[发明专利]基于电容与压敏橡胶组合的三维力触觉传感单元

说明书

技术领域

本发明涉及触觉传感单元，尤其是涉及一种基于电容与压敏橡胶组合的三维力触觉传感单元。

技术背景

智能假肢与智能机器人在过去的十年间经历了很大的发展，对人工触觉感知提出了强烈的需求。通过在这些智能设备的表面集成人工触觉感知系统，能大大提高其与环境交互的能力，提供目标物体或对象的多种物理信息，如接触力的大小、柔软性、硬度、弹性、粗糙度、材质等。目前实现人工触觉感知的方法主要是通过将压力敏感构件集成在柔性的材料中，实现触觉感知单元的阵列化。利用柔性材料的可弯曲与可延展的特性，使触觉传感阵列可以安装在假肢手和智能机器人的非规则曲面上。目前触觉传感单元的实现原理主要包括：压阻式、压电式、电容式，以及基于以上几种方法的变种。压阻式是利用压力敏感材料在受到外部压力时其电阻会产生变化的特点而用于人工触觉感知当中。常见的用于触觉感知的压敏材料有应变片和导电聚合物。其中导电聚合物受益于其柔性高、可延展性强、制造简单等特点，被越来越多的人所使用。近期已经出现了可治愈式的导电聚合物，更是极大地推动了人工触觉感知的发展。对于压电式的触觉传感单元，相比于其他两种方法其最突出的特点是它的动态性能很好，因此常用于瞬态力的测量。电容式触觉传感单元，其优点是能做到很高的灵敏度，而且对温度的依赖不强。

对于触觉传感单元来说，灵敏度和测量范围是两个很重要的性能指标。但是灵敏度和测量范围是一对矛盾，两者是此消彼长的关系。目前大多数的触觉传感单元都是基于前述的其中一种原理，这样的触觉传感单元难以兼顾高灵敏度和大量程，限制了人工触觉感知在实际中的应用。因此，设计一种包含多种触觉感知原理的触觉传感单元，实现灵敏度和大量程的兼顾，变得很有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电容与压敏橡胶组合的三维力触觉传感单元，具有高灵敏度和大量程范围的特点。

本发明采用的技术方案是：

本发明的三维力触觉传感单元从上至下依次由表面PDMS凸起、第三块PI电极衬底、PDMS支撑层、电容极板层、第二块PI电极衬底和第一块PI电极衬底层叠而成；PDMS支撑层框架内的四个角分别装有由正方形浮动电极和正方形压敏橡胶构成的组件，所述每个组件中的正方形浮动电极下表面与正方形压敏橡胶上表面贴合，正方形浮动电极上表面与第三PI电极衬底下表面贴合，正方形压敏橡胶与电容极板层的距离为PDMS支撑层厚度的二分之一。

所述电容极板层包括八块三角形电容极板和两条上层条状电极；两条上层条状电极相互绝缘且平行布置，第一、第二块三角形电容极板的一直角边分别与第一条上层条状电极电气连通，第三、第四块三角形电容极板的斜边分别与第一、第二块三角形电容极板的斜边相向布置且之间存在间隙；第五、第六块三角形电容极板的一直角边分别与第二条上层条状电极电气连通，第七、第八块三角形电容极板的斜边分别与第五、第六块三角形电容极板的斜边相向布置且之间存在间隙；电容极板层贴合在第二块PI电极衬底上；每对斜边相向布置的两个三角形电容极板与各自的一个正方形浮动极板分别组成一个电容，共有四个电容。

所述第一块PI电极衬底上表面分别设有两条平行布置且相互绝缘的下层条状电极；两条下层条状电极与电容极板层上的两条上层条状电极正交布置；第三、第七块三角形电容极板分别通过位于第二块PI电极衬底上的两个PI通孔与第一块PI电极衬底上的一条下层条状电极电气连通；第四、第八块三角形电容极板分别通过位于第二块PI电极衬底上的另外两个PI通孔与第一块PI电极衬底上的另一条下层条状电极电气连通。

本发明具有的有益效果是：

1)利用电容式触觉传感的高灵敏度以及压阻式触觉传感的大量程的特点，本发明把这两种原理结合在一起，同时实现微小触碰力和较大接触力的检测。

2)本触觉传感单元把内置电容的正负两个极板设计在同一个平面上，能大大地减小电容极板在受力过程中所受的应力，避免触觉传感单元在受到较大的接触力时造成电容极板断裂。

3)通过设计一个表面PDMS凸起对应四个电容的结构，实现了三维力的检测。

4)整个触觉传感单元的制造过程简单，且其对称结构能实现多个触觉传感单元组合的阵列化。

本发明可在需要高灵敏度和大量程测量的机器人手、人工假肢、手术机械手等领域中推广应用。

附图说明

图1是本发明分层结构拆分立体图。

图2是本发明第二PI电极衬底平面图。

图3是本发明电容极板层平面图。

图4是本发明三维力触觉传感单元剖面图。