[发明专利]一种基于球曲面电极的全柔性电容式三维力触觉传感器

说明书

一种基于球曲面电极的全柔性电容式三维力触觉传感器，包括“倒蘑菇型”触头、半圆形凸槽、柔性球曲面公共电极、柔性矩形激励电极和柔性基底；柔性基底整体呈无盖圆柱形状，作为底部支撑，“倒蘑菇型”触头为顶部覆盖，两者以半圆形凸槽连接，内部形成空气腔；空气腔内粘接有柔性球曲面公共电极和四个柔性矩形激励电极；柔性球曲面公共电极镶嵌在“倒蘑菇型”触头下表面，并设置于四个柔性矩形激励电极的中心；四个柔性矩形激励电极间隔均匀地排布在柔性基板上；柔性球曲面公共电极与柔性矩形激励电极构成四个呈空间立体分布的电容。本发明具有更高的检测灵敏度及更快的响应速度，可作为柔性电子皮肤应用于人机交互、智能机器人、医疗康复等研究领域。

技术领域

本发明涉及一种三维力触觉传感器，尤其是一种基于球曲面电极的全柔性电容式三维力触觉传感器，主要应用于机器人及医学研究领域，用于对外力大小及方向的感知，属于机器人和医疗研究器材与传感器相结合的技术领域。

背景技术

近年来，随着科技研发的深入和智能化的推进，智能机器人在越来越多的领域得到应用，其智能化和精细化程度也在不断提高。触觉感知是机器人实现高度智能化的重要一步，但是现有大部分触觉传感器并不能满足触觉感知的应用要求，因此触觉传感器的研究显得尤为重要。作为触觉传感器的一个分支，柔性三维力触觉传感器也受到国内外研究学者的广泛关注。与人类皮肤功能类似，三维力触觉传感器可以同时感知所受到的法向力和切向力，应用于机器人和医疗器械等方面可帮助其完成各种精细化的操作。

柔性三维力触觉传感器基于其柔性和快速响应特性，能够作用于大多数复杂环境中,并且能够快速准确地感知外界环境，将其应用于机器人和医疗器械中，在多种领域中可以得到广泛使用。例如，将柔性三维力触觉传感器应用于机器人电子皮肤中，通过感知外界环境，进行握手、抓取等“类人”动作；将柔性三维力触觉传感器应用于微操作机器人，进行微创，缝合等手术，降低手术风险；将柔性三维力触觉传感器应用于智能假肢中，提高残疾人的自理能力，进行正常人的生活等。因此，柔性三维力触觉传感器在未来社会中会快速发展，并逐渐渗入到我们的生活中，成为必不可少的一部分。

在国外的相关研究中，Lucie Viry等人设计了一种三维力触觉传感器，该传感器用聚二甲基硅氧烷作为基底、导电织布作为电极、空气和氟硅酮作为介电层，原理较为简单，通过改变上下极板间的距离和正对面积来改变电容值，从而实现三维力的感知。Soonjae Pyo等人提出了一种基于丝网印刷的碳纳米管聚合物复合材料的柔性三维力触觉传感器，该传感器主要由一个触头，四个传感单元和一个柔性基板组成，采用丝网印刷技术，将复合材料直接图案化印在柔性基板上，通过比较其电阻的变化来检测所受力的大小和方向。Tomoya Fujihashi提出了一种具有多个凸点和高密度微悬臂梁的触觉传感器，该传感器可以根据物体的形状和接触角来实现更灵活的抓取控制，分别用三个微悬臂嵌入到三个聚二甲基硅氧烷(PDMS)凸块中，由于悬臂梁上的应变计在碰撞下的电阻变化很大程度上取决于每个碰撞的接触/非接触状态，因此该传感器可以检测到接触位置，另外采用高密度微悬臂梁触觉传感器也可以检测局部或倾斜接触情况

国内也有众多高校展开了对柔性三维力触觉传感器的研究。其中，河北工业大学的孙英等人基于电场的边缘效应，采用四个叉指电容器组成了一种新型柔性三维力触觉传感器，四个感应电极和公共电极位于同一平面，介电层由气隙和聚二甲基硅氧烷(PDMS)组成，在外力作用下，介电层的等效介电常数会发生变化，从而引起电容变化，实验结果表明该传感器的灵敏度和稳定性相对于多数边缘效应触觉传感器有很大提高。合肥工业大学的聂操基于粘弹性、渗流理论以及协同效应等相关理论，以三维多孔微结构聚氨酯海绵为模板，利用浸渍包裹法制备具有优异电学性能和力学性能的三维多孔微结构复合介质层，构建一种高灵敏度电容式柔性触觉传感器。苏州大学的姚婷设计了一种基于多孔弹性体的三维力检测传感器,在测量正向压力的同时能够检测与传感器表面相切的作用力，该传感器包括四个平行板电容器,由器件的对称性获得正向力和切向力的信息，同时多孔弹性材料的引入使得传感器具有更低的材料刚度,很大程度上提高了传感器的灵敏度。