一种正四面体式三维力柔性触觉传感器阵列的制作方法

本实用新型涉及传感器技术领域，具体是一种正四面体式三维力柔性触觉传感器阵列。

背景技术：

随着机器人传感技术的迅速发展，触觉传感器的研究越来越受到各国学术界和工业界的广泛关注。现今研制的柔性触觉传感器基本都具备了单维触觉传感功能，但机器人要安全可靠地抓取目标需要较好地控制机械手与目标物体之间的相对滑动，这就要求触觉传感器在具备良好的柔韧性的同时能够检测多维力。不仅如此，在诸如外科手术、康复和服务、航天等领域同样需要具有能够检测多维力信息的柔性触觉传感器。

目前，国内外已经研制出多种三维力传感器，但是基于全柔性结构的触觉传感器比较少。中科院合肥智能机械研究所徐菲等人以导电橡胶为基体材料，通过采用并联电阻模型所研制的柔性触觉传感器，可对三维力实施检测。这种传感器具有一定的柔性，但是对制作加工的要求很高，并且对施加在表面上力的反应时间较长。

合肥工业大学黄英等人申请的专利(CN103335754A)公开了一种全柔性三维力触觉传感器及压力敏感单元的制作，其特征是各三维力触觉传感单元在被检测区域表面呈阵列排布，相互之间利用柔性基体填充。中科院合肥智能机械研究所孙鑫等人申请的专利(CN103134622A)公开了一种三维力柔性触觉传感器阵列制备方法，利用“N”型立体支架作为可检测三维力的触觉传感器阵列微结构，每个微结构之间填充绝缘橡胶。上述两份专利中，制作加工简单，但是对微结构单元存在耦合，解耦算法复杂，不能实时检测施加在传感器表面上的力。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种结构简单、容易解耦、灵敏度高和稳定性强的正四面体式三维力柔性触觉传感器阵列。

本实用新型的技术方案为：

一种正四面体式三维力柔性触觉传感器阵列，包括呈阵列排布在柔性基体内的若干结构相同的三维力柔性触觉传感单元，所述三维力柔性触觉传感单元均为由具有压阻效应的柔性导电橡胶制备而成的正四面体结构；所有正四面体结构的上端面均位于同一平面内，且满足当以某正四面体结构的三个下侧面的交点为原点O建立该四面体结构的三维直角坐标系时，该四面体结构的上端面的其中一条边平行于Y轴，另外两条边的交点投影落在X轴正向上；所述正四面体结构的上端面分别与三个下侧面等效构成三个电阻，所述下侧面的中心均设有用于输出相应电阻信号的电触点。

所述的正四面体式三维力柔性触觉传感器阵列，所述正四面体结构的边长为7～11mm，处于同一行或同一列的两相邻正四面体结构的中心距离为14～18mm。

所述的正四面体式三维力柔性触觉传感器阵列，所述三维力柔性触觉传感单元的三维力，通过以下公式解析获得：

其中，F_x、F_y和F_z分别表示三维力柔性触觉传感单元在X、Y和Z方向上所受的作用力；F₁表示其投影落在XOY平面第三和第四象限的下侧面所受的压力，F₂表示其投影落在XOY平面第一和第二象限的下侧面所受的压力，F₃表示其投影落在XOY平面第二和第三象限的下侧面所受的压力；F₁、F₂和F₃根据三维力柔性触觉传感单元的力敏状态方程F_i＝f(R_i)，i＝1，2，3获得，R_i，i＝1，2，3分别表示相应下侧面的电阻。

本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型的三维力柔性触觉传感单元采用正四面体结构，巧妙地将传感器表面所受到的作用力分解到三个下侧面上，降低了传感器电阻数据的耦合度，提高了解耦算法效率，从而能够达到实时检测的目的。

(2)本实用新型的三维力柔性触觉传感单元采用具有压阻效应的柔性导电橡胶制备，整个传感器阵列具有良好的柔性特点，传感器可实现弯曲变形，能可靠贴在机器人皮肤上，实现对外界作用力的有效感知。

(3)本实用新型可采用分层模具灌装技术制作得到，工艺简单，结构紧凑，整体性强，从而工作稳定，灵敏度高。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的三维力柔性触觉传感单元结构示意图；

图3是本实用新型的三维力柔性触觉传感单元F₁、F₂受力分析示意图；

图4是本实用新型的三维力柔性触觉传感单元F₃受力分析示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本实用新型。

如图1、图2所示，一种正四面体式三维力柔性触觉传感器阵列，包括若干有序排列的三维力柔性触觉传感单元1，三维力柔性触觉传感单元1之间填充有由绝缘橡胶(PDMS)或者其他柔性绝缘材料制备而成的柔性基体3，三维力柔性触觉传感单元1为正四面体结构，由具有压阻效应的柔性导电橡胶制备。上述有序排列指的是三维力柔性触觉传感单元1在被检测区域表面呈规则形状平面分布。

正四面体结构的上端面平行于三维直角坐标系的XOY平面，上端面其中一条边平行于Y轴，另外两条边的交点投影落在X轴正向上，三个下侧面的交点作为三维直角坐标系的XOY平面的原点O，上端面分别与三个下侧面等效形成电阻R₁、电阻R₂和电阻R₃，三个下侧面的中心位置均贴有电触点2，通过采集电触点2上的电阻信号以测得各个下侧面上的电阻值。正四面体结构的边长为7～11mm，处于同一行或同一列的两相邻正四面体结构的中心距离为14～18mm。

本实用新型的三维力柔性触觉传感器阵列在使用过程中，当其表面受到作用力时，其所受到的力分解到正四面体结构的三个下侧面上，致使正四面体结构发生形变，三个下侧面受压，其电阻根据压力的大小发生相应的变化。根据压阻和压力的状态方程F_i＝f(R_i)，i＝1，2，3，可求得每个下侧面受到的压力大小，其中，f由正四面体结构所用材料的物理性质决定。

如图3、图4所示，三维力柔性触觉传感单元1的三维受力如下：

F_z＝F₁cosθ+F₂cosθ+F₃cosθ

上式中，F₁表示其投影落在XOY平面第三和第四象限的下侧面所受的压力，F₂表示其投影落在XOY平面第一和第二象限的下侧面所受的压力，F₃表示其投影落在XOY平面第二和第三象限的下侧面所受的压力；表示F₁和F₂在XOY平面上的投影与X轴的夹角，θ表示F₁、F₂和F₃与Z轴的夹角。根据正四面体结构的特性，为60°，θ为arccos(1/3)。F_x、F_y和F_z分别表示三维力柔性触觉传感单元1在X、Y和Z方向上所受的作用力。

本实用新型的三维力柔性触觉传感器阵列可采用分层模具灌装技术，柔性基体3采用高分子聚合物，将正四面体结构置于模具中对应的孔中，然后在模具剩下的空隙中浇灌绝缘橡胶(PDMS)或者其他柔性绝缘材料，脱模后即可得到三维力柔性触觉传感器阵列原型。

本实用新型的三维力柔性触觉传感器阵列需要进行标定才能使用：将不同大小的力沿X、Y、Z方向反复作用于传感器表面，并测得在不同压力下三维力柔性触觉传感单元1的各个电阻与施加力的关系，然后再经过神经网络或者最小二乘法解耦得到三维力柔性触觉传感单元1的各个电阻与三维力之间的数学关系。

以上所述实施方式仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。