[发明专利]一种三维力柔性传感器

说明书

本发明公开了一种三维力柔性传感器，属于传感器技术领域，包括包括柔性基底和微结构，其中柔性基底包括保护夹层、以及放置在保护夹层内且呈阵列式分布的至少三个压敏单元，压敏单元的行列之间由导线连接；微结构包括支撑板，支撑板的上表面设有受力凸块、下表面设有与压敏单元数量相同的支撑柱，支撑柱与支撑板之间为倾斜安装，支撑柱的下端面平齐且分别与压敏单元对应布置。受力时，通过四个支撑柱传递至压敏单元，压敏单元所受作用力方向为倾斜方向，引起压敏单元电阻产生变化的只有正压力。变化的电阻可通过扫描获得，根据理论推导可求得柔性传感器单元所受三维力的大小和方向，如此减少维间耦合度，降低解耦难度。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种三维力柔性传感器。

背景技术

在精密作业过程中，触觉是人类和智能机器人环境信息感知的重要组成部分。触觉包括接触力、大小、振动、温度、质感等主要感知形式，反映了周围环境和作用对象的状态信息，因而触觉传感器成为机器人与外界对象直接作用的必要媒介。特别是柔性多维触觉传感器，可弯曲成各种非平面形状作为机器人的柔性敏感皮肤，在医疗、航天、农业等非结构化环境中具有广泛应用。

中国专利公开号为CN106017752A公开的柔性多维力传感器，通过检测压力传感单元受力后电压的变化值，获取柔性多维力传感器表面收到的三维力。但该传感器结构中的金属连接件与主体硅胶之间无法紧密贴合，结构不够优化，精度不够。

中国专利公开号为CN103954382A公开的一种变介质式电容柔性三维力触觉传感器中符合多变介质层受力产生形变，通过测量传感器中的四个有效电容的变化值来实现对三维力的检测。该电容传感器具有一定的柔性，可调节三维力的量程和灵敏度，但是电容值容易受到寄生电容、外界环境噪声等干扰，三维力检测结果不准确。

中科院合肥智能机械研究所的孙鑫等研制出的一种三维力柔性触觉传感器阵列，行列扫描测量微结构中导电橡胶柱形体的电阻值，通过解耦得出作用在传感器上的三维力。但是该柔性传感器结构对解耦算法要求较高，解耦纬度和难度大，降低了解耦效率且精度不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维力柔性传感器，减小维间耦合度，降低解耦难度。

为实现以上目的，本发明采用一种三维力柔性传感器，包括柔性基底和微结构，其中柔性基底包括保护夹层、以及放置在保护夹层内且呈阵列式分布的至少三个压敏单元，压敏单元的行列之间由导线连接；微结构包括支撑板，支撑板的上表面设有受力凸块、下表面设有与压敏单元数量相同的支撑柱，支撑柱与支撑板之间为倾斜安装，支撑柱的下端面平齐且分别与压敏单元对应布置。

优选地，所述支撑柱的柱身均沿所述支撑板板面向外倾斜，且每个支撑柱柱身与所述支撑板板面之间倾斜的角度相同。

优选地，所述与压敏单元数量相同的支撑柱呈中心对称。

优选地，所述的支撑柱为四棱柱。

优选地，所述受力凸块为弧形凸块。

优选地，所述至少三个压敏单元呈三角形、矩形矩阵或环形矩阵分布，各压敏单元的行列之间通过与压敏单元相同阵列分布的导线连接。

优选地，所述保护夹层包括上薄膜和下薄膜，所述压敏单元布置在上薄膜和下薄膜之间。

优选地，所述压敏单元由具有压阻效应的柔性应变材料制备。

优选地，所述上薄膜和下薄膜的材质为PET或PVC或硅橡胶，且厚度均为5μm～50μm。

优选地，所述微结构的总高度为0.1mm～1mm、总边长为0.5mm～5mm，且微结构采用橡胶材料制备。