[發明專利]一種基于榫卯結構的柔性六維力傳感器

在審

• 申請號: 202111485310.3
• 申請日: 2021-12-07
• 公開（公告）號: CN114235230A
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發明（設計）人: 吳化平;汪志強;胡家輝;裘燁;田野;王南航
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 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

本發明公開了一種基于榫卯結構的柔性六維力傳感器。包括由上至下依次設置的柔性凸臺、PTFE薄膜、FPCB柔性印刷電路板和柔性底座；柔性凸臺為四棱臺狀結構，底面四個邊角位置均設置有方形凸塊，柔性底座頂面設置有與柔性凸臺的方形凸塊適配的十字結構，柔性凸臺底部與柔性底座頂部凹凸互鎖組成榫卯結構；PTFE薄膜和FPCB柔性電路板為與柔性凸臺底面或柔性底座頂面嵌合的層狀折疊結構，通過底座將傳感單元合理地布置在柔性電路板上，并通過PTFE薄膜封裝，使柔性六維力傳感器在各種變形下都能產生獨特的信號響應。本發明在不同外部刺激下，互鎖結構的獨立變形機制使得本傳感器能夠在x、y和z方向上解耦平移力和扭轉力矩。

技術領域

本發明屬于傳感器技術領域，具體涉及一種基于榫卯結構的柔性六維力傳感器。

背景技術

近年來柔性傳感器作為智能可穿戴電子器件的重要模塊，已逐漸取代傳統的傳感器，并成為人工智能和可穿戴物理設備的研究熱點。為了更好地實現人機交互，柔性可穿戴傳感器脫穎而出，如壓力傳感器、應變傳感器、溫度傳感器和光學傳感器等，已被廣泛研發并應用于醫療診斷、人機交互、運動檢測，以及仿生機器人領域。雖然這些傳感器在靈敏度、檢測極限和檢測范圍方面已取得優異效果，且其性能也顯著提高，但對于不同方向的力刺激或外部變量的干擾，常見的壓力傳感器由于只能夠監測按壓引起的外力而無法準確識別應變方向，它們只能檢測單向刺激，限制了在多軸方向運動應變檢測或者彎曲形變檢測的應用。

環境中的大多數外部刺激都是六維的，包括x，y和z方向上的力和力矩。理想的可穿戴物理設備，應具備識別多自由度運動的能力，能夠適應于不同受載情況的復雜環境中。對于多維傳感器，如六維力傳感器，可以同時感知三維空間的六維力和力矩信息：沿著x，y，z三個坐標軸的力分量和繞著坐標軸的三個力矩分量。傳感器不僅可以準確地評估外部負載的大小和位置，還可以區分刺激的類型和方向。多維傳感器能夠同時識別多個外部刺激，在不受外部變量干擾的情況下指示各自的方向。

因此，此柔性六維傳感器技術能實現在各種復雜環境中的應用，其可行性勢在必行。

發明內容

為了解決背景技術中的問題，本發明提供了一種基于榫卯結構的柔性六維力傳感器，解決了單側刺激響應的限制，實現六維力傳感器識別應變方向和區分刺激類型；在不同外部刺激下，本發明互鎖結構的獨立變形機制使得本傳感器能夠在x、y和z方向上解耦平移力和扭轉力矩。。

本發明采用的技術方案如下：

本發明基于榫卯結構的柔性六維力傳感器包括由上至下依次設置的柔性凸臺、PTFE薄膜、FPCB柔性電路板和柔性底座；柔性凸臺為四棱臺狀結構，底面四個邊角位置均設置有方形凸塊，柔性底座頂面設置有與柔性凸臺的方形凸塊適配的十字結構，柔性凸臺底部與柔性底座頂部凹凸互鎖組成榫卯結構；FPCB柔性印刷電路板為與柔性底座頂面嵌合的層狀折疊結構，層狀折疊結構中間鏤空形成四個倒U型凸起，在FPCB柔性印刷電路板上表面布置有十二個柔性傳感單元，十二個柔性傳感單元分別粘貼于四個凸起的頂面和兩側面，十二個柔性壓阻傳感單元通過貼附于FPCB柔性電路板上表面的PTFE薄膜進行封裝；PTFE薄膜在柔性凸臺的方形凸塊對應的上表面的四個邊角設置有與柔性傳感單元厚度一致的海綿墊，防止柔性凸臺和柔性底座上下裝配時產生間隙。

所述柔性凸臺和柔性底座采用柔性硅膠材料。柔性凸臺1和柔性底座6的制備方法為：將聚二甲基硅氧烷(PDMS)與固化劑(10：1)經玻璃棒手動攪拌混合10分鐘后，放入真空冷凍干燥機中進行抽真空操作，抽真空操作是為了除去溶液中的氣泡防止固化后的硅膠內部出現真空現象，然后將抽完真空的溶劑填入到涂有表面處理劑的外加工模具中，放入烘箱在70℃溫度下加熱固化后脫模而成。

PTFE薄膜、柔性壓阻傳感單元和FPCB柔性電路板組成力感應層，力感應底部通過丙烯酸膠帶粘合在柔性底座上。