CN106959175B - 一种基于金字塔结构的全柔性电容式滑触觉传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于金字塔结构的全柔性电容式滑触觉传感器，是在上、下两柔性印刷电路板上分别印刷有上层公共电极、下层中心电极和位于下层中心电极各边外围的四个矩形感应电极，其中上层公共电极层与下层中心电极用于感知触觉信息、上层公共电极与4个感应电极用于感知切向信息和滑觉信息；在两柔性印刷电路板之间设置有介质层，该介质层的上表面一体化成型有金字塔结构；在上柔性印刷电路板上固定有PDMS半球形触头。本发明的全柔性电容式滑触觉传感器，既能分辨较小的触觉力，同时又能实现对各个方向剪切力的测量，大大提高了传感器的机械灵敏度，实现了传感器在剪切方向的滑觉检测功能。

Description

一种基于金字塔结构的全柔性电容式滑触觉传感器

技术领域

本发明属于传感技术领域，具体涉及一种应用于人工智能皮肤的全柔性电容式滑触觉传感器。

背景技术

滑触觉传感器作为智能机器人感知外界环境的有效方式，用于实现对目标物的抓取检测、接近过程中的接近接触以及滑动状态的判别等，在电子皮肤研究领域起着举足轻重的作用。随着时代的发展，电子皮肤已被应用于机器人、触觉检测、温度监控、健康医疗等领域。

在电子皮肤的各种应用中，感应触觉和滑觉检测占有极其重要的地位。滑触觉传感器模仿人手使之具有接触觉、滑动觉、热觉等感知功能，是机器人与环境直接作用的必需媒介。如滑触觉传感器可以通过检测机械手与接触界面间的三维力信息，控制夹持力来防止目标物体与机械手之间发生相对滑动，最终协助机器人完成抓取和操作任务。其中滑动信号是实现机械手夹持力控制的反馈信息，是机器人完成高精度抓取与操作任务的关键所在。

国内外学者在触觉传感器三维力测量和滑觉检测方面取得了重要进步，但尚存一定不足。美国斯坦福大学的鲍哲南等人对介电层采用半球形微结构填充，能非常灵敏地检测外界压力，但并不能进行滑觉检测。韩国首尔国立大学Choong等人，提出了一种用金字塔微结构作为介电层的电阻式触觉传感器，该传感器在双轴拉伸方向均具有很高的灵敏度，然而量程较小，而且制备工艺较为复杂。且通常这类传感器用仿生皮肤时多采用刚性基体，缺乏应有的柔性，不适合在机器人关节等曲率较大的地方应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有诸多传感器所存在的不足之处，提出一种基于金字塔结构的全柔性电容式滑触觉传感器，以解决现有传感器不能高精度、大量程的同时检测三维力和滑觉的问题。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于金字塔结构的全柔性电容式滑触觉传感器，其特点在于：

包括上柔性印刷电路板和下柔性印刷电路板；

在所述上柔性印刷电路板的表面印刷有上层公共电极；

在所述下柔性印刷电路板的表面印刷有一呈正方形的下层中心电极和等间距位于所述下层中心电极各边外围的四个相同的矩形感应电极；各感应电极以下层中心电极的中心为对称点两两对称；

在所述上柔性印刷电路板和下柔性印刷电路板之间设置有介质层，所述介质层的上表面一体化成型有金字塔结构；所述上层公共电极与所述金字塔结构的塔顶接触，所述下层中心电极与所述介质层的下表面接触；

在所述上柔性印刷电路板上通过柔性保护层固定有PDMS半球形触头。

各感应电极的长边边长等于所述下层中心电极的边长，各感应电极的长边与和其相邻的下层中心电极的边平行。

所述介质层的下表面将下层中心电极和四个感应电极全覆盖；所述上层公共电极位于所述下层中心电极的正上方，且所述上层公共电极在所述下柔性印刷电路板(6)表面的正投影将下层中心电极全覆盖，将各感应电极半覆盖。

所述介质层以PDMS为材料。所述上柔性印刷电路板和所述下柔性印刷电路板的柔性基底以聚酰亚胺为材质。所述柔性保护层采用硅橡胶材质。

在上柔性印刷电路板的柔性基底上设置有过孔形式的上层公共电极焊盘，上层公共电极通过漆包线引至上层公共电极焊盘后，再通过信号线引出；在下柔性印刷电路板的柔性基底上设置有过孔形式的下层中心电极焊盘和各个感应电极的焊盘，下层中心电极和各个感应电极分别通过漆包线引至各自的焊盘后，再通过信号线引出。这种过孔方式可以使布线更加灵活，易于阵列化。

上层公共电极层与下层中心电极用于感知触觉信息，上层公共电极与下层4个感应电极用于感知切向信息和滑觉信息。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明基于金字塔结构的全柔性电容式滑触觉传感器，与普通触觉传感器和压力传感器相比，既能感知触觉力，又能实现对各个方向剪切力的测量，提高了传感器的机械灵敏度，同时实现了对滑触觉信息的检测，提高了传感器的适用性；

2、本发明基于金字塔结构的全柔性电容式滑触觉传感器，采用FPCB(其柔性基底为聚酰亚胺)为电极层，采用PDMS为介质层，均为柔性材料，与传统传感器相比，具有非常好的柔性，使传感器的可放置范围更广；

3、本发明基于金字塔结构的全柔性电容式滑触觉传感器，与一般多层上下结构力敏传感器相比，通过采用金字塔结构的介质层，大大提升了传感器的法向灵敏度和切向灵敏度；且本发明通过改变介质层的配比、调整金字塔结构的倾角，可以改变该传感器的灵敏度与量程，进一步扩展了其应用范围；

4、本发明基于金字塔结构的全柔性滑触觉传感器制备工艺简单、易于推广。

附图说明

图1是本发明基于金字塔结构的全柔性滑触觉传感器的垂直剖面结构图；

图2是本发明基于金字塔结构的全柔性滑触觉传感器的拆分立体图；

图3是本发明基于金字塔结构的全柔性滑触觉传感器的三维坐标系图；

图4是本发明基于金字塔结构的全柔性滑触觉传感器与平面介质层结构传感器的电容-法向力的曲线关系图；

图5是本发明基于金字塔结构的全柔性滑触觉传感器在压力作用小的动态响应曲线；

图6是本发明基于金字塔结构的全柔性滑触觉传感器与平面介质层结构传感器的电容-切向力的曲线关系图；

图7是本发明基于金字塔结构的全柔性滑触觉传感器的采集滑觉信号；

图中标号：1PDMS半球形触头；2柔性保护层；3上柔性印刷电路板；4上层公共电极；5介质层；6下柔性印刷电路板；7下层中心电极；8第一感应电极；9第二感应电极；10第三感应电极；11第四感应电极；4A上层公共电极焊盘；7A下层中心电极焊盘；8A第一感应电极焊盘；9A第二感应电极焊盘；10A第三感应电极焊盘；11A第四感应电极焊盘；12漆包线。

具体实施方式

实施例1

如图1、图2所示，本实施例基于金字塔结构的全柔性滑触觉传感器包括上柔性印刷电路板3和下柔性印刷电路板6；

在上柔性印刷电路板3的表面印刷有上层公共电极4；

在下柔性印刷电路板6的表面印刷有一呈正方形的下层中心电极7和等间距位于下层中心电极各边外围的四个相同的矩形感应电极(第一感应电极8；第二感应电极9；第三感应电极10；第四感应电极11)；各感应电极以下层中心电极7的中心为对称点两两对称；

在上柔性印刷电路板3和下柔性印刷电路板6之间设置有介质层5，介质层5的上表面一体化成型有金字塔结构；上层公共电极4与金字塔结构的塔顶接触，下层中心电极7与所述介质层5的下表面接触；也即是说介质层是由一平面层和位于平面层上的金字塔结构两部分组成的，增加金字塔结构层可以提高传感器的分辨力、检测微小的触觉信息，同时平面层的存在增大了传感器的法向量程。

在上柔性印刷电路板3上通过柔性保护层2固定有PDMS半球形触头。

具体的，各感应电极的长边边长等于下层中心电极的边长，各感应电极的长边与和其相邻的下层中心电极的边平行。介质层的下表面将下层中心电极和四个感应电极全覆盖；上层公共电极4位于下层中心电极7的正上方，且上层公共电极4在下柔性印刷电路板6表面的正投影将下层中心电极7全覆盖，将各感应电极沿长边中线半覆盖。

具体的，介质层5的底部平面长8mm、宽8mm、厚度为1mm，位于其上的金字塔结构的底面边长2mm、层高为1mm、倾角为45°。上层公共电极4、下层中心电极7和各感应电极的厚度均为0.25mm，柔性保护层和两柔性印刷电路板的柔性基底的厚度均为0.25mm，PDMS半球形触头半径为4mm，整个传感器高度为7.25mm。下层中心电极7尺寸为5mm×5mm，各感应电极尺寸为5mm×1.5mm，各感应电极与下层中心电极相邻边的间距为0.5mm，上层公共电极4的尺寸为7.5mm×7.5mm。

具体的，在上柔性印刷电路板的柔性基底上设置有过孔形式的上层公共电极焊盘4A，上层公共电极4通过漆包线引至上层公共电极焊盘4A后，再通过信号线引出；在下柔性印刷电路板的柔性基底上设置有过孔形式的下层中心电极焊盘7A和各个感应电极的焊盘(第一感应电极焊盘8A；第二感应电极焊盘9A；第三感应电极焊盘10A；第四感应电极焊盘11A)，下层中心电极和各个感应电极分别通过漆包线引至各自的焊盘后，再通过信号线引出。这种过孔方式可以使布线更加灵活，易于阵列化。且基于FPCB技术，各电极和各焊盘制作在柔性基底上，使各电极和焊盘能够任意弯曲变形，具有良好的柔性。

具体的，柔性保护层2是旋涂于上柔性印刷电路板3上的一薄层硅橡胶，用于保护上柔性印刷电路板、传导触头作用力。柔性保护层2选用中昊晨光化工研究院有限公司的GD401型硅橡胶为材料，该硅橡胶可以在室温下自行固化成型，且固化成型后具有很好的柔韧性。

具体的，PDMS半球形触头是利用3D打印技术打印一个半径为8mm的半球形模具，将适量的PDMS倒入该模具中，待其固化成型，从模具中取出已成型的触头层即可。

具体的，基于柔性印刷电路板(FPCB)技术，上柔性印刷电路板3和下柔性印刷电路板6的柔性基底以聚酰亚胺为材质，相应电极层是镀在柔性基底聚酰亚胺表面的一层铜箔。

具体的，介质层5以PDMS(10:1)为敏感材料。利用3D打印技术打印倒金字塔形状模具，为保证传感器的灵敏度和稳定性，将PDMS的两种组分混合搅拌均匀后，在真空室脱气，然后注入模具中。将该模具放置在下柔性印刷电路板的下层中心电极和感应电极上，使模具与各电极对齐，待混合溶液在室温下成型，在90℃条件下固化60分钟后，取下模具，即可获得理想形状的金字塔结构的介质层5。

将介质层、两柔性印刷电路板、柔性保护层以及PDMS半球形触头均经过等离子体处理90秒后粘合在一起。保证填料分布均匀，形成稳定的力学结构，保证机械性能。

实施例2

如图3所示，构建基于金字塔结构的全柔性滑触觉传感器的三维坐标系图，其中以下层中心电极的中心为原点，Z轴沿传感器的高度方向，X轴沿平行于第一感应电极和第三感应电极长边的方向，Y轴沿平行于第二感应电极和第四感应电极长边的方向。

本实施例的电容提取选用具备I²C兼容型串行接口与片内环境自校准功能、高达16位CDC精度、13路容性输入的AD7147-1，配合单刀双掷开关ADG734，可以轻松实现对多路电容信号的采集。

本实施例全柔性电容式滑触觉传感器检测触觉的机理如下：当半球形触头受到外界法向力(沿Z轴方向的力)时，介质层5上下两端的上层公共电极4和下层中心电极7之间的间距变小，同时金字塔结构状PDMS取代部分空气而导致有效介电常数增加，从而导致电容值的增加。当传感器受到不同大小的外力挤压时，上层公共电极和下层中心电极之间的间距变化不同，介质层也受到不同程度的影响，从而使电容值的变化也不同。通过AD7147-1采集上层公共电极4和下层中心电极7之间的电容信号，并转换为数字信号送入微处理器，即可算出作用在传感器上的法向力的大小。

为进行对比，将实施例1中的介质层由“底部平面+金字塔”的结构，改为8mm×8mm×2mm的平面结构，其余结构相同，构成基于平面介质层结构的传感器。

基于金字塔结构的传感器(pyramid)和基于平面介质层结构的传感器(plane)的电容-法向力的关系曲线如图4所示(其中C₀为上层公共电极和下层中心电极之间的原始电容值，ΔC为施加力后电容的变化量)。可以看出，当压力小于3.6N时，基于金字塔结构的传感器的灵敏度为0.01kpa^-1，而基于平面介质层结构的传感器灵敏度为0.0005kpa^-1，因此基于金字塔结构的传感器在小量程段(0～3.6N)具有更高的灵敏度，能够更好的分辨和检测触觉力。在大量程段，二者的灵敏度相当。当压力超过3.6N时，基于金字塔结构的传感器的电容值改变趋于缓和，是由于金字塔结构被完全挤压，此时灵敏度下降至0.0005kpa^-1，但是传感器的量程增加。为了兼具微小触觉力检测和较大压力检测的功能，本发明的传感器结构将高灵敏度和大量程两种优势相结合。

向本实施例的全柔性滑触觉传感器间隔施加和释放法向力，其动态响应与恢复特性如图5所示，可以看出该传感器能快速感知作用力信息并且有良好的重复性。

实施例3

本实施例全柔性电容式滑触觉传感器检测滑觉的机理如下：当半球形触头受到外界切向力(三维力)时，首先上层公共电极和下层中心电极会因沿Z轴方向的力而产生如实施例2中所述的电容变化；其次，上层公共电极和4个感应电极之间会因沿X轴和Y轴方向的力而发生相对滑动，相对面积和相对介电常数发生改变，导致电容变化。通过检测上层公共电极和4个感应电极之间的电容变化，即可获得传感器的切向信息。

将实施例2中的法向力转换为切向力(此时沿Z轴方向的法向力一定)，其余与实施例2保持相同，研究静态法向力为2N状态下，上层公共电极与下层各感应电极之间的电容在不同切向力下的响应状态，结果如图6所示(图6所示为沿Y轴方向的切向力，此时X轴方向的力为0)。图6中，C₁₀、C₂₀、C₃₀、C₄₀分别为上层公共电极与第一感应电极、第二感应电极、第三感应电极、第四感应电极之间的原始电容，ΔC₁、ΔC₂、ΔC₃、ΔC₄分别为施加力后相应电容的变化量。

在静态法向力为2N状态下，施加切向力，上层公共电极的移动诱导金字塔结构发生切向形变从而导致感应电容的变化。当施加沿X轴正向的切向力时，在量程段(0～4N)内，上层公共电极和第四感应电极之间的相对面积增加，间距变小，相对介电常数增加，导致二者之间的电容C₄增加；而上层公共电极和第二感应电极之间的相对面积减小，间距变小，相对介电常数增加，C₂减小；此后变化较为缓慢。C₁、C₃基本不变。同理，当施加沿Y轴正向的切向力时，在量程段(0～4N)内，C₁增加，C₃减小，此后变化较为缓慢；C₂、C₄基本不变。

从图6看出，静态法向力为2N状态下，当施加沿Y轴正向的切向力时，C₂和C₄的变化量十分微小。C₁和C₃在量程段(0～4N)内，C₁增加、C₃减小，基于金字塔结构的传感器的灵敏度为0.0625kpa^-1，此后变化较为缓慢，灵敏度下降；而基于平面介质层结构的传感器的灵敏度为0.025kpa^-1，对比可知，在同等条件下，基于金字塔结构的传感器较之基于平面介质层结构的传感器更为灵敏。

提取在静态法向力为2N状态下，当沿X轴正向的切向力逐渐增大时电容C₄的变化，由图7可知，在滑动前，当切向力逐渐增加至4N时，电容一直稳定增加。在剪切力增加至4N时，电容信号出现明显的抖动，频率增加，但随后趋于稳定。当切向力大于4N后，电容基本不变。

以上所述仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于金字塔结构的全柔性电容式滑触觉传感器，其特征在于：包括上柔性印刷电路板(3)和下柔性印刷电路板(6)；

在所述上柔性印刷电路板(3)的表面印刷有上层公共电极(4)；

在所述下柔性印刷电路板(6)的表面印刷有一呈正方形的下层中心电极(7)和等间距位于所述下层中心电极各边外围的四个相同的矩形感应电极；各感应电极以下层中心电极(7)的中心为对称点两两对称；各感应电极的长边边长等于所述下层中心电极的边长，各感应电极的长边与和其相邻的下层中心电极的边平行；

在所述上柔性印刷电路板(3)和下柔性印刷电路板(6)之间设置有介质层(5)，所述介质层(5)的上表面一体化成型有金字塔结构；所述上层公共电极(4)与所述金字塔结构的塔顶接触，所述下层中心电极(7)与所述介质层(5)的下表面接触；

所述介质层的下表面将下层中心电极和四个感应电极全覆盖；所述上层公共电极(4)位于所述下层中心电极(7)的正上方，且所述上层公共电极(4)在所述下柔性印刷电路板(6)表面的正投影将下层中心电极(7)全覆盖，将各感应电极半覆盖；

在所述上柔性印刷电路板(3)上通过柔性保护层(2)固定有PDMS半球形触头(1)。

2.根据权利要求1所述的全柔性电容式滑触觉传感器，其特征在于：所述介质层(5)以PDMS为材料。

3.根据权利要求1所述的全柔性电容式滑触觉传感器，其特征在于：所述上柔性印刷电路板(3)和所述下柔性印刷电路板(6)的柔性基底以聚酰亚胺为材质。

4.根据权利要求1所述的全柔性电容式滑触觉传感器，其特征在于：所述柔性保护层(2)采用硅橡胶材质。