CN111829432A - 一种具有双层传感结构可模块化使用的软体曲率传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有双层传感结构可模块化使用的软体曲率传感器，涉及测量技术领域，下侧中间层、主要传感层和下侧保护层由上至下依次设置，下侧中间层和下侧保护层相连接，主要传感层的两端分别连接有一个导线，主要传感层沿下侧中间层的纵向延伸设置；上侧保护层、次要传感层和上侧中间层由上至下依次设置，上侧保护层、上侧中间层和下侧中间层依次连接，次要传感层包括多个次要传感栅格，多个次要传感栅格沿主要传感层的长度方向依次设置，各次要传感栅格的两端分别连接有一个导线。本发明提供的具有双层传感结构可模块化使用的软体曲率传感器，在弯曲情况为单向单一曲率或单向非单一曲率时均能应用，提高检测精度。

Description

一种具有双层传感结构可模块化使用的软体曲率传感器

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别是涉及一种具有双层传感结构可模块化使用的软体曲率传感器。

背景技术

软电子材料是从传统电子材料的基础上发展起来的，其在性能、功能、通用性方面的进步可以实现传统的硅技术下不能实现的应用。软电子材料制作的产品最大的特性既是柔顺性，在现在软体机器人、可穿戴生物监测、人机交互等火热的新兴领域，具有柔顺性的产品正可以施展拳脚。

智能化一直是机器人包括软体机器人领域所追求的目标，而感知是智能化必须的一种能力。软体机器人的感知包括对自身的运动估计、接触建模和对周围环境的映射。在传统的解决方案中，高度专业化的刚性传感器能够满足大部分的要求，但是用于软体机器人时，刚性传感器的介入大大降低了软体机器人的柔性，不仅会干扰机器人本身的运动，所测得的数据也不够准确。软体传感器的出现正是为了解决这方面的问题，直接由柔软材料制作的传感器能够最小限度的影响软体机器人的运动，另外，二者姿态的一致也使传感器能够提供准确的实时数据。

现阶段的软体机器人中，弯曲是运动的主要形式，但是由于软体曲率传感器技术方面的不成熟，软体机器人的控制一般被迫选择开环控制，精度远不如闭环控制。除此之外，大多数软体曲率传感器的传感结构一般只有一层，所测结果仅仅只有一个数据，进而只能得到单一曲率，软体机器人的弯曲情况并不是完美的，单一曲率远远不能提供完整的弯曲情况，在精度要求较高的应用中，单层传感结构的软体传感器已无法满足需求。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种具有双层传感结构可模块化使用的软体曲率传感器，弯曲情况为单向单一曲率或单向非单一曲率时均能应用，提高检测精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种具有双层传感结构可模块化使用的软体曲率传感器，包括传感器本体和多个导线，所述传感器本体包括保护层、中间层和传感层，所述保护层包括上侧保护层和下侧保护层，所述中间层包括上侧中间层和下侧中间层，所述传感层包括主要传感层和次要传感层；所述下侧中间层、所述主要传感层和所述下侧保护层由上至下依次设置，所述下侧中间层和所述下侧保护层相连接，所述主要传感层的两端分别连接有一个所述导线，所述主要传感层沿所述下侧中间层的纵向延伸设置；所述上侧保护层、所述次要传感层和所述上侧中间层由上至下依次设置，所述上侧保护层、所述上侧中间层和所述下侧中间层依次连接，所述次要传感层包括多个次要传感栅格，多个所述次要传感栅格沿所述主要传感层的长度方向依次设置，各所述次要传感栅格的两端分别连接有一个所述导线。

优选地，所述主要传感层包括第一通道空腔和设置于所述第一通道空腔中的液态金属，所述第一通道空腔设置于所述下侧中间层和所述下侧保护层之间，所述第一通道空腔沿所述下侧中间层的纵向延伸设置。

优选地，所述次要传感栅格包括第二通道空腔和设置于所述第二通道空腔中的液态金属，所述第二通道空腔设置于所述上侧保护层和所述上侧中间层之间，所述第二通道空腔的长度方向与所述第一通道空腔的长度方向相垂直。

优选地，所述第一通道空腔和所述第二通道空腔均为迂回型通道空腔，所述第一通道空腔的两端分别设置有一个所述导线，所述第二通道空腔的两端分别设置有一个所述导线。

优选地，所述第一通道空腔两端的两个所述导线位于所述下侧中间层的同一侧，所述第二通道空腔两端的两个所述导线位于所述上侧中间层的同一侧。

优选地，所述液态金属为液态镓铟锡合金。

优选地，所述上侧保护层、所述上侧中间层、所述下侧中间层和所述下侧保护层的材质均为PDMS。

优选地，所述上侧保护层通过粘结剂粘结于所述上侧中间层的上表面，所述上侧中间层通过粘结剂粘结于所述下侧中间层的上表面，所述下侧中间层通过粘结剂粘结于所述下侧保护层的上表面。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的具有双层传感结构可模块化使用的软体曲率传感器，当弯曲情况为单向非单一曲率时，在被测件弯曲变形时，主要传感层根据电阻相对变化量得出被测件弯曲情况的基础曲率，次要传感层根据多个次要传感栅格的电阻相对变化量得出被测件弯曲情况的多个位置上的修正曲率，对基础曲率进行局部修正，从而得出真实的弯曲情况，提高检测精度。当弯曲情况为单向单一曲率时，传感器本体可从下侧中间层与上侧中间层之间拆开，含有主要传感层的纵向软体曲率传感器和含有次要传感层的横向软体曲率传感器可以独立完成相应工作。本发明可以解决软体机器人、可穿戴生物监测、人机交互等领域急需解决的曲率完整感测的问题，传感层的两层结构设计不仅仅能够给出单一的曲率信息，还能够给出局部曲率修正信息，从而刻画出一条非单一曲率的曲线，感知真实的完整弯曲情况，使用方法具有模块化的方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的具有双层传感结构可模块化使用的软体曲率传感器的结构示意图；

图2为本发明中传感器本体的结构示意图；

图3为本发明中纵向软体曲率传感器的结构示意图；

图4为本发明中横向软体曲率传感器的结构示意图。

附图标记说明：1、导线；2、传感器本体；3、传感层；31、主要传感层；32、次要传感层；321、次要传感栅格；4、保护层；41、下侧保护层；42、上侧保护层；5、中间层；51、下侧中间层；52、上侧中间层。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种具有双层传感结构可模块化使用的软体曲率传感器，弯曲情况为单向单一曲率或单向非单一曲率时均能应用，提高检测精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图4所示，本实施例提供一种具有双层传感结构可模块化使用的软体曲率传感器，包括传感器本体2和多个导线1，传感器本体2包括保护层4、中间层5和传感层3，保护层4包括上侧保护层42和下侧保护层41，中间层5包括上侧中间层52和下侧中间层51，通过将中间层5分为两层，方便实行模块化的使用方式，传感层3包括主要传感层31和次要传感层32。下侧中间层51、主要传感层31和下侧保护层41由上至下依次设置，下侧中间层51和下侧保护层41相连接，下侧中间层51用于密封主要传感层31并隔绝次要传感层32，下侧保护层41用于密封主要传感层31，将主要传感层31与外界环境分隔开而起到保护作用，主要传感层31的两端分别连接有一个导线1，通过导线1将主要传感层31的电阻值信息传送至外部电路，主要传感层31沿下侧中间层51的纵向延伸设置；上侧保护层42、次要传感层32和上侧中间层52由上至下依次设置，上侧保护层42、上侧中间层52和下侧中间层51依次连接，上侧中间层52用于密封次要传感层32并隔绝主要传感层31，上侧保护层42用于密封次要传感层32，将次要传感层32与外界环境分隔开而起到保护作用，次要传感层32包括多个次要传感栅格321，多个次要传感栅格321沿主要传感层31的长度方向依次设置，各次要传感栅格321的两端分别连接有一个导线1，通过导线1将各个次要传感栅格321的电阻值信息传送至外部电路。

当弯曲情况为单向非单一曲率时，被测件弯曲变形，主要传感层31根据电阻相对变化量得出被测件弯曲情况的基础曲率，次要传感层32根据多个次要传感栅格321的电阻相对变化量得出被测件弯曲情况的多个位置上的修正曲率，对基础曲率进行局部修正，从而得出真实的弯曲情况，提高检测精度。当弯曲情况为单向单一曲率时，传感器本体2可从下侧中间层51与上侧中间层52之间拆开，下侧保护层41、主要传感层31和下侧中间层51组合成为一个纵向软体曲率传感器，可单独用以测量单向单一大曲率；上侧保护层42、次要传感层32和上侧中间层52组合成为一个横向软体曲率传感器，可单独用以测量单向单一小曲率，即含有主要传感层31的纵向软体曲率传感器和含有次要传感层32的横向软体曲率传感器可以独立完成相应工作。

如图3所示，主要传感层31包括第一通道空腔和设置于第一通道空腔中的液态金属，第一通道空腔设置于下侧中间层51和下侧保护层41之间，第一通道空腔沿下侧中间层51的纵向延伸设置。

如图4所示，次要传感栅格321包括第二通道空腔和设置于第二通道空腔中的液态金属，第二通道空腔设置于上侧保护层42和上侧中间层52之间，第二通道空腔的长度方向与第一通道空腔的长度方向相垂直。本实施例中的次要传感栅格321设置为三个，三个次要传感栅格321沿主要传感层31的长度方向均匀设置。

于本具体实施例中，第一通道空腔和第二通道空腔均为迂回型通道空腔，第一通道空腔的两端分别设置有一个导线1，第二通道空腔的两端分别设置有一个导线1。

于本具体实施例中，第一通道空腔两端的两个导线1位于下侧中间层51的同一侧，第二通道空腔两端的两个导线1位于上侧中间层52的同一侧。

于本具体实施例中，液态金属为液态镓铟锡合金。液态金属用作制作材料本身具有低粘度、高电导率、低蒸汽压的优点。低粘度能够减少传感材料与密封材料之间的气隙。高电导率能够提高传感器的灵敏度。低蒸汽压使得液态金属不会过量挥发，提高了操作者和使用者的安全系数。另外，液态金属相比于可导纳米复合材料和可导有机溶液，测量结果没有漂移和非线性。

于本具体实施例中，上侧保护层42、上侧中间层52、下侧中间层51和下侧保护层41的材质均为PDMS。PDMS用作制作材料能够使软体曲率传感器具备最重要的柔性，对外界压力、冲击和拉伸具有缓冲保护功能，对传感层材料起到密封效果。

于本具体实施例中，上侧保护层42通过粘结剂粘结于上侧中间层52的上表面，上侧中间层52通过粘结剂粘结于下侧中间层51的上表面，下侧中间层51通过粘结剂粘结于下侧保护层41的上表面。

具体地，被测件采用3D打印直接制作而成，本实施例中的软体曲率传感器嵌入安装在被测件的孔隙内，并用PDMS材料密封固定，软体曲率传感器跟随被测件的弯曲而弯曲，测量其弯曲情况。

制作本实施例中的软体曲率传感器时，先使用3D打印机将保护层模具打印出来，将PDMS材料混合好后，将其浇筑在模具内，待其完全固化，使用刮刀将多余材料切除，上侧保护层42和下侧保护层41的形状与制作方法完全相同，上侧保护层42和下侧保护层41均为扁平长方体。将主要传感层31和次要传感层32的通道形状使用3D打印机打印在模具之上，将PDMS材料分别进行浇筑，待完全固化后，得到含有第一通道凹槽的下侧中间层51和含有多个第二通道凹槽的上侧中间层52。

将下侧保护层41和下侧中间层51使用粘结剂粘结，下侧中间层51的第一通道凹槽朝下设置，下侧保护层41覆盖于下侧中间层51的下表面，使得下侧中间层51和所述下侧保护层41之间形成第一通道空腔，待粘结剂充分粘结，使用注射器将液态镓铟锡合金注射入第一通道空腔内，形成主要传感层31；将上侧保护层42和上侧中间层52使用粘结剂粘结，上侧中间层52的第二通道凹槽朝上设置，上侧保护层42覆盖于上侧中间层52的上表面，使得上侧保护层42和上侧中间层52之间形成多个第二通道空腔，待粘结剂充分粘结，使用注射器将液态镓铟锡合金注射入多个第二通道空腔内，形成次要传感层32；最后将下侧中间层51与上侧中间层52使用粘结剂进行粘结，待粘结结束，完整的软体曲率传感器制作完成。

具体工作原理为：传感层3在被测件弯曲变形时，其内液态金属材料电阻值会发生变化，主要传感层31根据电阻相对变化量得出被测件弯曲情况的基础曲率，次要传感层32根据三个次要传感栅格321的电阻相对变化量得出被测件弯曲情况的这三个位置上的修正曲率，对基础曲率进行局部修正，从而得出真实的弯曲情况。本实施例中的软体曲率传感器的使用具有模块化的方式，当弯曲情况为单向单一曲率时，仅由纵向软体曲率传感器或横向软体曲率传感器即可完成测量任务，当弯曲情况为单向非单一曲率时，完整的软体曲率传感器可以完成测量任务。

可见，本实施例可以解决软体机器人、可穿戴生物监测、人机交互等领域急需解决的曲率完整感测的问题，传感层3的两层结构设计不仅仅能够给出单一的曲率信息，还能够给出局部曲率修正信息，从而刻画出一条非单一曲率的曲线，感知真实的完整弯曲情况，使用方法具有模块化的方式。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种具有双层传感结构可模块化使用的软体曲率传感器，其特征在于，包括传感器本体和多个导线，所述传感器本体包括保护层、中间层和传感层，所述保护层包括上侧保护层和下侧保护层，所述中间层包括上侧中间层和下侧中间层，所述传感层包括主要传感层和次要传感层；所述下侧中间层、所述主要传感层和所述下侧保护层由上至下依次设置，所述下侧中间层和所述下侧保护层相连接，所述主要传感层的两端分别连接有一个所述导线，所述主要传感层沿所述下侧中间层的纵向延伸设置；所述上侧保护层、所述次要传感层和所述上侧中间层由上至下依次设置，所述上侧保护层、所述上侧中间层和所述下侧中间层依次连接，所述次要传感层包括多个次要传感栅格，多个所述次要传感栅格沿所述主要传感层的长度方向依次设置，各所述次要传感栅格的两端分别连接有一个所述导线。

2.根据权利要求1所述的具有双层传感结构可模块化使用的软体曲率传感器，其特征在于，所述主要传感层包括第一通道空腔和设置于所述第一通道空腔中的液态金属，所述第一通道空腔设置于所述下侧中间层和所述下侧保护层之间，所述第一通道空腔沿所述下侧中间层的纵向延伸设置。

3.根据权利要求2所述的具有双层传感结构可模块化使用的软体曲率传感器，其特征在于，所述次要传感栅格包括第二通道空腔和设置于所述第二通道空腔中的液态金属，所述第二通道空腔设置于所述上侧保护层和所述上侧中间层之间，所述第二通道空腔的长度方向与所述第一通道空腔的长度方向相垂直。

4.根据权利要求3所述的具有双层传感结构可模块化使用的软体曲率传感器，其特征在于，所述第一通道空腔和所述第二通道空腔均为迂回型通道空腔，所述第一通道空腔的两端分别设置有一个所述导线，所述第二通道空腔的两端分别设置有一个所述导线。

5.根据权利要求4所述的具有双层传感结构可模块化使用的软体曲率传感器，其特征在于，所述第一通道空腔两端的两个所述导线位于所述下侧中间层的同一侧，所述第二通道空腔两端的两个所述导线位于所述上侧中间层的同一侧。

6.根据权利要求3所述的具有双层传感结构可模块化使用的软体曲率传感器，其特征在于，所述液态金属为液态镓铟锡合金。

7.根据权利要求1所述的具有双层传感结构可模块化使用的软体曲率传感器，其特征在于，所述上侧保护层、所述上侧中间层、所述下侧中间层和所述下侧保护层的材质均为PDMS。

8.根据权利要求1所述的具有双层传感结构可模块化使用的软体曲率传感器，其特征在于，所述上侧保护层通过粘结剂粘结于所述上侧中间层的上表面，所述上侧中间层通过粘结剂粘结于所述下侧中间层的上表面，所述下侧中间层通过粘结剂粘结于所述下侧保护层的上表面。

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