CN204286649U - 一种触手结构的仿生三维电容式触觉传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种触手结构的仿生三维电容式触觉传感器。它由柔性PCB基板，硅橡胶电容式触觉传感单元阵列组合而成；柔性PCB基板：包括检测电路导电层和接口电路导电层；硅橡胶电容式触觉传感单元阵列：包硅橡胶电容下极板、电介质层和硅橡胶电容上极板；硅橡胶电容下极板的下底面安装在柔性PCB基板的接口电路导电层上表面上，硅橡胶电容式触觉传感单元阵列由 N × N 个结构相同的硅橡胶电容式触觉传感单元组成。采用触手结构的硅橡胶电容式触觉传感单元阵列，能与被测对象的不规则表面完全贴合，实现微弱触觉感知；每个单元均有四个中心对称的电容传感单元，实现 X - Y - Z 三维压力传感，完美实现人工假肢的触觉功能重建。

Description

一种触手结构的仿生三维电容式触觉传感器

技术领域

本实用新型涉及一种触觉传感器，尤其是涉及一种触手结构的仿生三维电容式触觉传感器。

背景技术

皮肤是人体最大的一个器官，触觉的感知又是皮肤最重要的一项功能。随着医学技术与智能机器人技术的发展，越来越多的截肢患者通过人工假肢重新实现了日常生活的自理，而重塑触觉感知，准确还原触觉信息，是实现人工假肢重建人体运动功能关键的一步。

人工假肢的触觉感知是通过触觉敏感元件来识别对象的各种物理信息，因此构建一种类似人体皮肤的触觉敏感元件实现触觉感知的需求就显得尤为重要。近年来，“机器人触觉敏感皮肤”作为一类新型的触觉敏感元件已成为机器人触觉传感技术领域研究一个新的热点。机器人触觉敏感皮肤指的是大面积、带有数据处理能力的柔性微型传感器阵列，可以覆盖在机器人表面，通过传感器感知外部环境。

在人工假肢工作过程中，假肢表面需贴合在任意曲面上，机器人触觉敏感皮肤必须设计成柔性结构，同时能够反复的弯曲和拉伸。因此传统的硅片基底因其过高的刚度系数并不适用于机器人触觉敏感皮肤的制造，具有良好柔韧性的多聚合物材料渐渐成为了制造机器人触觉敏感皮肤的主要材料。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种触手结构的仿生三维电容式触觉传感器。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

本实用新型的传感器从下至上依次由柔性PCB基板，硅橡胶电容式触觉传感单元阵列组合而成；其中：

1)柔性PCB基板：从下至上由检测电路导电层和接口电路导电层组成；检测电路导电层上表面有检测电路，接口电路导电层上表面有接口电路；

2)硅橡胶电容式触觉传感单元阵列：从下至上依次由硅橡胶电容下极板，电介质层和硅橡胶电容上极板组成；硅橡胶电容下极板的下底面安装在柔性PCB基板的接口电路导电层上表面上，硅橡胶电容式触觉传感单元阵列由N×N个结构相同的硅橡胶电容式触觉传感单元组成。

所述检测电路导电层材料为聚酰亚胺，检测电路为4×N条，每条有N检测点。

所述接口电路导电层材料为聚酰亚胺，由N×N个子单元构成，每个子单元由四个圆形的接口电路构成，并形成一个圆环，四个圆形的接口电路下表面直接连接检测电路导电层的检测电路，两者电气连通。

所述硅橡胶电容下极板采用硅橡胶作为极板基底，上表面具有N×N组均围成圆环的四片电容检测电极，每片均呈75°的扇形，四片电容检测电极结构上相互并联，电气上相互不连通。

所述电介质层夹在硅橡胶电容下极板和硅橡胶电容上极板之间，材料为硅橡胶，上表面具有N×N个环形凹槽。

所述硅橡胶电容上极板采用硅橡胶作为极板基底，下表面具有N×N个圆形电容公共电极，硅橡胶电容下极板上表面上的N×N组均围成圆环的四片电容检测电极与硅橡胶电容上极板下表面上的N×N个圆形电容公共电极分别构成四个电容传感单元，形成并联回路。

所述惰性橡胶触手结构为N×N个，安装于硅橡胶电容上极板的上表面，分别与N×N个圆形电容公共电极轴心对称，材料为聚氨酯橡胶，形状为圆柱结构。

所述硅橡胶电容下极板上的4N×N个电容检测电极、电介质层上的N×N个环形凹槽、硅橡胶电容上极板下表面上的N×N个圆形电容公共电极和硅橡胶电容上极板上表面的N×N个惰性橡胶触手结构中的N个数相等，且一一对应布置，构成N×N个结构相同的硅橡胶电容式触觉传感单元。

本实用新型具有的有益效果是：

1)采用触手结构的硅橡胶电容式触觉传感单元阵列，可以与被测对象的不规则表面完全贴合，更为有效的实现微弱触觉感知，提高测量效率和测量精度。

2)每个硅橡胶电容式触觉传感单元均有四个中心对称的电容传感单元，可以有效实现X-Y-Z三维压力传感，除了传统的Z向压力外，X-Y方向的剪切力也可以有效测量，完美实现人工假肢的触觉功能重建。

附图说明

图1是本实用新型传感器结构示意图。

图2是本实用新型传感器结构分层图。

图3是本实用新型柔性PCB基板分层图。

图4是本实用新型检测电路导电层俯视图。

图5是本实用新型接口电路导电层俯视图。

图6是本实用新型硅橡胶电容式触觉传感单元阵列分层图。

图7是本实用新型硅橡胶电容式触觉传感单元结构示意图。

图8是本实用新型硅橡胶电容式触觉传感单元剖视图。

图9是本实用新型硅橡胶电容下极板俯视图。

图10是本实用新型电介质层俯视图。

图11是本实用新型硅橡胶电容上极板仰视图。

图中：1、柔性PCB基板，2、硅橡胶电容式触觉传感单元阵列，3、检测电路导电层，4、接口电路导电层，5、检测电路，6、接口电路，7、硅橡胶电容下极板，8、电介质层，9、硅橡胶电容上极板，10、硅橡胶电容式触觉传感单元，11、电容检测电极，12、圆形电容公共电极，13、惰性橡胶触手结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实用新型的传感器从下至上依次由柔性PCB基板1，硅橡胶电容式触觉传感单元阵列2组合而成；其中：

如图2、图3、图4、图5所示，柔性PCB基板1：从下至上由检测电路导电层3和接口电路导电层4组成；检测电路导电层3上表面电镀加工有检测电路5，接口电路导电层4上表面电镀加工有接口电路6。

如图2、图6、图7所示，硅橡胶电容式触觉传感单元阵列2：从下至上依次由硅橡胶电容下极板7，电介质层8和硅橡胶电容上极板9组成；硅橡胶电容下极板的下底面安装在柔性PCB基板1的接口电路导电层4上表面上，根据测量要求，硅橡胶电容式触觉传感单元阵列2由N×N个结构相同的硅橡胶电容式触觉传感单元10组成，本实施例中为5×5个硅橡胶电容式触觉传感单元。

如图4所示，所述检测电路导电层3材料为聚酰亚胺，厚度为50μm，检测电路5为4×N条，每条有N个检测点，宽度为10μm。

如图5所示，所述接口电路导电层4材料为聚酰亚胺，厚度为50μm，由N×N个子单元构成，每个子单元由半径为10μm，厚度为50μm的四个圆形的接口电路6构成，并形成一个半径为350μm的圆环，四个圆形的接口电路6下表面直接连接检测电路导电层3的检测电路5，使得两者电气连通。

如图6、图9所示，所述硅橡胶电容下极板7采用硅橡胶作为极板基底，厚度为200μm，上表面具有N×N组均围成圆环的四片材料为铜的电容检测电极11，厚度为35μm，每片均呈75°的扇形，分别表示为T₁，T₂，T₃和T₄，围成一个外径为500μm，内径为200μm的圆环；四片电容检测电极11结构上相互并联，电气上相互不连通。

如图6、图10所示，所述电介质层8夹在硅橡胶电容下极板7和硅橡胶电容上极板9之间，材料为硅橡胶，厚度为40μm，上表面加工有N×N个外径为600μm，内径为100μm，深度为20μm的环形凹槽。

如图11所示，所述硅橡胶电容上极板9采用硅橡胶作为极板基底，厚度为200μm，下表面具有N×N个直径为500μm材料为铜的圆形电容公共电极12，厚度为35μm，表示为T₀；硅橡胶电容下极板7上表面上的N×N组均围成圆环的四片电容检测电极11与硅橡胶电容上极板9下表面上的N×N个圆形电容公共电极12分别构成四个电容传感单元，形成并联回路。

如图1、图6、图8所示，所述惰性橡胶触手结构13为N×N个，安装于硅橡胶电容上极板9的上表面，分别与N×N个圆形电容公共电极12轴心对称，材料为聚氨酯橡胶，形状为直径500μm，高度为3mm的圆柱结构。

所述硅橡胶电容下极板7上的4N×N个电容检测电极11、电介质层8上的N×N个环形凹槽、硅橡胶电容上极板9下表面上的N×N个圆形电容公共电极12和硅橡胶电容上极板9上表面的N×N个惰性橡胶触手结构13中的N个数相等，且一一对应布置，构成N×N个结构相同的硅橡胶电容式触觉传感单元10。

本实用新型的工作原理是：

每个硅橡胶电容式触觉传感单元10都可实现X-Y-Z方向的三维压力传感，当X-Y方向的剪切力作用于惰性橡胶触手结构13时，根据剪切力方向和大小的不同，每个硅橡胶电容式触觉传感单元10的四个电容传感单元电容量发生相应的变化，根据电容量的不同变化可实现X-Y方向的剪切力的测量；当Z方向的压力作用于惰性橡胶触手结构13时，每个硅橡胶电容式触觉传感单元10的四个电容传感单元电容量产生相同的变化，根据电容量的平均变化可以实现Z方向压力的测量。

如图8、图9、图11所示，若将硅橡胶电容下极板7上四片电容检测电极11(T₁～T₄)与硅橡胶电容上极板9上一片圆形电容公共电极12(T₀)的极板间距分别定义为g₁，g₂，g₃和g₄。则测量过程中，X方向的剪切力F_x使得g₁和g₃产生等量的增大，g₂和g₄产生等量的减小；Y方向的剪切力F_y使得g₁和g₂产生等量的增大，g₃和g₄产生等量的减小；Z方向的压力F_z使得g₁，g₂，g₃和g₄产生等量的减小。

当F_x，F_y，F_z同时作用于传感器时，F_x引起的硅橡胶电容下极板7和硅橡胶电容上极板9之间极板间距的变化Δg_x可表示为：

${\mathrm{\Δg}}_x=\frac{{\mathrm{\Δg}}_1+{\mathrm{\Δg}}_3}{2}-\frac{{\mathrm{\Δg}}_2+{\mathrm{\Δg}}_4}{2}---\left(1\right)$

则剪切力F_x可表示为：

$F_x=k_x{\mathrm{\Δg}}_x=k_x(\frac{{\mathrm{\Δg}}_1+{\mathrm{\Δg}}_3}{2}-\frac{{\mathrm{\Δg}}_2+{\mathrm{\Δg}}_4}{2})---\left(2\right)$

式中k_x表示为X方向硅橡胶电容式触觉传感单元10的扭转系数。

F_y引起的硅橡胶电容下极板7和硅橡胶电容上极板9之间极板间距的变化Δg_y可表示为：

${\mathrm{\Δg}}_y=\frac{{\mathrm{\Δg}}_1+{\mathrm{\Δg}}_2}{2}-\frac{{\mathrm{\Δg}}_3+{\mathrm{\Δg}}_4}{2}---\left(3\right)$

则剪切力F_y可表示为：

$F_y=k_y{\mathrm{\Δg}}_y=k_y(\frac{{\mathrm{\Δg}}_1+{\mathrm{\Δg}}_2}{2}-\frac{{\mathrm{\Δg}}_3+{\mathrm{\Δg}}_4}{2})---\left(4\right)$

式中k_y表示为Y方向硅橡胶电容式触觉传感单元10的扭转系数。

F_z引起的硅橡胶电容下极板7和硅橡胶电容上极板9之间极板间距的变化Δg_z可表示为：

${\mathrm{\Δg}}_z\frac{{\mathrm{\Δg}}_1+{\mathrm{\Δg}}_2{+\mathrm{\Δg}}_3+{\mathrm{\Δg}}_4}{4}---\left(5\right)$

则剪切力F_z可表示为：

$F_z=k_z{\mathrm{\Δg}}_z=k_z\frac{{\mathrm{\Δg}}_1+{\mathrm{\Δg}}_2{+\mathrm{\Δg}}_3+{\mathrm{\Δg}}_4}{4}---\left(6\right)$

式中k_z表示为Z方向硅橡胶电容式触觉传感单元10的扭转系数。

采用惰性橡胶触手结构13的硅橡胶电容式触觉传感单元阵列2，可以与被测对象的不规则表面完全贴合，实现X-Y-Z三维压力传感，有效重建人工假肢的触觉功能，提高测量效率和测量精度。

Claims (8)

1.一种触手结构的仿生三维电容式触觉传感器，其特征在于：该传感器从下至上依次由柔性PCB基板(1)，硅橡胶电容式触觉传感单元阵列(2)组合而成；其中：

1) 柔性PCB基板(1)：从下至上由检测电路导电层(3)和接口电路导电层(4) 组成；检测电路导电层(3)上表面有检测电路(5)，接口电路导电层(4)上表面有接口电路(6)；

2) 硅橡胶电容式触觉传感单元阵列(2)：从下至上依次由硅橡胶电容下极板(7)、电介质层(8)和硅橡胶电容上极板(9)组成；硅橡胶电容下极板(7)的下底面安装在柔性PCB基板(1)的接口电路导电层(4)上表面上，硅橡胶电容式触觉传感单元阵列(2)由N×N个结构相同的硅橡胶电容式触觉传感单元(10)组成。

2.根据权利要求1所述的一种触手结构的仿生三维电容式触觉传感器，其特征在于：所述检测电路导电层(3)材料为聚酰亚胺，检测电路(5)为4×N条，每条有N检测点。

3.根据权利要求1所述的一种触手结构的仿生三维电容式触觉传感器，其特征在于：所述接口电路导电层(4)材料为聚酰亚胺，由N×N个子单元构成，每个子单元由四个圆形的接口电路(6)构成，并形成一个圆环，四个圆形的接口电路(6)下表面直接连接检测电路导电层(3)的检测电路(5)，两者电气连通。

4.根据权利要求1所述的一种触手结构的仿生三维电容式触觉传感器，其特征在于：所述硅橡胶电容下极板(7)采用硅橡胶作为极板基底，上表面具有N×N组均围成圆环的四片电容检测电极(11)，每片均呈75°的扇形，四片电容检测电极(11)结构上相互并联，电气上相互不连通。

5.根据权利要求1所述的一种触手结构的仿生三维电容式触觉传感器，其特征在于：所述电介质层(8)夹在硅橡胶电容下极板(7)和硅橡胶电容上极板(9)之间，材料为硅橡胶，上表面具有N×N个环形凹槽。

6.根据权利要求1所述的一种触手结构的仿生三维电容式触觉传感器，其特征在于：所述硅橡胶电容上极板(9)采用硅橡胶作为极板基底，下表面具有N×N个圆形电容公共电极(12)，硅橡胶电容下极板(7)上表面上的N×N组均围成圆环的四片电容检测电极(11)与硅橡胶电容上极板(9)下表面上的N×N个圆形电容公共电极(12)分别构成四个电容传感单元，形成并联回路。

7.根据权利要求1所述的一种触手结构的仿生三维电容式触觉传感器，其特征在于：所述惰性橡胶触手结构(13)为N×N个，安装于硅橡胶电容上极板(9)的上表面，分别与N×N个圆形电容公共电极(12)轴心对称，材料为聚氨酯橡胶，形状为圆柱结构。

8.根据权利要求1～7中任一权利要求所述的一种触手结构的仿生三维电容式触觉传感器，其特征在于：所述硅橡胶电容下极板(7)上的4N×N个电容检测电极(11)、电介质层(8)上的N×N个环形凹槽、硅橡胶电容上极板(9)下表面上的N×N个圆形电容公共电极(12)和硅橡胶电容上极板(9)上表面的N×N个惰性橡胶触手结构(13)中的N个数相等，且一一对应布置，构成N×N个结构相同的硅橡胶电容式触觉传感单元(10)。