[發明專利]三維柔性觸覺傳感器陣列

有效

• 申請號: 201310037470.0
• 申請日: 2013-01-31
• 公開（公告）號: CN103134622A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發明（設計）人: 孫鑫;莊學坤;趙敏;潘宏青;王耀雄;高放;王菲露;汪玉冰;葛運建;雙豐
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01L1/18
• 分類號: G01L1/18;B25J13/08
• 代理公司: 合肥天明專利事務所 34115
• 代理人: 陳進;奚華保

技術領域

本發明屬于傳感器的制備技術，特別涉及三維柔性觸覺傳感器的陣列結構。?

背景技術

觸覺傳感器對機器人特別是服務機器人和仿人機器人的研發和應用是非常重要的，它可使機器人既能敏銳的感知外部環境，又能靈活自如的運動，實現與人安全自然的接觸交互。不僅如此，觸覺傳感器在體育訓練，康復醫療等很多方面都具有廣泛的應用。長期以來，科研界為了獲得性能優異的觸覺傳感器，做出了不懈的努力。?

中科院合肥智能機械研究所的梅濤等人申請的專利（CN1796954）“柔性三維力觸覺傳感器”中采用MEMS工藝制作，整體具有一定的柔性，可以檢測三維觸覺。但是該傳感器加工工藝復雜，缺乏高度柔性。?

西安交通大學的田疆等人研究了基于導電膠的觸覺傳感器陣列，先進行動態掃描，然后采用“位置匹配法”恢復圖像，不但可以獲得物體表面的形狀特征，還可以得到物體滑覺信息以及相對速度。但是并不能對施加的多維力進行有效測量，同時由于導電橡膠阻值的非線性特性，其精度和分辨率有待進一步提高。

中科院合肥智能機械研究所的徐菲等利用導電橡膠研制了可檢測三維力的“人工皮膚”，這是一種模擬人類皮膚組織，采用多層并聯電阻模型，通過檢測受力處節點間的并聯電阻的變化，來感知多維力信息的柔性觸覺模型。但是這種柔性多維觸覺傳感器結構對算法要求很高，解耦時間偏長，不利于實時受力檢測。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明給出一種新型的三維力柔性觸覺傳感器陣列結構，降低了解耦的維度和難度，能夠檢測出三維力的大小，并且響應時間短，結構緊湊。

本發明的技術方案如下：?

本發明的三維力柔性觸覺傳感器陣列，包括有序排列的微結構和設置在微結構端點之間的導線，微結構之間填充有絕緣橡膠或其它柔性材料；其特征在于，所述每個微結構由三段柱形體構成，其中第一段柱形體垂直放置，第二段柱形體的上端面與第一段柱形體的一個側面固定連接，夾角為30°-60°范圍內，第二段柱形體的下端面與第一段柱形體的下端面在同一個平面上；第三段柱形體的下端面與第一段柱形體的另一個側面固定連接，夾角為30°-60°范圍內，第三段柱形體的上端面與第一段柱形體的上端面在同一個平面上；第二段柱形體軸線的所在平面與第三段柱形體軸線的所在平面相互垂直；每個微結構的兩個上端面和兩個下端面的中心分別設置有電觸點，每個微結構的第一段柱形體上端面的電觸點之間及第三段柱形體上端面的電觸點之間分別有導線連接，每根導線在同一平面上并相互平行；每個微結構的第一段柱形體下端面的電觸點之間及第二段柱形體下端面的電觸點之間分別有導線連接，每根導線在同一平面上并相互平行；上下兩層上的導線相互垂直；所述每個柱形體的橫截面為正方形、圓形或者其它形狀，其橫截面積在3-9mm²，其中，垂直放置的柱形體的高度為6-10mm；所述有序排列是指微結構和微結構之間對齊排列，整體成正方形、長方形或者依據需求成其它形狀的平面分布，其中，每個垂直放置柱形體與相鄰的垂直柱形體的軸線之間的距離為12-20mm；所述微結構的柱形體由具有壓阻效應的導電橡膠或其它柔性導電材料制備，所述導線為柔性導線。

在實際制備過程中，所述由三段柱形體以連接方式構成的微結構，也可以使用模具沖壓成型而成，以簡化操作程序，減低生產成本。

本發明的三維柔性觸覺傳感器在使用過程中，當其對外受力時，其所受到的力可以分解到三個不同方向，即Z方向，X方向和Y方向上的力。該力使受力處的絕緣橡膠因受擠壓而變形，力被傳遞至微結構上，從而使位于受力處的微結構的三段導電柱體電阻值發生變化。變化的電阻值可通過分別行列掃描獲得，由于導電橡膠具有壓阻特性，可表示成電阻和壓力的狀態方程F_i=f（ΔR_i），即可得到力Fi的大小，其中的函數f由材料的物理性質決定。ΔR_i為i?方向上的柱形體的電阻變化，i?為x，?y或z。其具體解耦算法是:選定上層一根導線為基線，檢測所有第二層導線與其之間的電阻值，這些電阻分別對應到微結構的對應柱形體，形成三個電阻矩陣ΔR_x、ΔR_y、ΔR_z，分別對應垂直Z方向電阻的變化、水平X方向電阻的變化、水平Y方向電阻的變化。最后根據狀態方程F_i=f（ΔR_i）解耦出敏感單元的受力。