CN104215363A - 基于压敏导电橡胶的柔性触滑觉复合传感阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压敏导电橡胶的柔性触滑觉复合传感阵列。包括从下至上紧密贴合的底层的柔性电极层、中间层和顶层的PDMS凸起层；中间层包括导电橡胶阵列与柔性填充物，导电橡胶阵列由导电橡胶单元排列而成；导电橡胶单元正下方的柔性电极层上设有测试电极组，导电橡胶单元与柔性电极层上的一组测试电极组的边长相同；PDMS凸起层上设有与每个导电橡胶单元对应的阵列式均匀分布的九个微型凸台结构，位于导电橡胶单元正上方。本发明解决了多数触觉传感器不能同时检测接触力和滑移信号的问题，实现了对三维力的检测，同时能识别提取滑移信号，用于人工智能假肢、机器人手三维力与滑移检测的柔性触滑觉复合传感阵列。

Description

基于压敏导电橡胶的柔性触滑觉复合传感阵列

技术领域

本发明涉及一种复合传感阵列，尤其是涉及机器人柔性触觉传感器领域的一种基于压敏导电橡胶的柔性触滑觉复合传感阵列。

背景技术

柔性触觉传感器是人工智能假肢或机器人手获取外界接触信息不可缺少的手段，根据触觉传感器提供的信息，智能假肢或机器人手可对目标物体的大小、形状、重量、软硬及表面粗糙度等物理特性进行感知，以实现对目标物体的稳定抓取。物体在触觉传感器上的运动导致高频率低振幅的振动被建立起来，它可以检测和解释物体的滑移。由于大多数基于压敏材料的点接触式触觉触感器只能检测正向接触力，不能准确检测切向力，也不能辨别出相对运动与力的不同，从而无法识别物体抓取过程中的高频率低振幅的滑移信号。

因此，研究具有高灵敏度和高分辨率的分布式柔性触滑觉复合传感器，使其能便捷装载在假肢或者机器人手非规则曲面的本体上，同时能准确检测三维接触力和高频率低振幅的滑移信号，是机器人智能化研究的关键技术，对康复工程领域具有重要意义。

现有技术中的传感器采用压敏导电橡胶，具有一定柔性，可以检测三维力，但是有提出的四电极结构，其后续数据处理方法比较麻烦，而且导电橡胶阵列未做填充柔性物的处理，在弯曲面上受力时容易破坏传感器结构。

中国国家发明专利（公开号CN201210193314.9）公开了一种仿人型机器人多手指柔性三维力触觉传感器及其三维力检测系统。该传感器采用具有量子隧道效应的压敏复合材料Quantum Tunneling Composites（QTC），当QTC不受外力施压时，其本体为绝缘体，电阻阻值高达1kΩ；当QTC受到外力施压时，本体发生压缩形变，QTC呈现导电特性，电阻阻值随着压力的增大而逐渐变小。该传感器整体具有柔性，可以检测三维力。但是该传感器电极电路分为上下两层，在长期受力过程中容易毁坏电路，而且未体现检测滑移信号的功能，难以满足智能假肢或机器人手运动反馈控制的需求。

发明内容

针对多数触觉传感器只能进行正向力检测而无法同时检测滑移的问题，本发明的目的是提出一种基于压敏导电橡胶的柔性触滑觉复合传感阵列，也是一种能同时检测三维力与滑移的分布式柔性触滑觉复合传感阵列，解决了多数触觉传感器不能同时检测接触力和滑移信号的问题，能够便捷装载在智能假肢或机器人手的非规则曲面上，用于三维接触力和滑移信号的检测。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括从下至上紧密贴合的底层的柔性电极层、中间层和顶层的PDMS凸起层；中间层包括导电橡胶阵列与填充在导电橡胶阵列周围的柔性填充物，导电橡胶阵列是由导电橡胶单元排列而成的阵列；导电橡胶单元正下方的柔性电极层上设有测试电极组，测试电极组与导电橡胶单元的阵列分布方式相同，导电橡胶单元与柔性电极层上的一组测试电极组的边长相同；PDMS凸起层上设有与每个导电橡胶单元对应的3×3阵列式均匀分布的九个微型凸台结构，九个微型凸台结构形成的阵列单元位于各自对应的导电橡胶单元正上方。

所述的导电橡胶单元为正方形导电橡胶片。

所述的导电橡胶阵列通过常温固化的柔性填充物粘结在一起形成。

所述的导电橡胶阵列为2×2以上的阵列。

所述的柔性电极层的测试电极组呈2×2以上的阵列分布。

所述的测试电极组的组数与导电橡胶阵列的导电橡胶单元个数相同。

所述的每组测试电极组均为呈正方形形状的五电极结构，五电极结构由均匀分布在四角的四个直角三角形电极及其中心的正方形电极组成，处于中心的正方形电极作为公用电极；每行测试电极组的所有正方形电极通过并行布线方式的引线串联连接后引出管脚，位于同一列上的测试电极组中位置相同的直角三角形电极通过并行布线方式的引线串联连接后引出管脚，M行测试电极组由正方形电极引出M个管脚，N列测试电极组由直角三角形电极引出4N个管脚。

所述的导电橡胶阵列采用日本INABA公司生产的Inastomer导电橡胶。

所述的柔性电极层为双面柔性电路板，采用聚酰亚胺薄膜作为基材。

本发明的有益效果是：

（1）本发明的基于压敏导电橡胶的柔性触滑觉复合传感阵列可以检测三维接触力。此外，采用Inastomer导电橡胶，具有优良的压阻特性、迟滞性能、及线性度，对轻微振动有良好的压力敏感效应，可以检测高频率低振幅的滑移信号。

（2）PDMS凸起层位于触滑觉复合传感阵列的最外层，表面具有微型凸起结构，而且在导电橡胶阵列四周填充有柔性填充物，该种设计能有效提高柔性触滑觉复合传感阵列的检测灵敏度，且保护复合传感阵列内部的电极和引线。

（3）压敏导电橡胶阵列与柔性电极层均为单面接触，较之“双面接触”的机构形式，制造工艺大为简化，接触压力面为压敏导电橡胶面，可以有效地保护电极层，有效提高复合传感阵列的工作稳定性能。

（4）本发明中柔性电极层上测试电极组的五电极分布结构，较之现有技术中提出的“四电极结构”，在信号采集后的数据处理中方法更加简单。

（5）本发明中柔性电极层上的电极采用分组串联引线的方式，有效降低了触觉传感器的外接管脚数量，设计的导电橡胶单元为正方形形状，结构简单，易于制造，工艺更加简单。

附图说明

图1是本发明的俯视图。

图2是本发明的触滑觉复合传感阵列截面结构示意图。

图3是本发明的柔性电极层示意图。

图4是本发明的周围填充有柔性填充物的导电橡胶阵列示意图。

图5是本发明的触滑觉复合传感阵列单元的结构示意图。

图6是本发明的测试电极示意图。

图7是本发明的触滑觉复合传感阵列单元的测试原理示意图。

图8是本发明的PDMS凸起层示意图。

图中：1.PDMS凸起层，2.导电橡胶阵列，3.柔性填充物，4.柔性电极层，5.微型凸台结构，6.导电橡胶单元，7.测试电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明包括从下至上紧密贴合的底层的柔性电极层4、中间层和顶层的PDMS凸起层1；如图3和图5所示，导电橡胶单元6正下方的柔性电极层4上设有测试电极组7，测试电极组7与导电橡胶单元6的阵列分布方式相同，导电橡胶单元6与柔性电极层4上的一组测试电极组7的边长相同；如图4所示，中间层包括导电橡胶阵列2与填充在导电橡胶阵列2周围的柔性填充物3，导电橡胶阵列2是由导电橡胶单元6排列而成的阵列；如图5和图8所示，PDMS凸起层1上设有与每个导电橡胶单元6对应的3×3阵列式均匀分布的九个微型凸台结构5，九个微型凸台结构5形成的阵列单元位于各自对应的导电橡胶单元6正上方。

导电橡胶单元6为正方形导电橡胶片。

四周填充有柔性填充物3的导电橡胶阵列2，由2×2以上具有相同的优良压敏特性的正方形导电橡胶片构成，导电橡胶阵列2通过常温固化的柔性填充物3粘结在一起形成。

导电橡胶阵列2为2×2以上的阵列。柔性电极层4的测试电极组7呈2×2以上的阵列分布。测试电极组7的组数与导电橡胶阵列2的导电橡胶单元6个数相同。

如图6和图7所示，测试电极组7：每组测试电极组7结构相同，均为呈正方形形状的五电极结构，五电极结构由均匀分布在四角的四个直角三角形电极及其中心的正方形电极组成，处于中心的正方形电极作为公用电极；每行测试电极组7的所有正方形电极通过并行布线方式的引线串联连接后引出管脚，位于同一列上的测试电极组7中位置相同的直角三角形电极通过并行布线方式的引线串联连接后引出管脚，M行测试电极组7由正方形电极引出M个管脚，N列测试电极组7由直角三角形电极引出4N个管脚，即柔性电极层4上共有M+4N个管脚。

导电橡胶阵列2优选采用日本INABA公司生产的Inastomer导电橡胶。本发明采用的压敏材料的Inastomer导电橡胶，具有优良的压阻特性、迟滞性能、及线性度，对轻微振动有良好的压敏效应，可检测出高频率低振幅的滑移信号。其的工作原理为：不受力时，导电橡胶其本体为绝缘体，电阻阻值高达数兆欧姆；当受到外界压力作用时，导电橡胶发生压缩形变，由于压阻效应，压缩区域的导电粒子彼此接近并在外界施加的电场力的作用下产生隧道电流；随外界压力的不断增大而电阻值逐渐减小到几欧姆。

柔性电极层4为双面柔性电路板，采用聚酰亚胺薄膜作为基材。

本发明的实施例如下：

根据特定应用场合的需求，如要求的空间分辨率、三维力的量程、传感器灵敏度、检测精度、要求弯曲变形的程度等指标，确定柔性触滑觉复合传感阵列的尺寸大小、触滑觉复合传感阵列传感单元的尺寸大小以及单元间的间距。三维力的量程及灵敏度由触滑觉复合传感阵列传感单元中导电橡胶片的大小以及五电极正方形结构的大小和间距决定。

如图3所示，实施例的柔性电极层4的测试电极组7采用3×3的阵列分布，即柔性电极层4包含九组测试电极组7和十五个引线管脚，采用双面柔性电路板避免引线的交叉。其中，每组测试电极组7为五电极结构，整体呈正方形形状，处于中心的正方形电极作为公用电极，四个直角三角形电极与中心的正方形电极的中心点连线互成90°，均匀分布在正方形电极的四角。柔性电极层4的引线分别将三行的中心电极串联连接，引出对应三行的纵向分布的三个管脚；柔性电极层4的引线分别将位于同一列上的三组测试电极组7中位置相同的直角三角形电极串联连接，引出对应三列的纵向分布的十二个管脚；柔性电极层4上共有十五个管脚。柔性电极层4中各电极与各管脚引线连接的布线方式采用并行布线方式。

如图4所示，实施例采用具有压敏特性的正方形导电橡胶片呈3x3阵列式分布。

实施例的PDMS凸起层1上的微型凸台结构5与导电橡胶单元6的个数比例为9:1，形成如图8所示的每个导电橡胶单元6上对应3x3阵列式均匀分布的九个微型凸台结构5。

制造本发明柔性触滑觉复合传感阵列，首先通过柔性电路印刷技术制造柔性电极层4，利用丝网印刷技术将高纯度导电银胶规则地旋涂在柔性电极层4的正方形电极上；然后将正方形导电橡胶片粘贴在正方形电极上；接着将柔性填充物3填充到柔性电极层4的空白部位，常温固化成型；最后将通过模具压印出来的PDMS凸起层1粘结在四周填充有柔性填充物3的导电橡胶阵列2上。这样，就得到如图1和图2所示的柔性触滑觉复合传感阵列。

本发明的三维接触力和滑移检测原理如下：

如图5、图6和图7所示，任意方向的三维力通过柔性凸起层的微型凸台结构5将力传导给导电橡胶单元6，四周的柔性填充物3的弹性变形比导电橡胶单元6大。由于导电橡胶单元6的压阻效应以及导电橡胶阵列2与柔性电极层4之间的接触电阻，存在有四个等效电阻R₁、R₂、R₃、R₄。当导电橡胶单元6发生应变时，电阻阻值将发生变化。四个电阻分别经各自的检测电路输出与之对应的电压信号，通过以下原理转化为对三维力F_x、F_y、F_z的测量，从而得到任意三维力。

当仅F_x作用时，因为受到同等程度的压应变，电阻R₁、R₄减小；因为受到同等程度的拉应力，电阻R₂、R₃增大，且电阻R₂、R₃增大幅度和电阻R₁、R₄减小幅度相同。即

当仅F_y作用时，因为受到同等程度的压应变，电阻R₁、R₂减小；因为受到同等程度的拉应力，电阻R₃、R₄增大，且电阻R₃、R₄增大幅度和电阻R₁、R₂减小幅度相同。

当仅F_z作用时，因为受到同等程度的压应变，电阻R₁、R₂、 R₃、R₄减小，且减少幅度相同。

根据上述分析，可以推导出三维力与四个压敏电阻阻值变化之间的关系。多次试验获取三维力与四个压敏电阻的阻值变化数据，经过线性解耦得到三维方向的受力与四个压敏电阻的阻值变化的线性关系，从而可以精确测量实际的三维力。

此外，由于本发明采用的Inastomer导电橡胶具有优良的压阻效应，迟滞性能低，线性度高，可以识别高频率低振幅的滑移信号。测出三维力后，通过信号处理分析水平切向力，利用小波分析提取水平方向的高频率低振幅的滑移突变信号，可以快速判定是否发生滑移，适用于机器人手抓取物品过程中调节握紧力的大小，实现握紧力动态平衡。与现有基于导电橡胶的三维力传感器比较，本发明所设计的传感器在测量三维力的灵敏度和精确度均提高了10%以上。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1. 一种基于压敏导电橡胶的柔性触滑觉复合传感阵列，其特征在于：包括从下至上紧密贴合的底层的柔性电极层（4）、中间层和顶层的PDMS凸起层（1）；中间层包括导电橡胶阵列（2）与填充在导电橡胶阵列（2）周围的柔性填充物（3），导电橡胶阵列（2）是由导电橡胶单元（6）排列而成的阵列；导电橡胶单元（6）正下方的柔性电极层（4）上设有测试电极组（7），测试电极组（7）与导电橡胶单元（6）的阵列分布方式相同，导电橡胶单元（6）与柔性电极层（4）上的一组测试电极组（7）的边长相同；PDMS凸起层（1）上设有与每个导电橡胶单元（6）对应的3×3阵列式均匀分布的九个微型凸台结构（5），九个微型凸台结构（5）形成的阵列单元位于各自对应的导电橡胶单元（6）正上方。

2. 根据权利要求1所述的一种基于压敏导电橡胶的柔性触滑觉复合传感阵列，其特征在于：所述的导电橡胶单元（6）为正方形导电橡胶片。

3. 根据权利要求1所述的一种基于压敏导电橡胶的柔性触滑觉复合传感阵列，其特征在于：所述的导电橡胶阵列（2）通过常温固化的柔性填充物（3）粘结在一起形成。

4. 根据权利要求1所述的一种基于压敏导电橡胶的柔性触滑觉复合传感阵列，其特征在于：所述的导电橡胶阵列（2）为2×2以上的阵列。

5. 根据权利要求1所述的一种基于压敏导电橡胶的柔性触滑觉复合传感阵列，其特征在于：所述的柔性电极层（4）的测试电极组（7）呈2×2以上的阵列分布。

6. 根据权利要求1所述的一种基于压敏导电橡胶的柔性触滑觉复合传感阵列，其特征在于：所述的测试电极组（7）的组数与导电橡胶阵列（2）的导电橡胶单元（6）个数相同。

7. 根据权利要求1～6任一所述的一种基于压敏导电橡胶的柔性触滑觉复合传感阵列，其特征在于：所述的每组测试电极组（7）均为呈正方形形状的五电极结构，五电极结构由均匀分布在四角的四个直角三角形电极及其中心的正方形电极组成，处于中心的正方形电极作为公用电极；每行测试电极组（7）的所有正方形电极通过并行布线方式的引线串联连接后引出管脚，位于同一列上的测试电极组（7）中位置相同的直角三角形电极通过并行布线方式的引线串联连接后引出管脚，M行测试电极组（7）由正方形电极引出M个管脚，N列测试电极组（7）由直角三角形电极引出4N个管脚。

8. 根据权利要求1～6任一所述的一种基于压敏导电橡胶的柔性触滑觉复合传感阵列，其特征在于：所述的导电橡胶阵列（2）采用日本INABA公司生产的Inastomer导电橡胶。

9. 根据权利要求1～6任一所述的一种基于压敏导电橡胶的柔性触滑觉复合传感阵列，其特征在于：所述的柔性电极层（4）为双面柔性电路板，采用聚酰亚胺薄膜作为基材。