CN108489643A - 一种基于人体皮肤仿生学原理的压电触觉传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于人体皮肤仿生学原理的压电触觉传感器，其特征在于该传感器包括上模板、下模板、压电薄膜和电极；所述上模板的一个表面具有非平面结构，下模板的一个表面具有与上模板的非平面结构完全匹配的相应的非平面结构，使得上模板和下模板相互配合镶嵌连接；所述压电薄膜固定在上模板和下模板之间；压电薄膜的两侧均安装有电极。本压电触觉传感器结构简单新颖，提出了类似于人体皮肤真皮层的三维褶皱结构，包括在X方向和Y方向上截面为矩形结构、波浪结构和梯形结构等非平面互嵌式结构，相对于平面结构而言，增大了压电薄膜的接触面积，能够对微弱力信号起到放大的作用，灵敏度高；且还能识别出剪切力的位置。
Description
技术领域
本发明涉及触觉传感器领域，具体是一种基于人体皮肤仿生学原理的压电触觉传感器。
背景技术
对机器人及其他智能装备而言，触觉感知是其获得外界物体属性和接触信息的重要途径。然而，相对于视觉、听觉、嗅觉等感知与传感技术，触觉传感器的发展还较为滞后。
应用在机器人上的触觉传感器，应具备在未知环境下能够精确地检测空间三维力的功能和高柔性的特点。然而目前市场上的大多数触觉传感器难以满足智能机器人对触觉传感器柔韧性、多维性以及多功能性的要求，特别是能够单纯检测法向力的触觉传感器技术已经接近成熟，能够检测剪切力的触觉传感器技术相对滞后。因此研制相似人类皮肤的触觉传感器极为重要，对机器人技术的发展以及体育、康复医疗等领域有着很重要的意义。
申请号为201610267537.3的文献公开了一种人工皮肤柔性触觉传感器测量装置，包括仿生真皮组织层、仿生表皮组织层、仿生皮下组织层和人工皮肤依附基座，其中在仿生真皮组织层中设有三根液体芯PVDF压电聚合物纤维，该仿生人工皮肤所采用的PVDF压电聚合物纤维虽然能检测出所受的剪切力，但不具有对剪切力信号放大的功能特性，并且该发明的结构不符合人体皮肤解剖学结构，同时制作过程复杂，一致性差。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于人体皮肤仿生学原理的压电触觉传感器。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于人体皮肤仿生学原理的压电触觉传感器，其特征在于该传感器包括上模板、下模板、压电薄膜和电极；所述上模板的一个表面具有非平面结构，下模板的一个表面具有与上模板的非平面结构完全匹配的相应的非平面结构，使得上模板和下模板相互配合镶嵌连接；所述压电薄膜固定在上模板和下模板之间；压电薄膜的两侧均安装有电极。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
(1)本发明提出了一种以人体皮肤仿生学为理论依据的压电触觉传感器，结构简单新颖，提出了类似于人体皮肤真皮层的三维褶皱结构，包括在X方向和Y方向上截面为矩形结构、波浪结构和梯形结构等非平面互嵌式结构，相对于平面结构而言，增大了压电薄膜的接触面积，能够对微弱力信号起到放大的作用，灵敏度高；且还能识别出剪切力的位置。
(2)上下模板采用柔性材料，使其具有高柔性易弯曲的优点，从材料的柔软度上更接近于人体皮肤，相似度高。
(3)采用的互嵌式结构多样，其图案化加工过程简单、价格低廉。
(4)采用压电薄膜，使其具有灵敏度高、响应时间短的优点。
(5)本发明提出的辅助验证传感器剪切力放大功能的装置，结构简单，可制作性好，操作方便，成本低，能辅助实现对触觉传感器具有剪切力放大效果的验证。
附图说明
图1为本发明基于人体皮肤仿生学原理的压电触觉传感器一种实施例的传感器的截面为矩形结构的示意图；
图2为本发明基于人体皮肤仿生学原理的压电触觉传感器一种实施例的传感器的截面为波浪结构的示意图；
图3为本发明基于人体皮肤仿生学原理的压电触觉传感器一种实施例的传感器的截面为梯形结构的示意图；
图4为本发明基于人体皮肤仿生学原理的压电触觉传感器一种实施例的检测传感器剪切力接触位置的原理图；
图5为本发明基于人体皮肤仿生学原理的压电触觉传感器一种实施例的检测传感器剪切力接触位置的实物图；
图6为本发明基于人体皮肤仿生学原理的压电触觉传感器一种实施例的辅助验证传感器剪切力放大功能的装置的结构示意图。(图中：1、上模板；2、下模板；3、压电薄膜；4、电极；5、底座；6、重力加载；7、支架；8、滑轮；9、上层板；10、下层板；11、绕线滑轮；12、压杆；13、柔性模板；14、绕线；)
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种基于人体皮肤仿生学原理的压电触觉传感器(参见图1-3，简称传感器)，其特征在于该传感器包括上模板1、下模板2、压电薄膜3和电极4；所述上模板1的一个表面具有非平面的二维或三维结构，下模板2的一个表面具有与上模板1的非平面的二维或三维结构完全匹配的相应的非平面的二维或三维结构，使得上模板1和下模板2相互配合镶嵌连接；上模板1和下模板2之间的界面的横截面呈非平面状态；所述压电薄膜3固定在上模板1和下模板2之间，形成三层结构；压电薄膜3的两侧均安装有电极4，压电薄膜3通过电极4与外部的电荷放大器连接。
所述非平面的二维或三维结构为凸凹结构，具体是矩形结构、波浪形结构或梯形结构；
所述上模板1和下模板2的材料为柔性材料，可以是柔性树脂或者柔性橡胶等容易变形的材料，可以选用聚二甲基硅氧烷，最大厚度为3mm，相邻凸凹结构的最小间距为0.5mm；
优选地，当需要检测传感器剪切力接触位置的时候，需要在上模板1的下表面和下模板2的上表面涂覆导电材料；导电材料在上模板1和下模板2的表面涂覆时均需要间隔涂覆，形成传感器之后上模板1的下表面和下模板2的上表面的导电材料之间具有交叉点；例如在上模板1的下表面间隔横向涂覆导电材料，在下模板2的上表面间隔纵向涂覆导电材料，两者具有交叉点；又例如在上模板1的下表面间隔纵向涂覆导电材料，在下模板2的上表面间隔横向涂覆导电材料，两者具有交叉点；
所述压电薄膜3是具备轻薄易变性、灵敏度高、响应速度快特性的柔性导电材料，可以选用PVDF材料，最大厚度为500um；
本发明同时提供了一种辅助验证传感器剪切力放大功能的装置(简称装置，参见图6)，其特征在于该装置包括底座5、重力加载6、支架7、滑轮8、上层板9、下层板10、绕线滑轮11、压杆12、柔性模板13和绕线14；所述支架7固定在底座5上；所述压杆12安装在支架7上，能够上下移动；所述压杆12的一端安装有重力加载6，另一端通过轴安装有滑轮8；所述滑轮8与上层板9的上表面接触；所述重力加载6的调节范围是0N-30N，用来施加预紧力；预紧力通过压杆12传递到滑轮8上，预紧上层板9；所述绕线滑轮11通过轴安装在底座5上；所述绕线14一端与外部的拉伸试验机连接，另一端通过绕线滑轮11与上层板9连接，上层板9可移动；所述下层板10固定在底座5上；上层板9的下表面和下层板10的上表面都具有柔性模板13，柔性模板13中间为所述传感器。所述柔性模板13为橡胶材料；
本发明基于人体皮肤仿生学原理的压电触觉传感器的工作原理和工作流程是：
验证传感器剪切力放大功能：依靠装置的重力加载6提供预紧力，使得传感器的上模板1和下模板2分别与两层柔性模板13接触，上层板9通过绕线14与施加剪切力的拉伸试验机连接；当拉伸试验机施加拉力时，上层板9与下层板10会发生相对移动，进而带动两层柔性模板13发生相对移动，使得上模板1的上表面受到切向力，产生微小的位移形变，上模板1的变形会带动中间压电薄膜3的变形，压电薄膜3会因形变发生极化现象，从而产生电荷信号。由于上模板1和下模板2采用非平面结构，中间的压电薄膜3被压成不同的褶皱结构，在剪切力作用下会产生更大的累积极化，进而产生的电荷信号会大于平面结构。因此，本传感器能实现对剪切力信号的放大，灵敏度更高。
检测传感器剪切力接触位置：在在上模板1的下表面和下模板2的上表面涂覆导电材料；当上模板1的某一位置有剪切力作用时，该点会发生形变，其下方的压电薄膜3也会发生形变，从而产生电信号。通过上模板1和下模板2导电材料的交叉位置的电流大小来确定剪切力的位置，剪切力作用点处的电信号最强，其他点的电信号相对较弱。如图4和图5所示，当圆圈区域内有剪切力作用时，上模板1纵向涂覆的第三条导电材料与下模板2横向涂覆的第三条导电材料的交叉位置处，即3-3’处的电流最大，其他位置的电流相对较小，以此来判断剪切力接触位置。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (10)
1.一种基于人体皮肤仿生学原理的压电触觉传感器，其特征在于该传感器包括上模板、下模板、压电薄膜和电极；所述上模板的一个表面具有非平面结构，下模板的一个表面具有与上模板的非平面结构完全匹配的相应的非平面结构，使得上模板和下模板相互配合镶嵌连接；所述压电薄膜固定在上模板和下模板之间；压电薄膜的两侧均安装有电极。
2.根据权利要求1所述的基于人体皮肤仿生学原理的压电触觉传感器，其特征在于所述非平面结构为凸凹结构。
3.根据权利要求2所述的基于人体皮肤仿生学原理的压电触觉传感器，其特征在于所述非平面结构为矩形结构、波浪形结构或梯形结构。
4.根据权利要求2所述的基于人体皮肤仿生学原理的压电触觉传感器，其特征在于相邻凸凹结构的最小间距为0.5mm。
5.根据权利要求1所述的基于人体皮肤仿生学原理的压电触觉传感器，其特征在于所述上模板和下模板的材料为柔性树脂或者柔性橡胶。
6.根据权利要求5所述的基于人体皮肤仿生学原理的压电触觉传感器，其特征在于所述上模板和下模板的材料为聚二甲基硅氧烷。
7.根据权利要求1所述的基于人体皮肤仿生学原理的压电触觉传感器，其特征在于所述压电薄膜选用柔性导电材料。
8.根据权利要求7所述的基于人体皮肤仿生学原理的压电触觉传感器，其特征在于所述压电薄膜选用PVDF。
9.根据权利要求1所述的基于人体皮肤仿生学原理的压电触觉传感器，其特征在于当需要检测传感器剪切力接触位置的时候，需要在上模板的下表面和下模板的上表面涂覆导电材料；导电材料在上模板和下模板的表面涂覆时均需要间隔涂覆，形成传感器之后上模板的下表面和下模板的上表面的导电材料之间具有交叉点。
10.一种辅助验证权利要求1-9任一所述的传感器剪切力放大功能的装置，其特征在于该装置包括底座、重力加载、支架、滑轮、上层板、下层板、绕线滑轮、压杆、柔性模板和绕线；所述支架固定在底座上；所述压杆安装在支架上，能够上下移动；所述压杆的一端安装有重力加载，另一端通过轴安装有滑轮；所述滑轮与上层板的上表面接触；所述绕线滑轮通过轴安装在底座上；所述绕线一端与外部的拉伸试验机连接，另一端通过绕线滑轮与上层板连接，上层板可移动；所述下层板固定在底座上；上层板的下表面和下层板的上表面都具有柔性模板，柔性模板中间为所述传感器。
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