器，其特征在于：所述弹性电介质层是以填充有炭黑的硅橡胶为材质，所述炭黑的质量百分比为5％～12％。

所述柔性导电上极板以有机硅导电银胶为材质。

所述柔性基底以聚酰亚胺为材质；所述柔性保护层以PDMS为材质。

本发明全柔性电容式触觉传感器的结构模型可等效为平行板电容，弹性电介质层被柔性导电上极板和柔性保护层逐层包裹，凹槽底面与柔性导电下极板贴合。全柔性电容式触觉传感器的柔性导电上极板电极与柔性导电下极板的引线设计在同一聚酰亚胺柔性基底，可灵活进行电极布线，便于阵列化结构设计。