[發明專利]一種壓容和壓阻耦合的接近感知與接觸力傳感器

在審

• 申請號: 201911347684.1
• 申請日: 2019-12-24
• 公開（公告）號: CN110954251A
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發明（設計）人: 張甲;葛傳洋;王振龍
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01L1/14
• 分類號: G01L1/14;G01L1/18
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 李恩慶

本發明提出了一種壓容和壓阻耦合的接近感知與接觸力傳感器，屬于觸覺安全技術領域，特別是涉及一種壓容和壓阻耦合的接近感知與接觸力傳感器。解決了單一檢測原理的觸覺傳感器難以實現大范圍力變化的測量、響應速度難以突破毫秒量級、物體與傳感器碰撞前的接觸感知功能缺失的問題。它包括柔性襯底、共面電極、壓阻彈性體和表面凸起，所述柔性襯底位于底部，所述共面電極設置在柔性襯底上，所述壓阻彈性體為空腔結構，所述壓阻彈性體設置在柔性襯底和共面電極的上方，所述壓阻彈性體與柔性襯底合圍區域形成空氣穴，所述表面凸起設置在壓阻彈性體的上表面。它主要用于機器人感知外界環境變化。

技術領域

本發明屬于觸覺安全技術領域，特別是涉及一種壓容和壓阻耦合的接近感知與接觸力傳感器。

背景技術

隨著機器人技術的不斷發展與應用，對外部物體、環境變化的準確、快速、可預見性感知開始成為學者研究的重點，于是學界提出了智能機器人的概念，而觸覺傳感器在智能機器人上的應用成為機器人感知外界環境變化的最主要手段。

目前的觸覺傳感器根據測量原理可分為壓電式、壓阻式、電容式、壓磁式等。壓電式傳感器的原理是壓電效應，當材料沿一定方向受到外力作用而變形時，其內部會產生極化現象，在兩個相對表面上出現正負相反的電荷，當外力去掉后又恢復到不帶電狀態，壓電式傳感器的優點在于頻率響應高、靈敏度高、動態范圍大，但是空間分辨率低、測量電路復雜、穩定性差；壓阻式傳感器的原理是壓阻效應，當半導體材料受到應力作用時，應力引起能帶的變化，能谷的能量移動，電阻率發生變化，其優點在于頻率響應高、空間分辨率高、噪音干擾小，但是可重復性差、功率消耗大、測量范圍小；電容式傳感器以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測物理量或機械量轉換成電容量變化的轉換裝置，主要改變電極的相對面積、電介質常數等，優點在于靈敏度高、空間分辨率高、動態測量范圍大，但是存在寄生電容且對噪聲敏感；壓磁式傳感器的原理是壓磁效應，鐵磁材料在受到外力作用時，其內部產生應力，引起鐵磁材料磁導率的變化，通過放大電路可以轉化為作用力的大小，其優點是靈敏度高、占用的體積較小，但是結構設計復雜、分辨率低。

機器人在使用和運輸過程中，不可避免的會與其他物體發生碰撞，尤其在高速運動過程中會造成機器人機殼甚至內部結構出現破壞，從而大幅減小了使用壽命且維護成本大幅增加，無法滿足用戶對于機器人智能化的需求。綜合上述對各類觸覺傳感器的介紹與分析，我們發現單一測量原理的傳感器在在測量范圍、穩定性、靈敏度、分辨率等方面存在缺陷，不能實現大范圍里的覆蓋、響應速度難以突破毫秒量級、碰撞前的接觸感知功能缺失，限制了觸覺傳感器的進一步發展。

發明內容

本發明為了解決現有技術中的問題，提出一種壓容和壓阻耦合的接近感知與接觸力傳感器。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：一種壓容和壓阻耦合的接近感知與接觸力傳感器，它包括柔性襯底、共面電極、壓阻彈性體和表面凸起，所述柔性襯底位于底部，所述共面電極設置在柔性襯底上，所述壓阻彈性體為空腔結構，所述壓阻彈性體設置在柔性襯底和共面電極的上方，所述壓阻彈性體與柔性襯底合圍區域形成空氣穴，所述表面凸起設置在壓阻彈性體的上表面，所述壓阻彈性體采用低維導電填料和高分子聚合物復合共混材料制成，所述低維導電填料為石墨烯、碳納米管、炭黑、銀納米線、銦鎵合金或硫族元素單質薄膜，所述高分子聚合物為聚二甲基硅氧烷、聚對苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亞胺。

更進一步的，所述柔性襯底和表面凸起的材質均為聚二甲基硅氧烷。

更進一步的，所述共面電極的材質為還原的氧化石墨烯、單壁碳納米管聚合物或金屬電極材料。

更進一步的，所述共面電極采用噴涂、3D打印或電鍍的方式制備在柔性襯底上。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明解決了單一檢測原理的觸覺傳感器難以實現大范圍力變化的測量、響應速度難以突破毫秒量級、物體與傳感器碰撞前的接觸感知功能缺失的問題。