[發(fā)明專利]一種基于仿生機(jī)理的雙層觸覺(jué)傳感器

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010559568.2
• 申請(qǐng)日: 2020-06-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111829698A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李會(huì)軍;陳蕊;宋愛(ài)國(guó);孫東杰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): G01L1/20
• 分類號(hào): G01L1/20;G01L1/14;G01L5/00
• 代理公司: 南京眾聯(lián)專利代理有限公司 32206
• 代理人: 蔣昱

一種基于仿生機(jī)理的雙層觸覺(jué)傳感器，包括上層壓阻式觸覺(jué)傳感器和下層電容式觸覺(jué)傳感器以及中間的硅橡膠隔離層，其中壓阻式觸覺(jué)傳感器采用金字塔微結(jié)構(gòu)，電容式觸覺(jué)傳感器采用細(xì)孔微針結(jié)構(gòu)，一個(gè)電容式觸覺(jué)傳感器搭載四個(gè)壓阻式觸覺(jué)傳感器。本發(fā)明將適用于低頻響應(yīng)的壓阻式觸覺(jué)傳感器和適用于高頻響應(yīng)的電容式觸覺(jué)傳感器結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了對(duì)靜態(tài)力和不同頻率范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)力的共同檢測(cè)；結(jié)合兩種感知機(jī)理的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了單層觸覺(jué)傳感器在穩(wěn)定性、魯棒性等方面可能存在的不足，提高了傳感器的性能；壓阻式觸覺(jué)傳感器的金字塔陣列結(jié)構(gòu)提高了傳感器的靈敏度和測(cè)量范圍；電容式觸覺(jué)傳感器的細(xì)孔微針結(jié)構(gòu)提高了傳感器的重復(fù)性和穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于仿生機(jī)理的雙層觸覺(jué)傳感器。

背景技術(shù)

人的皮膚主要由表皮、真皮和皮下組織三部分組成。在皮膚的不同深度下分布著不同的觸覺(jué)感受器。這些感受器通過(guò)接收外界刺激，將物理能量轉(zhuǎn)化為神經(jīng)化學(xué)能量后，傳達(dá)給大腦的神經(jīng)中樞，從而感知皮膚所接觸物體的具體特征，如材質(zhì)、形狀、溫度等。其中，位于表層皮膚的邁斯納小體和默克爾細(xì)胞可分別對(duì)低頻動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)(0.4～40Hz)的刺激進(jìn)行快響應(yīng)和慢響應(yīng)；而位于皮膚深層的環(huán)層小體和魯菲尼小體可分別對(duì)高頻動(dòng)態(tài)范圍(40～500+Hz)的刺激進(jìn)行快響應(yīng)和慢響應(yīng)。但人體皮膚的感受器只能對(duì)物體進(jìn)行定性感知，無(wú)法定量判斷出物理量數(shù)值。若以人體觸覺(jué)感知機(jī)理為原理，通過(guò)敏感材料和特殊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)基于仿生機(jī)理的觸覺(jué)傳感器，便可對(duì)外界的環(huán)境進(jìn)行定量感知。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)基于仿生機(jī)理的多層觸覺(jué)傳感器研究較少。

觸覺(jué)傳感器是機(jī)器人觸覺(jué)感知技術(shù)的重要組成部分。機(jī)器人通過(guò)在表面安裝的觸覺(jué)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的全面有效感知。從上個(gè)世紀(jì)中后期，人們就展開(kāi)了對(duì)觸覺(jué)傳感技術(shù)的研究與探索。目前，按照感應(yīng)原理的不同，可分為壓阻式、電容式、壓電式、光電式、磁敏式等觸覺(jué)傳感器。利用不同原理制作的傳感器各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。如壓阻式觸覺(jué)傳感器通常頻率響應(yīng)高、空間分辨率高、噪音干擾小，但測(cè)量范圍小，回滯性和重復(fù)性差，適用于對(duì)低頻動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)力的檢測(cè)；而電容式觸覺(jué)傳感器靈敏度高、空間分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍大，但存在寄生電容，且對(duì)噪聲敏感，適用于對(duì)高頻動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)力的檢測(cè)。同一原理不同結(jié)構(gòu)的傳感器性能也有差異。金字塔結(jié)構(gòu)的壓阻式傳感器具有更高的靈敏度，能檢測(cè)微小的力；細(xì)孔微針結(jié)構(gòu)提高了電容式傳感器的重復(fù)性和穩(wěn)定性。若將金字塔結(jié)構(gòu)的壓阻式觸覺(jué)傳感器與細(xì)孔微針結(jié)構(gòu)的電容式觸覺(jué)傳感器相結(jié)合，便能充分發(fā)揮兩種傳感器的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)各自的不足，提高傳感器的性能；同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)靜態(tài)力與動(dòng)態(tài)力的共同檢測(cè)，感知不同頻率范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)力。

因此有人于20190624申請(qǐng)專利名稱雙模傳感單元和雙模傳感器，申請(qǐng)?zhí)枮镃N201910549278.7，改專利雙模傳感單元包括屏蔽層、壓敏導(dǎo)電層、電容感應(yīng)層和柔性凸起層；屏蔽層與壓敏導(dǎo)電層固定連接，屏蔽層接地設(shè)置；壓敏導(dǎo)電層包括傳導(dǎo)電極和壓阻敏感層；壓阻敏感層設(shè)有凸起微結(jié)構(gòu)；電容感應(yīng)層包括第一柔性基底、發(fā)射電極和接收電極；發(fā)射電極、接收電極固定在第一柔性基底的底面，且發(fā)射電極和接收電極上下分層設(shè)置，發(fā)射電極與凸起微結(jié)構(gòu)導(dǎo)通連接；柔性凸起層與第一柔性基底固定連接，柔性凸起層的上端面設(shè)有應(yīng)力收集凸起。雙模傳感單元同時(shí)具備接近覺(jué)和觸覺(jué)傳感的功能；雙模傳感器由多個(gè)雙模傳感單元矩陣排布而成，并且相互之間通過(guò)柔性基底連接，具備良好的柔性，其內(nèi)部線路簡(jiǎn)潔，該專利從上到下是柔性凸起層、電容感應(yīng)層、壓敏導(dǎo)電層和屏蔽層，利用電容式觸覺(jué)傳感器的高靈敏度和壓阻式觸覺(jué)傳感器的較大測(cè)量范圍，使傳感器同時(shí)具備接近覺(jué)和觸覺(jué)傳感的功能，但是沒(méi)有采用仿照人皮膚的生理結(jié)構(gòu)，因此不適用于對(duì)靜態(tài)和低頻動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)力進(jìn)行檢測(cè)，也不適用于對(duì)高頻動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)力進(jìn)行檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決以上問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于仿生機(jī)理的雙層觸覺(jué)傳感器，具有靈敏度高、測(cè)量范圍廣、重復(fù)性和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，能同時(shí)對(duì)靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)低頻動(dòng)態(tài)力與高頻動(dòng)態(tài)力進(jìn)行檢測(cè)；為達(dá)此目的，本發(fā)明提供一種基于仿生機(jī)理的雙層觸覺(jué)傳感器，其特征在于：包括上層壓阻式觸覺(jué)傳感器和下層電容式觸覺(jué)傳感器以及中間的硅橡膠隔離層；