[發明專利]基于導電織物的三維力柔性觸覺傳感器

有效

• 申請號: 201710883282.8
• 申請日: 2017-09-26
• 公開（公告）號: CN107588872B
• 公開（公告）日: 2020-03-06
• 發明（設計）人: 黃英;高樂;胡偉;郭小輝;劉彩霞;劉平
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G01L1/20
• 分類號: G01L1/20;G01L5/16
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 盧敏

本發明公開了一種基于導電織物的三維力柔性觸覺傳感器，其特征在于：在半球形柔性腔體內壁等間隔設置有4N個呈空間立體排布且由拉伸敏感導電織物構成的柔性觸覺敏感單元，并以此構建差動式三維力柔性觸覺傳感器。本發明基于導電織物的三維力柔性觸覺傳感器為電子皮膚實現高靈敏度三維力觸覺感知提供了一種可行性設計方案。

技術領域

本發明屬于傳感器領域，具體涉及一種基于導電織物的三維力柔性觸覺傳感器。

技術背景

電子皮膚(e-skin)作為一種具備高柔韌度和拉伸性、和人類皮膚的一樣可實現外界環境信息感知功能的人造柔性電子器件成為智能機器人、人機交互等領域的研究熱點。三維力觸覺傳感器能夠同時測量兩個方向以上的力或力矩分量，是智能機器人最重要的傳感器之一。隨著柔性仿生觸覺傳感器的發展、智能機器人技術的進步，對觸覺傳感器提出了更高要求，要求其既要具備人類觸覺感知的能力，又要精確地獲悉空間三維力信息。傳感器的柔性表面能使其跟物體輪廓相吻合的穩定地抓握，這對精確獲取物體的性質以及試驗性的提升有重要的作用。同時，柔性表面的緩沖作用還可減小手指表面和被抓物體的磨損。三維信息的獲取，有助于準確的獲悉作用對象的信息，提升智能機器人的操作精度。因此，兼具良好柔韌性和三維力檢測的觸覺傳感器在機器人研究領域的需求日益迫切，此外，這類傳感器在體育運動、康復醫療和人體生物力學等研究領域中也具有廣泛的應用前景。

關于三維力觸覺傳感器的研究按其傳感機理主要分為電阻式三維力觸覺傳感器和電容式三維力觸覺傳感器兩類。其中，電容式三維力觸覺傳感器通常設計為變極板間隙、極板面積型的平行電極結構，或基于同面多電極原理設計為變有效介電常數的同面多電極結構。電容式傳感器因溫度穩定性好、結構簡單、動態響應好以及可實現非接觸測量等優勢得到廣泛應用，平行板結構的電容式三維力觸覺傳感器在法向力或切向力作用下其極板間距或極板面積發生相應的變化，從而實現觸覺力感知。然而，電容式觸覺傳感器在用作電子皮膚時易受寄生電容的干擾，往往需要額外設計屏蔽措施。電阻式三維力觸覺傳感器通常設計為類似應變片工作原理或壓敏型，多選用碳系敏感材料制備力敏單元。電阻式三維力觸覺傳感器通常將電極設計在同一面，通過觸覺力傳遞觸頭聯動力敏材料形變導致輸出電阻發生變化，這類三維力觸覺傳感器集成性、靈敏度以及動態響應特性受傳感器結構和敏感材料限制較大。

傳統三維力觸覺傳感器存在彈性體結構復雜、機械加工和貼片困難、很難實現全方位機械過載保護以及動態性能較差等弊端。合肥工業大學黃英等基于柔性印刷電路板(FPCB)工藝，在聚酰亞胺柔性基體上設計同面多電極，并以空氣和PDMS為復合介質，提出了一種復合多介質的電容式三維力觸覺傳感器。Soonjae Pyo等人在聚酰亞胺柔性基本上設置同面叉指電極，采用碳納米管/硅橡膠并用制備復合彈性電介質設計三維力觸覺傳感器。法國巴黎綜合理工學院Dobrzynska等人采用金制備而成的上下叉指電極結構，上下電極之間填充硅膠為介質層，制作了一種高靈敏度的電容式三維力觸覺傳感器。Lucie Viry等人制作了一種以PDMS為基體、導電織物為電極，空氣層和氟硅酮為復合介質層的全柔性電容式三維力觸覺傳感器，在0-2KPa范圍，空氣層作為主要形變層，實現了最小分辨率為10mg及最小位移8μm的檢測。

針對傳統硅基、光電、壓電類三維力觸覺傳感器不具備柔性、易于共形等弊端，以及同面電極結構型三維力觸覺傳感器易出現在力作用下壓敏材料與電極脫離，影響傳感器穩定性以及靈敏度低等問題，國內外研究人員圍繞柔性三維力觸覺傳感器開展了廣泛研究，如何提升三維力觸覺傳感器的靈敏度成為研究熱點之一。

發明內容

為提升電子皮膚對三維力觸覺信息的感知性能，本發明提出了一種結構簡單、高靈敏度的三維力柔性觸覺傳感器結構，所要解決的問題在于在半球形腔體內壁等間隔布置若干個由拉伸敏感導電織物制成的柔性觸覺敏感單元，并以此構建差動式三維力柔性觸覺傳感器。

本發明為解決技術問題采用如下技術方案：