[發明專利]基于壓敏導電橡膠的柔性觸滑覺復合傳感陣列

有效

• 申請號: 201410451649.5
• 申請日: 2014-09-05
• 公開（公告）號: CN104215363A
• 公開（公告）日: 2014-12-17
• 發明（設計）人: 汪延成;席凱倫;梅德慶;梁觀浩;陳子辰
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01L1/18
• 分類號: G01L1/18
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

技術領域

本發明涉及一種復合傳感陣列，尤其是涉及機器人柔性觸覺傳感器領域的一種基于壓敏導電橡膠的柔性觸滑覺復合傳感陣列。

背景技術

柔性觸覺傳感器是人工智能假肢或機器人手獲取外界接觸信息不可缺少的手段，根據觸覺傳感器提供的信息，智能假肢或機器人手可對目標物體的大小、形狀、重量、軟硬及表面粗糙度等物理特性進行感知，以實現對目標物體的穩定抓取。物體在觸覺傳感器上的運動導致高頻率低振幅的振動被建立起來，它可以檢測和解釋物體的滑移。由于大多數基于壓敏材料的點接觸式觸覺觸感器只能檢測正向接觸力，不能準確檢測切向力，也不能辨別出相對運動與力的不同，從而無法識別物體抓取過程中的高頻率低振幅的滑移信號。

因此，研究具有高靈敏度和高分辨率的分布式柔性觸滑覺復合傳感器，使其能便捷裝載在假肢或者機器人手非規則曲面的本體上，同時能準確檢測三維接觸力和高頻率低振幅的滑移信號，是機器人智能化研究的關鍵技術，對康復工程領域具有重要意義。

現有技術中的傳感器采用壓敏導電橡膠，具有一定柔性，可以檢測三維力，但是有提出的四電極結構，其后續數據處理方法比較麻煩，而且導電橡膠陣列未做填充柔性物的處理，在彎曲面上受力時容易破壞傳感器結構。

中國國家發明專利（公開號CN201210193314.9）公開了一種仿人型機器人多手指柔性三維力觸覺傳感器及其三維力檢測系統。該傳感器采用具有量子隧道效應的壓敏復合材料Quantum?Tunneling?Composites（QTC），當QTC不受外力施壓時，其本體為絕緣體，電阻阻值高達1k?；當QTC受到外力施壓時，本體發生壓縮形變，QTC呈現導電特性，電阻阻值隨著壓力的增大而逐漸變小。該傳感器整體具有柔性，可以檢測三維力。但是該傳感器電極電路分為上下兩層，在長期受力過程中容易毀壞電路，而且未體現檢測滑移信號的功能，難以滿足智能假肢或機器人手運動反饋控制的需求。

發明內容

針對多數觸覺傳感器只能進行正向力檢測而無法同時檢測滑移的問題，本發明的目的是提出一種基于壓敏導電橡膠的柔性觸滑覺復合傳感陣列，也是一種能同時檢測三維力與滑移的分布式柔性觸滑覺復合傳感陣列，解決了多數觸覺傳感器不能同時檢測接觸力和滑移信號的問題，能夠便捷裝載在智能假肢或機器人手的非規則曲面上，用于三維接觸力和滑移信號的檢測。

本發明采用的技術方案是：

本發明包括從下至上緊密貼合的底層的柔性電極層、中間層和頂層的PDMS凸起層；中間層包括導電橡膠陣列與填充在導電橡膠陣列周圍的柔性填充物，導電橡膠陣列是由導電橡膠單元排列而成的陣列；導電橡膠單元正下方的柔性電極層上設有測試電極組，測試電極組與導電橡膠單元的陣列分布方式相同，導電橡膠單元與柔性電極層上的一組測試電極組的邊長相同；PDMS凸起層上設有與每個導電橡膠單元對應的3×3陣列式均勻分布的九個微型凸臺結構，九個微型凸臺結構形成的陣列單元位于各自對應的導電橡膠單元正上方。

所述的導電橡膠單元為正方形導電橡膠片。

所述的導電橡膠陣列通過常溫固化的柔性填充物粘結在一起形成。

所述的導電橡膠陣列為2×2以上的陣列。

所述的柔性電極層的測試電極組呈2×2以上的陣列分布。

所述的測試電極組的組數與導電橡膠陣列的導電橡膠單元個數相同。

所述的每組測試電極組均為呈正方形形狀的五電極結構，五電極結構由均勻分布在四角的四個直角三角形電極及其中心的正方形電極組成，處于中心的正方形電極作為公用電極；每行測試電極組的所有正方形電極通過并行布線方式的引線串聯連接后引出管腳，位于同一列上的測試電極組中位置相同的直角三角形電極通過并行布線方式的引線串聯連接后引出管腳，M行測試電極組由正方形電極引出M個管腳，N列測試電極組由直角三角形電極引出4N個管腳。

所述的導電橡膠陣列采用日本INABA公司生產的Inastomer導電橡膠。

所述的柔性電極層為雙面柔性電路板，采用聚酰亞胺薄膜作為基材。

本發明的有益效果是：

（1）本發明的基于壓敏導電橡膠的柔性觸滑覺復合傳感陣列可以檢測三維接觸力。此外，采用Inastomer導電橡膠，具有優良的壓阻特性、遲滯性能、及線性度，對輕微振動有良好的壓力敏感效應，可以檢測高頻率低振幅的滑移信號。