可嵌入式条状全柔性多维力传感器的制作方法

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种柔性多维力传感器。

背景技术：

软体机器人在某些方面有着传统刚性机器人不可比拟的一些优势，已成为目前机器人技术之中热门的研究方向之一。力位传感器技术被广泛的应用在机器人的检测之中，用于检测机器人的受力及运动情况，反馈需要的信息，进行监控或进行控制。然而传统的传感器往往采用刚性结构，在应用时会限制软体机器人的主要性能，因此，软体机器人技术的发展也同样需要柔性传感器技术的跟进和发展。

在柔性传感器的研究上，通常采用大柔性金属材料，或者硅基基底材料，或者柔性布料材料等利用光、电、磁等物理现象进行研发，但其大多柔性不够或只能检测单维力，另外还存在结构复杂、工艺繁琐、标定困难等问题。在多维力传感器的研究方面，主要集中于平面类构型的设计，延展性有限，且均存在一定的解耦问题。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种可嵌入软体机器人内部进行随动的全柔性传感器，以改善柔性多维力传感器延展性不足、解耦性差等问题。

本发明目的通过下述技术方案来实现：一种可嵌入式全柔性多维力传感器，包括传感器柔性基体，在传感器柔性基体内部设有呈条形布置的上层微通道和下层微通道，上、下两层微通道结构相同且呈z字型分别首尾连接成一根通道，微通道内注入液态金属镓铟锡合金导体作为传感器的敏感元件，其中下层微通道头部和尾部分别引出接引线a和接引线b，上层微通道头部和尾部分别引出接引线c、接引线d和中间接引线e，接出的各接引线用于连接外部采集系统，以检测微通道中电阻的变化；使用时，所述传感器可嵌入任何待测力环节中，其形状和柔度可根据环境要求而设定，当施加拉弯载荷时，传感器柔性基体内部微通道电阻和两端电压发生变化，可根据四线制测电阻方法计算得出施加的三维力的各个分量，也可以通过受力和变形的关系求出传感器变形。

本发明可以测得的三维力包括一个正应力及两个弯矩，特点是可在发生大变形时，不损害传感器的结构及性能，同时也对待测体起到了一定的保护作用。此外，本发明结构简单，制作工艺简便，易于后续数据处理工作。

本发明可安装于传统机器人关节、软体机器人和人机交互设备及其它需要检测多维力的场合，其全柔性结构对环境有着更强的适应性，能够用于恶劣环境的测量。

与现有传感器相比，本发明专利具有如下优点：

采用的主体材料为柔性硅胶，形状、尺寸和柔度可根据环境要求改变，并可以将其嵌入至某些软体内部进行力的测量；因硅胶抗酸碱，故其可用于各类酸碱、潮湿等特殊环境，能够在恶劣环境中长期稳定的工作；内部微通道大小、长度可根据实际要求设计，方便其量程及灵敏度的调整；因硅胶质地柔软，内部微通道内注入液态金属溶液，故该传感器允许大尺度扭曲而不损伤检测元件，恢复形状后不影响使用性能，同时对待测体也起到缓冲减震的作用；传感器内部微通道分上下两层，上层微通道又被等分为两部分，通过检测各部分电阻或两端电压即可得到各维力，具有高度的可解耦性，可准确的测量多个方向的力。

附图说明

图1为可嵌入式全柔性多维力传感器结构示意图。

图2为图1所示传感器中平行于xz平面的传感器中间截面示意图。

图中：1-传感器柔性基体、2-上层微通道、3-下层微通道、4-接引线c、5-接引线a、6-接引线b、7-接引线d、8-接引线e。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明：

如图1和图2所示，本发明实施例的可嵌入式条状全柔性多维力传感器，包括由柔性硅胶组成的传感器柔性基体1，在传感器柔性基体内部设有呈条状布置的上层微通道2和下层微通道3，上、下两层微通道结构相同且呈z字型分别首尾连接成一根通道，微通道内注入液态金属镓铟锡合金导体作为传感器敏感元件，其中下层微通道头部和尾部分别引出接引线a5和接引线b6，上层微通道头部和尾部分别引出接引线c4、接引线d7和中间接引线e8。在传感器上表面建立坐标系，垂直上表面向上为z轴，在上表面上垂直z轴向左为x轴，垂直xz平面向前为y轴。

该传感器通过四线制测电阻方法在接引线a5和接引线b6、接引线c4和接引线d7两端通入恒流电源，并接入数据采集板卡可测得各电阻所对应的电压值，记初始状态接引线a5和接引线b6、接引线c4和接引线d7两端电压为u0，施加载荷后接引线a5和接引线b6两端电压为uab，接引线c4和接引线d7两端电压为ucd，接引线c4和接引线e8两端电压为uce，接引线d7和接引线e8两端电压为ude。

当传感器只受到沿y轴拉伸载荷fy时，上下两层微通道电阻变化相同即uab＝ucd，可得fy＝k1(uab-u0)。当传感器只受到绕x轴弯矩mx时，上下微通道电阻会有电阻差，相应会有电压差，可得mx＝k2(ucd-uab)，由于ucd＝uce+ude，所以mx＝k2(uce+ude-uab)。当传感器只受到绕z轴的弯矩时，上下两层微通道电阻变化相同即uab＝ucd，但uce≠ude，可得mz＝k3(uce-ude)。经分析可得，独立的输入变量共三个，分别为uab、uce和ude，整理计算可得：

写成输入和输出的关系式可得：

其中k1、k2、k3为电压协调系数，k1、k2、k3和u0可通过实验标定获取。

技术特征：

技术总结
本发明公开一种可嵌入式条状全柔性多维力传感器，包括传感器柔性基体，在传感器柔性基体内部设有呈条状布置的上层微通道和下层微通道，上下两层微通道结构相同且呈Z字型分别首尾连接成一根通道，微通道内注入液态金属镓铟锡合金导体作为传感器敏感零件，其中下层微通道头部和尾部分别引出1条接引线，上层微通道头部、尾部及中间位置分别引出1条接引线，引出的接引线用于连接外部采集系统，通过检测微通道中电阻的变化，经计算获得传感器的受力情况。本发明可嵌入至软体机器人内部，与其随动测量，能够检测到三个方向上的力。本发明结构简单，制作工艺简便，易于后续数据处理工作，其全柔性结构对环境的适应性更强，能够用于恶劣环境下的测量。

技术研发人员：姚建涛;张弘;陈俊涛;勾栓栓;许允斗;赵永生
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：2017.06.09
技术公布日：2017.09.08