基于导电织物的三维力柔性触觉传感器

摘要

本发明公开了一种基于导电织物的三维力柔性触觉传感器，其特征在于：在半球形柔性腔体内壁等间隔设置有4N个呈空间立体排布且由拉伸敏感导电织物构成的柔性触觉敏感单元，并以此构建差动式三维力柔性触觉传感器。本发明基于导电织物的三维力柔性触觉传感器为电子皮肤实现高灵敏度三维力触觉感知提供了一种可行性设计方案。

说明书

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及一种基于导电织物的三维力柔性触觉传感器。

技术背景

电子皮肤(e-skin)作为一种具备高柔韧度和拉伸性、和人类皮肤的一样可实现外界环境信息感知功能的人造柔性电子器件成为智能机器人、人机交互等领域的研究热点。三维力触觉传感器能够同时测量两个方向以上的力或力矩分量，是智能机器人最重要的传感器之一。随着柔性仿生触觉传感器的发展、智能机器人技术的进步，对触觉传感器提出了更高要求，要求其既要具备人类触觉感知的能力，又要精确地获悉空间三维力信息。传感器的柔性表面能使其跟物体轮廓相吻合的稳定地抓握，这对精确获取物体的性质以及试验性的提升有重要的作用。同时，柔性表面的缓冲作用还可减小手指表面和被抓物体的磨损。三维信息的获取，有助于准确的获悉作用对象的信息，提升智能机器人的操作精度。因此，兼具良好柔韧性和三维力检测的触觉传感器在机器人研究领域的需求日益迫切，此外，这类传感器在体育运动、康复医疗和人体生物力学等研究领域中也具有广泛的应用前景。

关于三维力触觉传感器的研究按其传感机理主要分为电阻式三维力触觉传感器和电容式三维力触觉传感器两类。其中，电容式三维力触觉传感器通常设计为变极板间隙、极板面积型的平行电极结构，或基于同面多电极原理设计为变有效介电常数的同面多电极结构。电容式传感器因温度稳定性好、结构简单、动态响应好以及可实现非接触测量等优势得到广泛应用，平行板结构的电容式三维力触觉传感器在法向力或切向力作用下其极板间距或极板面积发生相应的变化，从而实现触觉力感知。然而，电容式触觉传感器在用作电子皮肤时易受寄生电容的干扰，往往需要额外设计屏蔽措施。电阻式三维力触觉传感器通常设计为类似应变片工作原理或压敏型，多选用碳系敏感材料制备力敏单元。电阻式三维力触觉传感器通常将电极设计在同一面，通过触觉力传递触头联动力敏材料形变导致输出电阻发生变化，这类三维力触觉传感器集成性、灵敏度以及动态响应特性受传感器结构和敏感材料限制较大。

传统三维力触觉传感器存在弹性体结构复杂、机械加工和贴片困难、很难实现全方位机械过载保护以及动态性能较差等弊端。合肥工业大学黄英等基于柔性印刷电路板(FPCB)工艺，在聚酰亚胺柔性基体上设计同面多电极，并以空气和PDMS为复合介质，提出了一种复合多介质的电容式三维力触觉传感器。Soonjae Pyo等人在聚酰亚胺柔性基本上设置同面叉指电极，采用碳纳米管/硅橡胶并用制备复合弹性电介质设计三维力触觉传感器。法国巴黎综合理工学院Dobrzynska等人采用金制备而成的上下叉指电极结构，上下电极之间填充硅胶为介质层，制作了一种高灵敏度的电容式三维力触觉传感器。Lucie Viry等人制作了一种以PDMS为基体、导电织物为电极，空气层和氟硅酮为复合介质层的全柔性电容式三维力触觉传感器，在0-2KPa范围，空气层作为主要形变层，实现了最小分辨率为10mg及最小位移8μm的检测。

针对传统硅基、光电、压电类三维力触觉传感器不具备柔性、易于共形等弊端，以及同面电极结构型三维力触觉传感器易出现在力作用下压敏材料与电极脱离，影响传感器稳定性以及灵敏度低等问题，国内外研究人员围绕柔性三维力触觉传感器开展了广泛研究，如何提升三维力触觉传感器的灵敏度成为研究热点之一。

发明内容

为提升电子皮肤对三维力触觉信息的感知性能，本发明提出了一种结构简单、高灵敏度的三维力柔性触觉传感器结构，所要解决的问题在于在半球形腔体内壁等间隔布置若干个由拉伸敏感导电织物制成的柔性触觉敏感单元，并以此构建差动式三维力柔性触觉传感器。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

基于导电织物的三维力柔性触觉传感器，其特征在于：包括一无底的半球形柔性腔体和4N个相同的矩形状柔性触觉敏感单元，N为不小于1的整数；各柔性触觉敏感单元经沿长度方向的相同拉伸率的预拉伸后，等间隔的贴合固定在所述半球形柔性腔体的内壁上，以所述半球形柔性腔体的中轴线为对称线两两对称，且各柔性触觉敏感单元皆互不接触；在所述半球形柔性腔体的底部固定有圆柱形柔性基体作为支撑基底，所述圆柱形柔性基体的半径与所述半球形柔性腔体的外径相同；

所述的柔性触觉敏感单元由拉伸敏感导电织物制成。

优选的，所述的基于导电织物的三维力柔性触觉传感器，其特征在于：所述的拉伸敏感导电织物是在莱卡织物基体表面涂覆有石墨烯/聚苯胺/硅橡胶复合导电材料，在所述复合导电材料上涂覆有PDMS封装层；所述的石墨烯/聚苯胺/硅橡胶复合导电材料是以硅橡胶为母体，在其中加入有由石墨烯和聚苯胺按质量比3:1构成的导电填料，所述导电填料占所述复合导电材料总质量的25～30％。

优选的，所述的基于导电织物的三维力柔性触觉传感器，其特征在于：所述的拉伸率在10～30％。

优选的，所述的基于导电织物的三维力柔性触觉传感器，其特征在于：各柔性触觉敏感单元的底边缘与所述半球形柔性腔体的底面对齐。

优选的，所述的基于导电织物的三维力柔性触觉传感器，其特征在于：所述的半球型柔性腔体和所述的圆柱形柔性基体均以硅橡胶为材质。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、与传统硅基、光电、压电类三维力触觉传感器相比，本发明基于导电织物的三维力柔性触觉传感器克服了刚性三维力触觉传感器体积笨重、不易共形以及穿戴舒适性差等弊端；

2、与传统同面电极结构的电容式、电阻式三维力触觉传感器相比，本发明基于导电织物的三维力柔性触觉传感器将4N个拉伸敏感导电织物制成的柔性触觉敏感单元设置在半球形腔体内壁，形成空间立体结构，更有利于三维力的触觉感知。同时，4N个柔性触觉敏感单元构成差动模式，进一步提升了三维力触觉感知的灵敏度；

3、与已有电容式三维力触觉传感器相比，本发明基于导电织物的三维力柔性触觉传感器属于电阻式，通过三维力作用下4N个导电织物输出电阻变化解析三维力信息，克服了电容式三维力触觉传感器作为电子皮肤使用时易受外界环境(如人体、金属物质等)干扰的问题；

4、本发明基于导电织物的三维力柔性触觉传感器中4N个拉伸敏感导电织物构成的柔性触觉敏感单元通过PDMS附着在半球形腔体内壁，且四个柔性触觉敏感单元均处于一定预拉伸应变状态，有利于提升三维力触觉感知灵敏度。

附图说明

图1是本发明基于导电织物的三维力柔性触觉传感器的整体结构图；

图2是本发明基于导电织物的三维力柔性触觉传感器的拆分结构图；

图3是本发明基于导电织物的三维力柔性触觉传感器的剖面结构图；

图4是本发明基于导电织物的三维力柔性触觉传感器的侧面结构图；

图5是本发明基于导电织物的三维力柔性触觉传感器的俯视结构图；

图6是本发明基于导电织物的三维力柔性触觉传感器在法向力作用下的示意图；

图7是本发明基于导电织物的三维力柔性触觉传感器在切向力作用下的示意图；

图8是本发明基于导电织物的三维力柔性触觉传感器实施例中的尺寸参数；

图9是本发明基于导电织物的三维力柔性触觉传感器实施例中法向力作用下的测试结果；

图10是本发明基于导电织物的三维力柔性触觉传感器实施例中切向力作用下的测试结果；

图中标号：1半球型柔性腔体；2柔性触觉敏感单元；3圆柱形柔性基体。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明基于导电织物的三维力柔性触觉传感器实的结构为：包括一无底的半球形柔性腔体1和4N个相同的矩形状柔性触觉敏感单元(2)，在实施例及附图中以N＝1为例；各柔性触觉敏感单元2经沿长度方向的相同拉伸率的预拉伸后，等间隔的贴合固定在半球形柔性腔体1的内壁上，以半球形柔性腔体1的中轴线为对称线两两对称，且各柔性触觉敏感单元2皆互不接触；在半球形柔性腔体1的底部固定有圆柱形柔性基体3作为支撑基底，圆柱形柔性基体3的半径与半球形柔性腔体1的外径相同；图中所示，4各柔性触觉敏感单元在圆柱形柔性基体上表面的垂直投影呈“十”字型。

如图3和图4所示，各柔性触觉敏感单元2的底边缘与半球形柔性腔体1的底面对齐。

柔性触觉敏感单元2在固定于半球型柔性腔体1时施加一定预拉伸，其拉伸率在10～30％；

柔性触觉敏感单元由拉伸敏感导电织物制成。拉伸敏感导电织物是在莱卡织物基体表面涂覆有石墨烯/聚苯胺/硅橡胶复合导电材料，在复合导电材料上涂覆有PDMS封装层；复合导电材料是以硅橡胶为母体，在其中加入有由石墨烯和聚苯胺按质量比3:1构成的导电填料，所述导电填料占所述复合导电材料总质量的25～30％。

半球型柔性腔体1和圆柱形柔性基体3均以硅橡胶为材质。

本发明基于导电织物的三维力柔性触觉传感器的工作原理如下：

如图5所示，假设四个拉伸敏感导电织物构成的柔性触觉敏感单元分别用R₁、R₂、R₃和R₄表示，触觉传感器在未受力是初始电阻为和(理论上四个初始电阻值是相等的)。

如图6所示，在法向力F作用下，半球型柔性腔体1受力被压缩，附着在半球型柔性腔体1内壁上的四个柔性触觉敏感单元2随之被压缩，由于施加在柔性触觉敏感单元2预拉伸应变减小，输出电阻变小。

如图7所示，在切向力F作用下，半球型柔性腔体1受力沿切向力方向发生形变(以沿R₁、R₃方向施加切向力为例)，等效为R₁发生拉伸应变，R₃发生压缩应变，表现在输出电阻R₁增加、R₃减小，由于对称性，R₂和R₄发生应变相同，经差动运算后无输出变化。

在三维力作用下，四个电阻的输出变化量为△R₁、△R₂、△R₃和△R₄，则三维力F作用下各个分量力引起对应电阻传感器输出电阻值(和)满足公式(1-3)中关系：

通过标定和与三维力分量F_X、F_Y和F_Z之间的关系，即可反演出三维力信息，从而实现三维力触觉感知功能。

为验证本发明基于导电织物的三维力柔性触觉传感器的可行性，做实例如下：

拟定实施例中本发明基于导电织物的三维力柔性触觉传感器的尺寸参数如图8所示，半球型柔性腔体1的内外半径分别为9mm和10mm，圆柱形柔性基体3的半径为10mm，厚度为1mm。基于3D打印技术及流体成型技术，设计半球型柔性腔体1和圆柱形柔性基体3所需模具，将硅橡胶注入各自模具，并放置在真空干燥箱中室温固化，脱模后即可获得所需半球型柔性腔体1和圆柱形柔性基体3。

其次，制备拉伸敏感导电织物用作柔性触觉敏感单元2。选择石墨烯的纯度不低于99.5％，直径为5-10μm，厚度为4-20nm，层数小于30层。导电聚合物聚苯胺电导率7.5S/cm，直径3～5μm，纯度不低于99.5％。制备流程如下：

步骤1、制备石墨烯/聚苯胺的融溶液

称取0.3g石墨烯和和0.1g导电聚合物聚苯胺，加入15mL的乙醇溶液混合并搅拌均匀，得到混合溶液；将混合溶液超声分散30分钟后再机械搅拌30分钟，再加入1.2g硅橡胶机械搅拌60分钟得到分散均匀的石墨烯/聚苯胺融溶液。

步骤2、制备可拉伸基底

将莱卡织物清洗(将莱卡织物在去离子水溶液浸泡30分钟，然后烘干)，以去除表面杂质。

步骤3、制备可拉伸应变传感器

将步骤1制备的石墨烯/聚苯胺融溶液旋涂在处理后的莱卡织物基底上，旋涂多次，转数为2000rpm，得到厚度为300μm的导电薄膜。再将导电薄膜放入温度箱中进行干燥，在50℃恒温干燥2h，获得初步的可拉伸传感器。传感器两端放置柔性可拉伸电极作为电极，最后将PDMS(PDMS基体和固化剂10:1进行混合)旋涂在可拉伸传感器的上层，作为封装层，即获得可拉伸应变传感器。

经上述制备流程后，获得拉伸应变敏感的导电织物，并按照图8中柔性触觉敏感单元2的尺寸参数裁剪成长宽为10.5mm×3mm，一端与半球型腔体底端对齐并通过硅橡胶固定粘接。对导电织物施加20％预拉伸，将可拉伸应变传感器未涂复合导电材料的一面通过硅橡胶与半球型腔体内壁粘接，构成柔性触觉敏感单元。同理，安装其余三个柔性触觉敏感单元，且保证四个柔性触觉敏感单元在圆柱形柔性基体3垂直投影呈“十”字形排列。四个柔性触觉敏感单元2中垂直投影处于“十”字形一边的两个柔性触觉敏感单元2组成一对差动结构。完成传感器制备后，进行测试验证本发明基于导电织物的三维力柔性触觉传感器性能特点，首先，施加法向力，其测试结果如图9所示，可以看出，四个柔性触觉敏感单元2在法向力作用下其输出电阻均减小，且表现较高的一致性。当施加切向力时(以沿R₁、R₃方向施加切向力为例)，其测试结果如图10所，可以看出，R₁、R₃构成的差动单元输出增加，R₂、R₄构成的差动单元因受力一致其输出接近零，测试结果验证了上述论证。上述法向力和切向力测试结果验证了本发明基于导电织物的三维力柔性触觉传感器用作电子皮肤实现三维力触觉感知的可行性。