[发明专利]一种基于仿生机理的双层触觉传感器

说明书

一种基于仿生机理的双层触觉传感器，包括上层压阻式触觉传感器和下层电容式触觉传感器以及中间的硅橡胶隔离层，其中压阻式触觉传感器采用金字塔微结构，电容式触觉传感器采用细孔微针结构，一个电容式触觉传感器搭载四个压阻式触觉传感器。本发明将适用于低频响应的压阻式触觉传感器和适用于高频响应的电容式触觉传感器结合在一起，实现了对静态力和不同频率范围内的动态力的共同检测；结合两种感知机理的优势，弥补了单层触觉传感器在稳定性、鲁棒性等方面可能存在的不足，提高了传感器的性能；压阻式触觉传感器的金字塔阵列结构提高了传感器的灵敏度和测量范围；电容式触觉传感器的细孔微针结构提高了传感器的重复性和稳定性。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，特别是涉及一种基于仿生机理的双层触觉传感器。

背景技术

人的皮肤主要由表皮、真皮和皮下组织三部分组成。在皮肤的不同深度下分布着不同的触觉感受器。这些感受器通过接收外界刺激，将物理能量转化为神经化学能量后，传达给大脑的神经中枢，从而感知皮肤所接触物体的具体特征，如材质、形状、温度等。其中，位于表层皮肤的迈斯纳小体和默克尔细胞可分别对低频动态范围内(0.4～40Hz)的刺激进行快响应和慢响应；而位于皮肤深层的环层小体和鲁菲尼小体可分别对高频动态范围(40～500+Hz)的刺激进行快响应和慢响应。但人体皮肤的感受器只能对物体进行定性感知，无法定量判断出物理量数值。若以人体触觉感知机理为原理，通过敏感材料和特殊结构，设计基于仿生机理的触觉传感器，便可对外界的环境进行定量感知。目前，国内外对基于仿生机理的多层触觉传感器研究较少。

触觉传感器是机器人触觉感知技术的重要组成部分。机器人通过在表面安装的触觉传感器实现对环境的全面有效感知。从上个世纪中后期，人们就展开了对触觉传感技术的研究与探索。目前，按照感应原理的不同，可分为压阻式、电容式、压电式、光电式、磁敏式等触觉传感器。利用不同原理制作的传感器各有其优点和缺点。如压阻式触觉传感器通常频率响应高、空间分辨率高、噪音干扰小，但测量范围小，回滞性和重复性差，适用于对低频动态范围内力的检测；而电容式触觉传感器灵敏度高、空间分辨率高、动态范围大，但存在寄生电容，且对噪声敏感，适用于对高频动态范围内力的检测。同一原理不同结构的传感器性能也有差异。金字塔结构的压阻式传感器具有更高的灵敏度，能检测微小的力；细孔微针结构提高了电容式传感器的重复性和稳定性。若将金字塔结构的压阻式触觉传感器与细孔微针结构的电容式触觉传感器相结合，便能充分发挥两种传感器的优点，弥补各自的不足，提高传感器的性能；同时实现对静态力与动态力的共同检测，感知不同频率范围内的动态力。

因此有人于20190624申请专利名称双模传感单元和双模传感器，申请号为CN201910549278.7，改专利双模传感单元包括屏蔽层、压敏导电层、电容感应层和柔性凸起层；屏蔽层与压敏导电层固定连接，屏蔽层接地设置；压敏导电层包括传导电极和压阻敏感层；压阻敏感层设有凸起微结构；电容感应层包括第一柔性基底、发射电极和接收电极；发射电极、接收电极固定在第一柔性基底的底面，且发射电极和接收电极上下分层设置，发射电极与凸起微结构导通连接；柔性凸起层与第一柔性基底固定连接，柔性凸起层的上端面设有应力收集凸起。双模传感单元同时具备接近觉和触觉传感的功能；双模传感器由多个双模传感单元矩阵排布而成，并且相互之间通过柔性基底连接，具备良好的柔性，其内部线路简洁，该专利从上到下是柔性凸起层、电容感应层、压敏导电层和屏蔽层，利用电容式触觉传感器的高灵敏度和压阻式触觉传感器的较大测量范围，使传感器同时具备接近觉和触觉传感的功能，但是没有采用仿照人皮肤的生理结构，因此不适用于对静态和低频动态范围内力进行检测，也不适用于对高频动态范围内力进行检测。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供一种基于仿生机理的双层触觉传感器，具有灵敏度高、测量范围广、重复性和稳定性好的优点，能同时对静态力和动态力进行检测，对低频动态力与高频动态力进行检测；为达此目的，本发明提供一种基于仿生机理的双层触觉传感器，其特征在于：包括上层压阻式触觉传感器和下层电容式触觉传感器以及中间的硅橡胶隔离层；