基于螺旋线的分布电容式柔性触觉传感阵列的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于螺旋线的电容分布式柔性触觉传感阵列。由M行×N列结构相同的触觉传感单元构成，M和N均≥2，每个触觉传感单元从下至上依次由下层、上层螺旋线层和表面凸起贴合而成；上层、下层螺旋线层均由平行的两根表面绕有铜螺旋线的PDMS线串接而成，上层、下层螺旋线层的PDMS线呈正交布置形成四个交叉区域，即形成四个电容极板区域；表面凸起的形状为四棱锥台。选择分立式的触觉传感单元，每个触觉传感单元用柔性PDMS相连接的布置成网状阵列结构能极大地提高触觉传感阵列的柔性和可延展性；铜螺旋线的交叉点区域形成电容，四个电容对应一个表面凸起，这样的设计能使触觉传感阵列具有三维力检测的能力。
【专利说明】基于螺旋线的分布电容式柔性触觉传感阵列
【技术领域】
[0001]本发明涉及柔性触觉传感阵列，尤其是涉及一种基于螺旋线的分布电容式柔性触觉传感阵列。
【背景技术】
[0002]生机电一体化的人工假肢相比于传统假肢,其主要特点是在机电一体化的基础上加入了与生物的具有高度相容的特点，不仅仅能实现传统假肢的功能，而且能让假肢能成为截至患者身体的一部分，使人工假肢具有与外界很好的交互能力，实现假肢的感知功能。感知功能包括触觉、温度感知、痛觉等等。其中触觉是人体与外界环境接触时的重要感觉，是多种感觉的综合，包括轻微触觉、静态力、滑觉等丰富的感知信息。把触觉信息进行准确的还原，让人工假肢具有“感觉”，这将是人体运动功能重建的一大进步。此外，随着机器人技术的发展，对人工触觉的需求越来越强烈，如能在机器人上实现触觉的重现，将能大大提高机器人的智能化程度。目前实现机器人的触觉感知主要是通过触觉敏感构件来识别目标物体或对象的多种物理信息，如接触力的大小、柔软性、硬度、弹性、粗糙度、材质等。柔性触觉传感阵列已成为智能机器人触觉传感【技术领域】新的研究热点，具有感知功能的机器人柔性触觉敏感皮肤可以增强其在各种环境下完成精细、复杂作业的能力，提高机器人系统的作业水平和智能化水平，对高级服务机器人、空间机器人以及危险环境下的精密操作微驱动机器人等都将产生重要的影响。
[0003]但是相比于人体的皮肤，目前的柔性触觉传感阵列绝大部分只能弯曲，但不能延展。要使触觉传感阵列能很好地安装在人工假肢或者机器人的非规则曲面上，必须要同时具备可弯曲和可延展的特性。因此，设计一种新型的柔性触觉传感阵列迫在眉睫。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种基于螺旋线的电容分布式柔性触觉传感阵列，具有高度的柔性和可延展性。
[0005]本发明采用的技术方案是:
本发明由M行XN列结构相同的触觉传感单元构成，M和N均大> 2，每个触觉传感单元从下至上依次由下层螺旋线层、上层螺旋线层和表面凸起贴合而成；上层螺旋线层和下层螺旋线层均由平行的两根表面绕有铜螺旋线的PDMS线串接而成，上层螺旋线层和下层螺旋线层的PDMS线呈正交布置；且在每个触觉传感单元中形成四个交叉区域，每个交叉区域形成一个电容极板区域；表面凸起的形状为四棱锥台。
[0006]所述铜螺旋线在每个电容极板区域的螺距等于铜螺旋线的直径，铜螺旋线在电容极板区域之外区域的螺距等于三倍铜螺旋线的直径。
[0007]所述下层螺旋线层、上层螺旋线层和表面凸起的材料均为PDMS柔性材料。
[0008]本发明具有的有益效果是:
(I)基于能使触觉传感阵列更好地布置在非规则曲面上的理念，本发明选择了分立式的触觉传感单元，每个触觉传感单元用柔性PDMS相连接的布置形式。这样的网状阵列结构能极大地提高触觉传感阵列的柔性和可延展性。
[0009](2)本触觉传感阵列把导线设计成螺旋状地缠绕在柔性PDMS线上，即使PDMS线被拉伸金属导线也不会因为变形过大而断裂；而且通过对导线缠绕在PDMS线上的密度调节，在传感单元内提高缠绕密度形成敏感电容，在非触觉敏感区域降低缠绕密度以提高柔性，兼顾了传感阵列的性能和柔性、可延展性。
[0010](3)铜螺旋线的交叉点区域形成电容，四个电容对应一个表面凸起，这样的设计能使触觉传感阵列具有三维力检测的能力。
[0011](4)整个触觉传感阵列除了铜导线，只使用了 PDMS柔性材料，能尽可能地提高传感阵列的柔性。
[0012]本发明可在具有非规则曲面的机器人手、人工假肢、手术机械手等领域中推广应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明整体结构立体图。
[0014]图2是本发明触觉传感单元拆分立体图。
[0015]图3是本发明PDMS线和铜螺旋线连接图。
[0016]图中:1、触觉传感单元，2、表面凸起，3、上层螺旋线层，4、下层螺旋线层，5、铜螺旋线，6、PDMS线，7、电容极板区域。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0018]如图1、图2、图3所示，本发明由M行XN列结构相同的触觉传感单元I构成，M和N均大> 2，图1中为4X4个，每个触觉传感单元I从下至上依次由下层螺旋线层4、上层螺旋线层3和表面凸起2贴合而成；上层螺旋线层3和下层螺旋线层4均由平行的两根表面绕有铜螺旋线5的PDMS线6串接而成，上层螺旋线层3和下层螺旋线层4的PDMS线6呈正交对称布置；且在每个触觉传感单元I中形成四个交叉区域，每个交叉区域形成一个电容极板区域7 ;表面凸起2的形状为四棱锥台。
[0019]如图3所示，所述铜螺旋线5在每个电容极板区域7的螺距等于铜螺旋线的直径，铜螺旋线5在电容极板区域7之外区域的螺距等于三倍铜螺旋线的直径。
[0020]所述下层螺旋线层4、上层螺旋线层3和表面凸起2的材料均为PDMS柔性材料。
[0021]本发明的实施例中的传感阵列的触觉传感单元的总厚度约为2.8mm、边长为3mm的正方形，整个阵列包含4X4个触觉传感单元，相邻触觉传感单元之间的间隙为1_。
[0022]本发明的工作原理描述如下:把M行XN列的触觉传感阵列连接到外部电路中，选通第m (I ^ m ^ M)行第η (I ^ n ^ Μ)列的触觉传感单元,其余单元屏蔽；施加频率为300kHz的正弦交流电，通过比较被测触觉传感单元的电容与参考电容的大小，得到单个触觉传感单元的电容值；通过选通不同的行与列，得到整个触觉传感阵列中每个单元的电容值；当触觉传感阵列受力时，检测每个单元的电容变化则能得到每个单元的受力的分布情况。[0023]完成该基于螺旋线电容式的分布式柔性触觉传感阵列的制作步骤如下:
(I)将Sylgard 184 PDMS预聚物与固化剂以10:1 (质量比)混合、搅匀、抽真空去除气泡，注入到预先制造好的模具，放置于加热炉保温固化，制造成PDMS线6。
[0024](2)用夹具夹住PDMS线6的两端，在PDMS线6上非均匀地缠绕铜导线，在电容极板区域7缠绕紧密，在非电容极板区域7缠绕稀疏。缠绕完成后将PDMS线6连同铜螺旋线5浸泡在PDMS溶液中，片刻后拿起并置于加热炉中保温固化，在铜螺旋线外表形成一层PDMS薄膜作为保护。
[0025](3)在预先准备好的模具中注入PDMS溶液，并将制造好的PDMS线6和铜螺旋线5放置在模具中预定的位置，置于加热炉中保温固化，制造成下层螺旋线层4。
[0026](4)用第(3)步骤中的方法制造上层螺旋线层3。
[0027](5)在预先准备好的模具中注入PDMS溶液，置于加热炉中保温固化，制造成表面凸起2。
[0028](6)对下层螺旋线层4的上表面和上层螺旋线层3的下表面进行氧等离子活化，并将上层螺旋线层3与下层螺旋线层4进行贴合。
[0029](7)上层螺旋线层3的上表面和表面凸起2的下表面进行氧等离子活化，并将上层螺旋线层3与表面凸起2进行贴合。
[0030]按照以上步骤，制造出来的传感阵列具有良好的柔性和延展性，对复杂非规则的曲面具有很好地适应性。
【权利要求】
1.基于螺旋线的电容分布式柔性触觉传感阵列，其特征在于:它由M行XN列结构相同的触觉传感单元(I)构成，M和N均> 2，每个触觉传感单元(I)从下至上依次由下层螺旋线层(4)、上层螺旋线层(3)和表面凸起(2)贴合而成；上层螺旋线层(3)和下层螺旋线层(4)均由平行的两根表面绕有铜螺旋线(5)的PDMS线(6)串接而成，上层螺旋线层(3)和下层螺旋线层(4)的PDMS线(6)呈正交布置；且在每个触觉传感单元(I)中形成四个交叉区域，每个交叉区域形成一个电容极板区域(7);表面凸起(2)的形状为四棱锥台。
2.根据权利要求1所述的基于螺旋线的电容分布式柔性触觉传感阵列，其特征在于:所述铜螺旋线(5)在每个电容极板区域(7)的螺距等于铜螺旋线的直径，铜螺旋线(5)在电容极板区域(7)之外区域的螺距等于三倍铜螺旋线的直径。
3.根据权利要求1所述的基于螺旋线的电容分布式柔性触觉传感阵列，其特征在于:所述下层螺旋线层(4)、上层螺旋线层(3)和表面凸起(2)的材料均为PDMS柔性材料。
【文档编号】G01L1/14GK104034451SQ201410246264
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月5日 优先权日:2014年6月5日
【发明者】梅德庆, 梁观浩, 汪延成, 席凯伦, 陈子辰 申请人:浙江大学