CN111366274B - 一种全柔性电容式三维力触觉传感器 - Google Patents
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Abstract
一种全柔性电容式三维力触觉传感器，包括柔性腔体、柔性基底、柔性电极、半圆环形凹槽和半球体触头，柔性电极通过导线引出并接地构成公共端；柔性腔体为圆柱筒体，柔性基底为圆板，柔性腔体粘连在柔性基底之上；方形柔性感应电极成2×2阵列结构并粘连在柔性基底上表面；圆形柔性公共极板粘连在半球体触头底面；半圆环形凹槽环绕半球体触头底部粘连并连在柔性腔体内表面；半圆环形凹槽与圆形柔性公共极板粘连；圆形柔性公共极板和方形柔性感应电极之间隔一层空气层为电介质层，圆形柔性公共极板在柔性基底上的垂直投影区域始终包含四个方形柔性感应电极的区域。本发明结构新颖，具有更高的检测灵敏度和更快的响应速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种全柔性电容式三维力触觉传感器，属于传感器领域。
背景技术
随着制造技术、功能材料、集成封装技术以及智能传感器技术的快速发展，柔性电子皮肤始终是国内外研究者关注的焦点。三维力触觉传感器作为电子皮肤的重要组成部分，能够同时感知法向力和切向力，广泛应用与人造皮肤、服务机器人、医疗机器人等领域。传统的刚性金属、半导体、磁性和光纤三维力触觉传感器在工业生产、智能装配和基于完善的制造工艺的微操作机器人的应用中发货着关键作用。但这些器件普遍存在柔韧性差、佩戴舒适性差、灵敏度低等缺点，制约了其在柔性电子皮肤中的广泛应用。
与以上传统的触觉传感器相比，柔性三维力触觉传感器以其独特的灵活性和弹性、高灵敏度、易制备等优点备受关注，最大限度地满足了下一代柔性可穿戴电子产品的性能要求。
目前，石墨烯纳米薄片、碳纳米管、炭黑、银纳米线、金属纳米颗粒、液态金属合金等多种导电纳米材料正被越来越多的用于柔性可穿戴器件。特别是其复杂的制作方法和可能的液态金属泄漏对柔性电极有一定的危害。此外，聚二甲基硅氧烷和硅酮橡胶具有优异的电气绝缘和化学稳定性、高弹性、生物相容性和模压性等优异性能，被广泛应用于可穿戴电子器件和可拉伸极板。虽然导电纳米材料和柔性极板提供了良好的基础设施，但最新的发展表面，基于简单、高效、低成本的制备过程，用高灵敏度和柔性材料制造三维触觉传感器仍然面临巨大挑战。
在国外的相关研究中，日本东京大学Hidetoshi Takahashi等人基于硅压阻效应制作了一种压阻式三维力触觉传感器。该传感器由两个侧壁掺杂的硅悬臂梁和一个上表面掺杂的硅悬臂梁组成，采用定向掺杂，当三个悬臂梁在对应方向上的力形变时，电阻才会改变，具有测量精度高，灵敏度高等优点；但由于硅片易碎，在受到较大的力作用时，传感器的性能会受到较大的影响。
国内也有众多高校展开了对柔性三维力触觉传感器的研究。其中，合肥工业大学黄英等人基于压阻效应，使用力敏导电材料设计了一种柔性三维力触觉传感器，施加三维力时，通过检测传感器电阻值的变化获取物体所受三维力的有效信息；但压阻式传感器测量精度不高，有待进一步考量。
综上可见，目前在国内外柔性三维力触觉传感器已有一定的研究。在各种类型的三维力触觉传感器，如压阻式、压电式、光电式、电容式等，都取得了较为显著的进展，并论证了其在电子皮肤上应用的可行性。其中，基于电容的柔性三维力触觉传感器具有灵敏度高、分辨率高、迟滞小，动态响应快等特点。但以往的研究多侧重于结构设计、有限元模拟、性能特性等方面，缺乏理论建模、有限元仿真，实测相结合的综合验证，因此想设计一个新颖高效的结构尤为困难。
发明内容
为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种全柔性电容式三维力触觉传感器，该传感器结构新颖，具有更高的检测灵敏度和更快的响应速度。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：主要由柔性腔体、柔性基底、柔性电极、半圆环形凹槽和半球体触头组成，所述的柔性电极包括方形柔性感应电极和圆形柔性公共极板，所有的柔性电极分别通过导线引出并接地构成公共端；所述的柔性腔体为圆柱筒体，柔性基底为圆板，柔性基底下表面的圆心设置在柔性腔体的圆心处，柔性腔体的底部粘连在柔性基底的上表面；四个方形柔性感应电极设置成2×2阵列结构并粘连在柔性基底的上表面，其对称中心点设置在柔性基底的圆心处；圆形柔性公共极板粘连在半球体触头的底面，其对称中心点设置在半球体触头底面的圆心处；半圆环形凹槽环绕半球体触头底部粘连，并共同粘连在柔性腔体的内表面；半圆环形凹槽还与圆形柔性公共极板粘连；圆形柔性公共极板和四个方形柔性感应电极之间隔一层空气层作为电介质层，同时，圆形柔性公共极板在柔性基底上的垂直投影区域始终包含四个方形柔性感应电极的区域。
相比现有技术，本发明的一种全柔性电容式三维力触觉传感器，作为一种创新化的结构形式，通过方形柔性感应电极和圆形柔性公共极板的柔性电极，构成了呈空间立体分布的电容，空气作为介质层，在三维力作用下，改变了极板间距，从而提高了介电常数，这种空间立体分布的电容相较于传统三维力传感器具有了更高的检测灵敏度和更快的响应速度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明一个实施例的整体结构示意图。
图2是本发明一个实施例的结构***图。
图3是本发明一个实施例的完整剖面结构及尺寸参数示意图。
图4是本发明一个实施例中柔性基底的结构示意图。
图5是本发明一个实施例中方形柔性感应电极的结构示意图。
图6是本发明一个实施例中圆形柔性公共极板的结构示意图。
图7是本发明一个实施例中半球体触头的结构示意图。
图8是本发明实施例中柔性腔体的模具的结构示意图。
图9是本发明实施例中柔性基底的模具的结构示意图。
图10是本发明实施例中方形柔性感应电极的模具的结构示意图。
图11是本发明实施例中圆形柔性公共极板的模具的结构示意图。
图12是本发明实施例中半圆环形凹槽的模具的结构示意图。
图13是本发明一个实施例的法向力结果对比曲线图。
图14是本发明一个实施例的重复性曲线图。
图15是本发明一个实施例的三维力加载曲线图。
图16是本发明一个实施例的迟滞特性曲线图。
图17是本发明一个实施例的响应时间曲线图。
图中：1、柔性腔体，2、柔性基底，3、方形柔性感应电极，4、圆形柔性公共极板，5、半圆环形凹槽，6、半球体触头，7、空气腔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
图1至图7示出了本发明一个较佳的实施例的结构示意图。如图2所示，本实施例的一种全柔性电容式三维力触觉传感器，主要由柔性腔体1、柔性基底2、柔性电极、半圆环形凹槽5和半球体触头6组成，各部分均采用硅橡胶作粘接剂，通过层层组装方式进行集成。参见图1-3，其中，本实施例的柔性腔体1为具有底面的圆柱筒，柔性基底2为圆板(参见图4)，柔性基底2作为底部支撑，柔性腔体1的底部粘连在柔性基底2的上表面，柔性基底2下表面的圆心设置在柔性腔体1的圆心处。方形柔性感应电极3通过硅橡胶粘连在的柔性基底2的上表面，方形柔性感应电极3的对称中心点设置在柔性基底2的圆心处；所述的半球体触头6为半球状(参见图7)，圆形柔性公共极板4通过硅橡胶粘连在半球体触头6的底面，其对称中心点设置在半球体触头6底面的圆心处；半圆环形凹槽5环绕半球体触头6底部通过硅橡胶粘连，并通过半圆环形凹槽5的外周圈直接与柔性腔体1的内表面通过硅橡胶粘连，具体地，可以在柔性腔体1上端内侧设置一圈挡阶作为半圆环形凹槽5直接限位和连接的部位，最终半圆环形凹槽5和半球体触头6的组合体作为顶部覆盖；半圆环形凹槽5还与圆形柔性公共极板4粘连；圆形柔性公共极板4和四个方形柔性感应电极3之间隔一层空气层作为电介质层，即形成了空气腔7；同时，圆形柔性公共极板4在柔性基底2上的垂直投影区域需要始终包含四个方形柔性感应电极3的区域。
在本实施例中，所述的柔性电极包括方形柔性感应电极3和圆形柔性公共极板4，如图5所示，方形柔性感应电极3为方形，共有四个，四个方形柔性感应电极3设置成2×2阵列结构。如图6所示，圆形柔性公共极板4则为圆形。所有的柔性电极分别通过导线引出并接地构成公共端。
结合图1-7，可以看到，整个全柔性电容式三维力触觉传感器是一个中心对称图形，所述柔性腔体1的外径与柔性基底2的直径尺寸一致，所述柔性公共极板4的半径加上半圆环型凹槽5的外直径等于柔性腔体1的半径；柔性公共极板4的半径加上半圆环型凹槽5的内外径的差等于半球体触头6的半径。这些参数均通过仿真、实验的验证，即综合考虑下保证触觉传感器的最佳性能。
在材质方面，实施例中的柔性腔体1、柔性基底2和半圆环形凹槽5都采用硅橡胶材料制成；而半球体触头6采用聚二甲基硅氧烷(简称PDMS)制成。作为柔性电极的方形柔性感应电极3和圆形柔性公共极板4均以石墨烯/银纳米颗粒/硅橡胶(GNPs/AgNPs/SR)的导电复合材料来制备，具体是将石墨烯和银纳米颗粒导电相在硅橡胶基体中均匀分散，银纳米颗粒均匀分散于石墨烯表面，石墨烯和银纳米颗粒进而构建高电学稳定性的三维导电网络。
本发明实施例一种全柔性电容式三维力触觉传感器的制备工艺主要基于3D打印技术及硅橡胶流体成型技术。首先，利用三维建模软件(如SolidWorks、AutoCAD、3D MAX等)设计本发明全柔性三维力触觉传感器中柔性腔体1、柔性基底2、方形柔性感应电极3、圆形柔性公共极板4、半圆环形凹槽5和半球体触头6的模具，其模具结构图分别如图8至图12所示。然后，将硅橡胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、石墨烯/银纳米颗粒/硅橡胶(GNPs/AgNPs/SR)导电复合材料注入各自的模具中，放入真空干燥箱中室温固化，待各部件固化后脱模。最后，使用硅橡胶作粘接剂，将柔性腔体1、柔性基底2、方形柔性感应电极3、圆形柔性公共极板4、半圆环形凹槽5以及半球体触头6层层组装，即可得到本发明的全柔性三维力触觉传感器。更具体地，本发明的传感器按如下步骤进行：首先，利用COMSOL有限元仿真软件，分析极板分布特征、结构参数以及在不同法向力、切向力作用下对极板电场分布特征的调控规律，逐步优化极板结构，尺寸参数等，结合理论计算，综合多角度因素，最终确定本发明全柔性三维力触觉传感器的极板结构、尺寸参数等，仿真结果与理论计算值保持了良好的一致性。确定好本发明的各部分结构和参数后，利用三维建模软件(如SolidWorks、AutoCAD、3DMAX等)设计本发明全柔性三维力触觉传感器的柔性腔体1、柔性基底2、方形柔性感应电极3、圆形柔性公共极板4、半圆环形凹槽5和半球体触头6的模具。待模具设计完毕，转换文件格式，在3D打印机中将这些模具一一打印出来，为防止模具在注入材料及凝固过程中发生变形，需要将每个模具打印多份。模具打印结束后，需要用砂纸对模具的表面进行细磨，以防止在3D打印过程中出现的瑕疵对传感器样品成型造成影响。再分别将石墨烯/银纳米颗粒/硅橡胶/聚二甲基硅氧烷(GNPs/AgNPs/SR/PDMS)导电复合材料注入各自的模具中，放入真空干燥箱中，在室温下固化，待各部件固化后脱模。各部件固化并脱模后，使用硅橡胶作粘接剂，将柔性腔体1、柔性基底2、方形柔性感应电极3、圆形柔性公共极板4、半圆环形凹槽5和半球体触头6从下到上进行层层组装，最终得到本发明的全柔性三维力触觉传感器。
如图13-17所示，为本发明全柔性三维力触觉传感器的特性曲线图。利用COMSOL有限元仿真软件，分析在不同法向力和切向力作用下的极板电场分布特征，得到工作机理仿真图。本发明实施例的工作原理如下：
由四个方形柔性感应电极3和圆形柔性公共极板4构成四个呈空间立体分布的电容，其中，圆形柔性公共极板4在柔性基底2的垂直投影区域始终包含四个方形柔性感应电极3的区域。当半球体触头6受到法向力及切向力作用时，一部分柔性公共极板与空气腔7互换位置，改变了极板间距从而改变了极板间介电常数，进而实现电容值的变化，其施加法向力时的仿真曲线、理论计算曲线及实际测量曲线如图13所示。反复实验，重复测量，分别得到了实验1次、10次、100次时的重复性特性曲线，如图14所示。通过对称分布的四个电容值的变化，可以感知所受外力的大小和方向；在法向力作用下，圆形柔性公共极板4法相上压缩，切向上扩张，与四个方形柔性感应电极3的间距减小，同时介电常数增大，四个电容值同趋势的增大；切向力作用下，圆形柔性公共极板4发生形变，圆形柔性公共极板4整体靠近距离受力方向较远的激励端，两极板间距减小，介电常数发生变化，对应的电容值也发生变化，得到如图15所示的三维力加载曲线。本实例测量迟滞特性曲线及响应时间曲线分别如图16-17所示。
与已有技术相比，本发明的优势如下：
1、本发明属于电容式柔性三维力触觉传感器，得益于其独特的设计结构，相较于传统的三维力结构，在相同作用力下，具有灵敏度和灵活性高、动态响应快、迟滞低等优良特性。
2、本发明传感器整体结构为柔性材料，克服了传统刚性传感器作为电子皮肤时存在的不易形变、难以共形、穿戴舒适性差等弊端，可用作柔性电子皮肤应用于人机交互、智能机器人、康复医疗等领域，为提升智能机器人感知外界环境能力提供技术支撑。
3、本发明传感器基于3D打印技术、流体成型工艺和自组装工艺，整体制备流程简单，适用于大批量制造；同时，采用碳系导电相及硅橡胶，制备材料价格低廉，更能应用于实际制作中，为多功能电子皮肤提供了一种可行的设计思路。
4、本发明通过圆形柔性公共极板4和方形柔性感应电极3，构成了呈空间立体分布的电容，空气作为介质层，在三维力作用下，改变了极板间距从而提高了介电常数，这种空间立体分布的电容相较于传统三维力传感器具有了更高的检测灵敏度和更快的响应速度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种全柔性电容式三维力触觉传感器，其特征是：主要由柔性腔体(1)、柔性基底(2)、柔性电极、半圆环形凹槽(5)和半球体触头(6)组成，所述的柔性电极包括方形柔性感应电极(3)和圆形柔性公共极板(4)，所有的柔性电极分别通过导线引出并接地构成公共端；所述的柔性腔体(1)为圆柱筒体，柔性基底(2)为圆板，柔性基底(2)下表面的圆心设置在柔性腔体(1)的圆心处，柔性腔体(1)的底部粘连在柔性基底(2)的上表面；四个方形柔性感应电极(3)设置成2×2阵列结构并粘连在柔性基底(2)的上表面，其对称中心点设置在柔性基底(2)的圆心处；圆形柔性公共极板(4)粘连在半球体触头(6)的底面，其对称中心点设置在半球体触头(6)底面的圆心处；半圆环形凹槽(5)环绕半球体触头(6)底部粘连，并共同粘连在柔性腔体(1)的内表面；半圆环形凹槽(5)还与圆形柔性公共极板(4)粘连；圆形柔性公共极板(4)和四个方形柔性感应电极(3)之间隔一层空气层作为电介质层，同时，圆形柔性公共极板(4)在柔性基底(2)上的垂直投影区域始终包含四个方形柔性感应电极(3)的区域。
2.根据权利要求1所述的一种全柔性电容式三维力触觉传感器，其特征是：所述的粘连均采用硅橡胶作为粘接剂。
3.根据权利要求1或2所述的一种全柔性电容式三维力触觉传感器，其特征是：所述圆形 柔性公共极板(4)的半径加上半圆环形 凹槽(5)的外直径等于柔性腔体(1)的半径；圆形 柔性公共极板(4)的半径加上半圆环形 凹槽(5)的内外径的差等于半球体触头(6)的半径；柔性腔体(1)的外径与柔性基底(2)的直径尺寸一致。
4.根据权利要求1所述的一种全柔性电容式三维力触觉传感器，其特征是：所述的半球体触头(6)采用聚二甲基硅氧烷制成。
5.根据权利要求1或4所述的一种全柔性电容式三维力触觉传感器，其特征是：所述的柔性腔体(1)、柔性基底(2)以及半圆环形凹槽(5)均采用硅橡胶材料制成。
6.根据权利要求5所述的一种全柔性电容式三维力触觉传感器，其特征是：所述的柔性电极均以石墨烯/银纳米颗粒/硅橡胶的导电复合材料来制备。
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