CN113483921A - 一种三维柔性触觉传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种三维柔性触觉传感器，包括半球形凸起层(1)、浮动电极(2)、绝缘层(3)、有机弹性体(4)、预结构化导电弹性体(5)、驱动电极(6)、感应电极(7)、柔性PCB板(8)和基底(9)；本发明分别从材料磁场极化传感原理和传感单元结构设计上实现法向力与滑移力的三维力检测与自解耦。

Description

一种三维柔性触觉传感器
技术领域
本发明涉及触觉传感器领域，具体是一种三维柔性触觉传感器。
背景技术
触觉传感器对机器人特别是服务机器人和仿生机器人的研发和应用是非常重要的，它可使机器人既能敏感准确地感知外部环境，又能实现与人安全自然的接触交互。不仅如此，触觉传感器在体育训练、康复医疗等很多方面都具有广泛的应用。然而，现有技术一般是实现正压力(法向力)的检测，而大多综合滑觉检测的三维触觉传感器存在解耦困难，甚至无法解耦。
磁性导电相填充型导电弹性体因为其磁流变效应可在固化制备阶段施加磁场，从而可获得微观上与外力作用方向相同的导电相定向空间分布，进而在外力作用下的导电弹性体变形过程中实现微观上导电相的大规模重排效应。此导电相重排效应诱导微观上导电通道或微电容器的重新分布，从而引起宏观电阻或电容的显著变化，便可实现高灵敏的柔性触觉传感。
然而，当微观上导电相的定向空间分布与外力作用方向不相同 (即存在夹角)时，其灵敏度会发生下降，原因是无法诱导微观上外力作用方向上的导电相大规模重排效应。且导电相定向空间分布方向与外力作用方向夹角越大，其灵敏度越小。
发明内容
本发明的目的是提供一种三维柔性触觉传感器，包括浮动电极、绝缘层、有机弹性体、预结构化导电弹性体、驱动电极、感应电极、柔性PCB板和基底。
一层半球形凸起层覆盖于M×N排布的浮动电极阵列上。
若干浮动电极粘贴在第一层绝缘层的上表面。
第二层绝缘层覆盖在柔性PCB板上。
所述预结构化导电弹性***于两层绝缘层之间。
所述预结构化导电弹性体包括有机弹性体和若干磁性颗粒。
所述有机弹性体为中空腔体。
若干磁性颗粒分布在有机弹性体内部。
以预结构化导电弹性体的重心点为坐标原点建立三维笛卡尔坐标系。其中，预结构化导电弹性体中位于三维笛卡尔坐标系第一卦限和第五卦限的部分记为第一子区域，位于第二卦限和第六卦限的部分记为第二子区域，第三卦限和第七卦限的部分记为第三子区域，第四卦限和第八卦限的部分记为第四子区域。
当三维柔性触觉传感器处于初始状态时，第一子区域内的磁性颗粒向x+轴方向倾斜，倾斜角度记为θx+。第二子区域内的磁性颗粒向y+轴方向倾斜，倾斜角度记为θy+。第三子区域内的磁性颗粒向 x-轴方向倾斜，倾斜角度记为θx-。第四子区域内的磁性颗粒向y-轴方向倾斜，倾斜角度记为θy-。
将一个浮动电极阵列中，投影位于第一子区域内的浮动电极记为x+电极单元，投影位于第二子区域内的浮动电极记为y+电极单元，投影位于第三子区域内的浮动电极记为x-电极单元，投影位于第四子区域内的浮动电极记为y-电极单元。
当三维柔性触觉传感器受到x+轴方向的滑翔力时，倾斜角度θx-减小、x-电极单元中浮动电极的投影与对应驱动电极、感应电极的重叠面积增大，倾斜角度θx+增大，x+电极单元中浮动电极的投影与对应驱动电极、感应电极的重叠面积减小。
当三维柔性触觉传感器受到x-轴方向的滑翔力时，倾斜角度θx-增大、x-电极单元中浮动电极的投影与对应驱动电极、感应电极的重叠面积减小，倾斜角度θx+减小，x+电极单元中浮动电极的投影与对应驱动电极、感应电极的重叠面积增大。
当三维柔性触觉传感器受到y+轴方向的滑翔力时，倾斜角度θy-减小、y-电极单元中浮动电极的投影与对应驱动电极、感应电极的重叠面积增大，倾斜角度θy+增大，y+电极单元中浮动电极的投影与对应驱动电极、感应电极的重叠面积减小。
当三维柔性触觉传感器受到y-轴方向的滑翔力时，倾斜角度θy-增大、y-电极单元中浮动电极的投影与对应驱动电极、感应电极的重叠面积减小，倾斜角度θy+减小，y+电极单元中浮动电极的投影与对应驱动电极、感应电极的重叠面积增大。
所述驱动电极、感应电极与有机弹性体的底面相贴合。
一个驱动电极、一个感应电极与一个浮动电极相对应。其中，驱动电极与该浮动电极的投影有重叠。感应电极与该浮动电极阵列的投影有重叠。
所述柔性PCB板位于基底上表面。
三维柔性触觉传感器还包括覆盖于M×N排布的浮动电极阵列上的半球形凸起层。
一层半球形凸起层、M×N排布的浮动电极阵列、预结构化导电弹性体、一个驱动电极、一个感应电极构成一个三维柔性触觉传感单元。
在一个三维柔性触觉传感单元中，驱动电极、感应电极与浮动电极投影重叠面积不同。
三维柔性触觉传感器同时还受到法向力时，预结构化导电弹性体法向上变形，磁性颗粒发生重排效应。
三维柔性触觉传感单元通过每个浮动电极两端产生电荷的大小以测量外界接触力的大小和方向。
三维柔性触觉传感单元同时受到x方向和y方向的滑翔力。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明提供一种基于磁性导电相预结构化弹性体的柔性三维触觉传感器，分别从材料磁场极化传感原理和传感单元结构设计上实现法向力与滑移力的三维力检测与自解耦，为柔性三维触觉传感器或电子皮肤提供一种新选项。
附图说明
图1为基于导电弹性体磁场预结构化的灵敏度差异性实现三维触觉传感的工作原理图；图1(a)为x-单元、y-单元初始状态示意图；图1(b)为x+单元、y+单元初始状态示意图；图1(c)为x- 单元、y-单元受剪切力(x-轴)状态示意图；图1(d)为x+单元、 y+单元受剪切力(x-轴)状态示意图；图1(e)为x-单元、y-单元受压力和剪切力(x-&z-轴)状态示意图；图1(f)为x+单元、y+ 单元受压力和剪切力(x-&z-轴)状态示意图。
图2为三维触觉传感器单元设计图；
图3为三维触觉传感器单元内部导电弹性体结构图I；
图4为三维触觉传感器单元内部导电弹性体结构图II；
图5为三维触觉传感器设计图I；
图6为三维触觉传感器设计图II；
图7为三维触觉传感器阵列图I；
图8为三维触觉传感器阵列图II；
图中：半球形凸起层1、浮动电极2、绝缘层3、有机弹性体4、预结构化导电弹性体5、驱动电极6、感应电极7、柔性PCB板8、基底9、磁性颗粒10。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1至图8，一种三维柔性触觉传感器，包括浮动电极2、绝缘层3、有机弹性体4、预结构化导电弹性体5、驱动电极6、感应电极7、柔性PCB板8和基底9。
一层半球形凸起层1覆盖于M×N排布的浮动电极阵列上。M＝2＝N。
若干浮动电极2粘贴在第一层绝缘层3的上表面。
第二层绝缘层3覆盖在柔性PCB板8上。
所述预结构化导电弹性体5位于两层绝缘层3之间。
所述预结构化导电弹性体5包括有机弹性体4和若干磁性颗粒 10。
所述有机弹性体4为中空腔体。
有机弹性体是基体(绝缘的，对外力不敏感)，里面的磁性颗粒 (金属，有导电性)是分散在里面的，这时就成了导电弹性体(外力导致应变过程，电阻或电容会变化，具有一定的导电性)。所谓预结构化导电弹性体是指将一般随机分布在有机弹性基体中的磁性颗粒极化为一种定向分布，这就叫做磁性颗粒的空间分布结构的预结构化，相应的整个材料就叫做预结构化导电弹性体。
当这种导电弹性体被外力压缩时，内部的导电颗粒的相对位置会发生动态变化，相邻颗粒之间的距离、正对面积等也就变化，那么导电性变发生变化，宏观表现为电容、电阻发生变化。这就是传感机制。本发明的关键是实现三维力的检测，而且可以自解耦，那么依赖了前期发现的一种特殊现象，即灵敏度还跟颗粒的预结构化方向(排列/极化方向)有关。
若干磁性颗粒10分布在有机弹性体4内部。
以预结构化导电弹性体5的重心点为坐标原点建立三维笛卡尔坐标系。其中，预结构化导电弹性体5中位于三维笛卡尔坐标系第一卦限和第五卦限的部分记为第一子区域，位于第二卦限和第六卦限的部分记为第二子区域，第三卦限和第七卦限的部分记为第三子区域，第四卦限和第八卦限的部分记为第四子区域。x+轴、y+轴、 z+轴所在部分为第一卦限，x-轴、y+轴、z+轴所在部分为第二卦限， x-轴、y-轴、z+轴所在部分为第三卦限，x+轴、y-轴、z+轴所在部分为第四卦限，x+轴、y+轴、z-轴所在部分为第五卦限，x-轴、y+ 轴、z-轴所在部分为第六卦限，x-轴、y-轴、z-轴所在部分为第七卦限，x+轴、y-轴、z-轴所在部分为第八卦限。
当三维柔性触觉传感器处于初始状态时，第一子区域内的磁性颗粒10向x+轴方向倾斜，倾斜角度记为θx+。第二子区域内的磁性颗粒10向y+轴方向倾斜，倾斜角度记为θy+。第三子区域内的磁性颗粒10向x-轴方向倾斜，倾斜角度记为θx-。第四子区域内的磁性颗粒10向y-轴方向倾斜，倾斜角度记为θy-。θx+和θy+可以相等，θx-和θy-可以相等。
第三子区域内的磁性颗粒10向y-轴方向倾斜，倾斜角度记为θy-。第四子区域内的磁性颗粒10向x-轴方向倾斜，倾斜角度记为θx-。
将一个浮动电极阵列中，投影位于第一子区域内的浮动电极2 记为x+电极单元，投影位于第二子区域内的浮动电极2记为y+电极单元，投影位于第三子区域内的浮动电极2记为x-电极单元，投影位于第四子区域内的浮动电极2记为y-电极单元。x+电极单元、y+ 电极单元位于同行不同列，x-电极单元、y-电极单元位于同行不同列。
当三维柔性触觉传感器受到x+轴方向的滑翔力时，倾斜角度θx-减小、x-电极单元中浮动电极的投影与对应驱动电极6、感应电极7 的重叠面积增大，倾斜角度θx+增大，x+电极单元中浮动电极的投影与对应驱动电极6、感应电极7的重叠面积减小。
当三维柔性触觉传感器受到x-轴方向的滑翔力时，倾斜角度θx-增大、x-电极单元中浮动电极的投影与对应驱动电极6、感应电极7 的重叠面积减小，倾斜角度θx+减小，x+电极单元中浮动电极的投影与对应驱动电极6、感应电极7的重叠面积增大。
当三维柔性触觉传感器受到y+轴方向的滑翔力时，倾斜角度θy-减小、y-电极单元中浮动电极的投影与对应驱动电极6、感应电极7 的重叠面积增大，倾斜角度θy+增大，y+电极单元中浮动电极的投影与对应驱动电极6、感应电极7的重叠面积减小。
当三维柔性触觉传感器受到y-轴方向的滑翔力时，倾斜角度θy-增大、y-电极单元中浮动电极的投影与对应驱动电极6、感应电极7 的重叠面积减小，倾斜角度θy+减小，y+电极单元中浮动电极的投影与对应驱动电极6、感应电极7的重叠面积增大。
所述驱动电极6、感应电极7与有机弹性体5的底面相贴合；
一个驱动电极6、一个感应电极7与一个浮动电极2相对应。其中，驱动电极6与该浮动电极2的投影有重叠。感应电极7与该浮动电极阵列的投影有重叠。
所述柔性PCB板8位于基底9上表面。
三维柔性触觉传感器还包括覆盖于M×N排布的浮动电极阵列上的半球形凸起层1。
一层半球形凸起层1、M×N排布的浮动电极阵列、预结构化导电弹性体3、一个驱动电极6、一个感应电极7构成一个三维柔性触觉传感单元。
在一个三维柔性触觉传感单元中，驱动电极6、感应电极7与浮动电极2投影重叠面积不同。
三维柔性触觉传感器同时还受到法向力时，预结构化导电弹性体5法向上变形，磁性颗粒10发生重排效应。
三维柔性触觉传感单元通过每个浮动电极1两端产生电荷的大小以测量外界接触力的大小和方向。
三维柔性触觉传感单元同时受到x方向和y方向的滑翔力。
实施例2：
参见图8，基于导电弹性体磁场预结构化的灵敏度差异性实现三维触觉传感的方法阐述如下。传感单元中含有x-，x+，y-，y+共4 个敏感子单元，4个敏感子单元具有不同的预结构化方向(角度)，且浮动电极1、感应电极4、驱动电极5具有不同的重叠特征。
初始状态，传感单元中有x-，x+，y-，y+共4个敏感子单元，具有不同的预结构化方向(角度θ)，其中x-，y-子单元向其负方向倾斜，x+，y+子单元向其正方向倾斜，且浮动电极1、感应电极4、驱动电极5具有不同的重叠特征；以受到x+，y+方向滑移力为例，x-， y-子单元中θ减小，电极重叠面积增大，x+，y+子单元中θ增大，电极重叠面积减小，且以此实现向高精度滑移力检测；图1-3同时受到法向力和滑移力时，预结构化导电弹性体2法向上变形，导致大规模磁性颗粒3重排效应，实现法向力和滑移力的高灵敏检测。
基于材料预结构化的三维力检测：
以实现x方向滑移力检测为例，x-单元颗粒链向x-方向倾斜一个角度θ，x+单元颗粒链向x+方向倾斜相同角度θ。当存在x+方向滑移力时，预结构化导电弹性体2发生x+方向变形，此时，x-单元颗粒链在微观上向x+方向偏转，倾斜角度θ减小；x+单元颗粒链亦向x+方向偏转，但由于其初始态已是向x+方向倾斜，倾斜角度θ继续增大。此倾斜角度θ依据在实际应用情况中允许的弹性形变极限来确定，即允许子单元中颗粒链的θ最大减至零。根据已知原理，当颗粒链簇预结构化方向靠近法向时，预结构化导电弹性体2的压容灵敏度将显著上升，而当远离法向时，灵敏度显著下降，基于此原理，从材料特性上即可判定x方向上的滑移力。
基于传感单元结构设计的三维力检测：
另一方面，如图1中所设计的传感单元结构中，浮动电极1与其感应电极4、驱动电极5的重叠面积存在差别设计。同样以x方向滑移力检测为例，当存在x+方向滑移力时，预结构化导电弹性体2 发生x+方向变形，此过程中x-单元中电极重叠面积增大，x+单元中电极重叠面积减小，基于此原理，亦可从结构特性上判定x方向上的滑移力。
因此，敏感材料的预结构化特征和敏感单元电极结构的双重设计，保证了x-单元电容器的电容值将显著变化(增大)，而x+单元电容器的电容值将变化很小(小幅增大甚至可能减小)，由此可获得x 方向滑移力的高灵敏检测。依此类推，通过设置在y方向的y-和y+两个对应的预结构化子单元实现y方向的滑移力检测，x与y方向子单元共同实现任意方向的滑移力检测。
传感器在实际工作中一般同时受到法向力和滑移力作用，除发生上述过程外，预结构化导电弹性体2的法向上变形导致大规模颗粒重排效应，这一效应将进一步增大滑移力的检测灵敏度，且同时实现了法向力的高灵敏检测。依据上述分析，可设计基于磁场预结构化导电弹性体的三维触觉传感器单元及阵列。

Claims (7)

1.一种三维柔性触觉传感器，其特征在于：包括所述浮动电极(2)、绝缘层(3)、有机弹性体(4)、预结构化导电弹性体(5)、驱动电极(6)、感应电极(7)、柔性PCB板(8)和基底(9)。
一层半球形凸起层(1)覆盖于M×N排布的浮动电极阵列上；
若干浮动电极(2)粘贴在第一层绝缘层(3)的上表面；
第二层绝缘层(3)覆盖在柔性PCB板(8)上；
所述预结构化导电弹性体(5)位于两层绝缘层(3)之间；
所述预结构化导电弹性体(5)包括有机弹性体(4)和若干磁性颗粒(10)；
所述有机弹性体(4)为中空腔体；
若干磁性颗粒(10)分布在有机弹性体(4)内部；
以预结构化导电弹性体(5)的重心点为坐标原点建立三维笛卡尔坐标系；其中，预结构化导电弹性体(5)中位于三维笛卡尔坐标系第一卦限和第五卦限的部分记为第一子区域，位于第二卦限和第六卦限的部分记为第二子区域，第三卦限和第七卦限的部分记为第三子区域，第四卦限和第八卦限的部分记为第四子区域；
当三维柔性触觉传感器处于初始状态时，第一子区域内的磁性颗粒(10)向x+轴方向倾斜，倾斜角度记为θx+；第二子区域内的磁性颗粒(10)向y+轴方向倾斜，倾斜角度记为θy+；第三子区域内的磁性颗粒(10)向x-轴方向倾斜，倾斜角度记为θx-；第四子区域内的磁性颗粒(10)向y-轴方向倾斜，倾斜角度记为θy-；
将一个浮动电极阵列中，投影位于第一子区域内的浮动电极(2)记为x+电极单元，投影位于第二子区域内的浮动电极(2)记为y+电极单元，投影位于第三子区域内的浮动电极(2)记为x-电极单元，投影位于第四子区域内的浮动电极(2)记为y-电极单元；
当三维柔性触觉传感器受到x+轴方向的滑翔力时，倾斜角度θx-减小、x-电极单元中浮动电极的投影与对应驱动电极(6)、感应电极(7)的重叠面积增大，倾斜角度θx+增大，x+电极单元中浮动电极的投影与对应驱动电极(6)、感应电极(7)的重叠面积减小；
当三维柔性触觉传感器受到x-轴方向的滑翔力时，倾斜角度θx-增大、x-电极单元中浮动电极的投影与对应驱动电极(6)、感应电极(7)的重叠面积减小，倾斜角度θx+减小，x+电极单元中浮动电极的投影与对应驱动电极(6)、感应电极(7)的重叠面积增大；
当三维柔性触觉传感器受到y+轴方向的滑翔力时，倾斜角度θy-减小、y-电极单元中浮动电极的投影与对应驱动电极(6)、感应电极(7)的重叠面积增大，倾斜角度θy+增大，y+电极单元中浮动电极的投影与对应驱动电极(6)、感应电极(7)的重叠面积减小；
当三维柔性触觉传感器受到y-轴方向的滑翔力时，倾斜角度θy-增大、y-电极单元中浮动电极的投影与对应驱动电极(6)、感应电极(7)的重叠面积减小，倾斜角度θy+减小，y+电极单元中浮动电极的投影与对应驱动电极(6)、感应电极(7)的重叠面积增大；
所述驱动电极(6)、感应电极(7)与有机弹性体(5)的底面相贴合；
一个驱动电极(6)、一个感应电极(7)与一个浮动电极(2)相对应；其中，驱动电极(6)与该浮动电极(2)的投影有重叠；感应电极(7)与该浮动电极阵列的投影有重叠；
所述柔性PCB板(8)位于基底(9)上表面。
2.根据权利要求1所述的一种三维柔性触觉传感器，其特征在于：还包括覆盖于M×N排布的浮动电极阵列上的半球形凸起层(1)。
3.根据权利要求2所述的一种三维柔性触觉传感器，其特征在于：一层半球形凸起层(1)、M×N排布的浮动电极阵列、预结构化导电弹性体(3)、一个驱动电极(6)、一个感应电极(7)构成一个三维柔性触觉传感单元。
4.根据权利要求3所述的一种三维柔性触觉传感器，其特征在于：在一个三维柔性触觉传感单元中，驱动电极(6)、感应电极(7)与浮动电极(2)投影重叠面积不同。
5.根据权利要求1所述的一种三维柔性触觉传感器，其特征在于：三维柔性触觉传感器同时还受到法向力时，预结构化导电弹性体(5)法向上变形，磁性颗粒(10)发生重排效应。
6.根据权利要求1所述的一种三维柔性触觉传感器，其特征在于：三维柔性触觉传感单元通过每个浮动电极(1)两端产生电荷的大小以测量外界接触力的大小和方向。
7.根据权利要求1所述的一种三维柔性触觉传感器，其特征在于：三维柔性触觉传感单元同时受到x方向和y方向的滑翔力。
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