[發明專利]一種高靈敏度電容式柔性三維力觸覺傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201911132232.1
• 申請日: 2019-11-19
• 公開（公告）號: CN110793701B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發明（設計）人: 郭小輝;施榮煜;劉健;姚天揚
• 申請（專利權）人: 安徽大學
• 主分類號: G01L5/165
• 分類號: G01L5/165;B29C69/00;B29K83/00;B29L31/34
• 代理公司: 合肥國和專利代理事務所(普通合伙) 34131
• 代理人: 孫永剛

一種高靈敏度電容式柔性三維力觸覺傳感器。主要由半球型觸頭、柔性球曲面激勵電極、柔性公共電極以及柔性基底構成；柔性基底為底部支撐，半球型觸頭為頂部覆蓋，內部形成空氣腔；在空氣腔內粘接有柔性公共電極以及四個柔性球曲面激勵電極；柔性公共電極連接在半球型觸頭和柔性基底之間，并設置于四個柔性球曲面激勵電極的中心；四個柔性球曲面激勵電極間隔均勻地排布在柔性基底上，且在柔性球曲面激勵電極表面設絕緣層；柔性公共電極與柔性球曲面激勵電極構成四個呈空間立體分布的電容，整體呈倒狀“蘑菇”結構。本發明具有了更高的檢測靈敏度及更快的響應速度，可用作柔性電子皮膚應用于人機交互、智能機器人、康復醫療等領域。

技術領域

本發明涉及一種三維力觸覺傳感器，尤其是一種高靈敏度電容式柔性三維力觸覺傳感器及其制備方法，主要應用于軟體機器人電子皮膚，用于對外力方向及大小的感知，屬于軟體機器人和傳感器相結合的技術領域。

背景技術

近年來，智能機器人應用領域越來越廣泛，各種形式的柔性傳感器作為智能機器人感知外界環境的方式，其研制及應用受到了國內外學者的廣泛關注。隨著機器人工業化應用以及一些行業的高精度作業要求，對于機器人的制作要求越來越嚴苛。因此，柔性三維力觸覺傳感器作為機器人觸覺傳感器的一個重要分支，國內外學者對其研究便趨于追求更快的響應速度、更高的靈敏度、更寬的檢測范圍、更好的耐用性等。

全柔性材料、高精度感應、快速響應等一系列優良特性使得三維力觸覺傳感器可適應多數復雜環境，同時配套在一些軟體機器人電子皮膚上可應用于眾多領域。因此，柔性三維力觸覺傳感器未來會快速發展，也必將在生活中的各方面發揮重要作用。科研人員充分利用各類柔性材料，包括橡膠、天然材料、高分子材料、仿生材料等固有的柔性，以及一些復合柔性導電材料的導電性或壓阻效應，制成了各式三維力傳感器。

在國外的相關研究中，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。三維力作用下，上下電極間距及上下極板有效面積的變化致使四個電容值的改變從而實現三維力信息的獲取。由于其結構的限制，傳感器分上下兩層走線，不易實現傳感器結構的陣列化，限制了其應用。倫敦國王學院Pinyo Puangmali等人基于光學傳感理論，設計了一種微型三維力傳感器，可放置在一個手術器械的頂端，用于測量與組織間相互作用力，來進行組織觸診。但光纖不具備柔性，難以應用到機器人柔性電子皮膚上。大阪府立大學Shingo Harada等人用絲網印刷機印刷厚膜電阻應變計，并在電路板上制成應變式三維力傳感器，制成的傳感器靈敏度高，且電阻變化受溫度影響小。同樣因為基底為電路板，不具有柔性，難以應用于電子皮膚中。

國內也有眾多高校展開了對柔性三維力觸覺傳感器的研究。其中，合肥工業大學黃英等人基于力敏導電材料，利用體壓阻效應與界面壓阻效應，設計了一種柔性三維力觸覺傳感器，通過測量電阻的變化反演出物體所受三維力信息。壓阻式傳感器測量精度不高，穩定性稍差。中科院合肥智能機械研究所趙星等人基于微氣囊結構，利用傳感器底部多個氣囊氣壓值的變化并采用BP神經網絡算法進行三維力解耦，實現了三維力信息的檢測。該結構制作復雜，不宜應用于大批量制作。重慶大學杜彥剛等人將PVDF粘貼在內凹陷的四棱臺的各個平面上，從而實現空間三維力的測量。同時，昆明理工大學程立等人對該結構進行了優化，并在此基礎上運用模擬電路進行了三維力的解耦研究，從而降低了誤差。該結構有很快的響應速度，但不能將尺寸做到太小，這在一定程度上限制了其應用。