基于柔性压阻阵列和磁铁线圈阵列的柔性触觉传感器的制作方法

本发明涉及触觉传感器技术领域，尤其涉及一种基于柔性压阻阵列和磁铁线圈阵列的柔性触觉传感器。

背景技术：

物体抓取是许多机器人或灵巧机械手的基本功能。为了能够安全可靠地抓取物体，机器人或灵巧机械手通常需要触觉传感器来感知物体的状态。在物体抓取过程中，触觉传感器与物体直接接触，这种接触按双方材料性质可分为刚性接触和柔性接触。对于抓取质地柔软或易碎的物体(如鸡蛋、水果、蔬菜等)，为降低冲击/碰撞对物体的损伤，柔性接触更为理想，因此需要触觉传感器具备一定的柔性。柔性接触时，其接触面上的力和滑动检测对于物体抓取效率具有极其重要的意义，因此柔性触觉传感器的力和滑动检测性能直接影响着机器人或灵巧手的抓取效率。

目前，柔性触觉传感器主要基于光波导效应、压阻效应、压电效应或者电磁感应等原理来实现接触面力或滑动的检测。其中，基于光波导效应的触觉传感器主要由具有凸起触头阵列的柔性层、光钎、电荷耦合器件(ccd)相机、支承结构等组成，具有灵敏度比较高的特点。采用压阻效应的触觉传感器主要基于微型机电系统(mems)工艺硅基压阻单元、压敏导电橡胶等敏感元件，将其以独立单元或阵列形式嵌入橡胶材质的柔性基体中，以实现表面柔性或整体柔性。采用压电效应的触觉传感器主要基于聚偏氟乙稀(pvdf)敏感单元，也是采用以独立单元或阵列形式嵌入柔性基体的方式实现表面柔性或整体柔性。采用电磁感应原理的触觉传感器主要基于磁铁-线圈阵列结构单元，即把永磁铁嵌入橡胶材质的弹性体中，利用弹性体受力变形带动其内部永磁铁在线圈阵列上方产生切割磁感线运动的方式来实现接触面力或滑动的检测。

上述传统技术的缺点是：采用光波导效应的触觉传感器灵敏度比较高，但是体积通常较大，而且需要复杂的图像处理，应用范围受限。采用压阻效应的触觉传感器主要基于mems工艺硅基压阻单元、压敏导电橡胶等敏感元件，其中mems工艺硅基压阻单元力检测精度较高，动态性能良好，但制作成本高昂，而且硅基传感器质地较脆，将显著降低触觉传感器的承载能力和抗冲击能力；而压敏导电橡胶力检测精度较低，动态性能较差，适合于对检测精度和动态性能要求不高的应用场合。采用压电效应的触觉传感器主要基于pvdf敏感单元，其动态检测性能较好，但静态力检测精度较差。采用电磁感应原理的触觉传感器主要基于磁铁-线圈结构单元，具有较好的动态检测性能，但同样存在静态力检测精度差的问题。此外，目前的柔性触觉传感器普遍采用单一原理进行接触面力或滑动的检测，无法同时兼顾力与滑动检测的静态性能和动态性能。

因此需要研发出基于柔性压阻阵列和磁铁线圈阵列的柔性触觉传感器来解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种基于柔性压阻阵列和磁铁线圈阵列的柔性触觉传感器。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

基于柔性压阻阵列和磁铁线圈阵列的柔性触觉传感器，包括：

用于柔性接触的弹性体；

永磁铁；永磁铁安装在弹性体内部；

柔性压阻阵列；弹性体的底部与柔性压阻阵列的作用端连接；

导电线圈阵列；导电线圈阵列置于柔性压阻阵列的下方，弹性体在水平摩擦力作用下将发生变形，进而带动内部永磁铁在导电线圈阵列上方产生切割磁感线运动。

具体地，柔性触觉传感器还包括壳体、屏蔽线缆和底盖，壳体包括第一槽体、第二槽体、连接槽、过线槽，第一槽体开设在壳体的上表面上，第二槽体开设在壳体的下表面上，连接槽连连通第一槽体、第二槽体、过线槽，柔性压阻阵列安装在第一槽体内，导电线圈阵列安装在第二槽体内，底盖盖设在第二槽体上，屏蔽线缆安装在过线槽内，屏蔽线缆通过连接槽非别与柔性压阻阵列、导电线圈阵列电连接。

进一步地，柔性压阻阵列包括柔性基底、压阻材料单元组件、正电极单元、公共负电极单元、焊盘，压阻材料单元组件、公共负电极单元、焊盘均安装在柔性基底内，其中公共负电极单元置于底部，压阻材料单元组件置于公共负电极单元的上部，焊盘置于柔性基底的一端部，压阻材料单元组件的多个负极均与公共负电极单元电连接，压阻材料单元组件的多个正极分别通过多根导线与焊盘上的多个焊点电连接，公共负电极单元通过导线与焊盘上的焊点电连接，焊盘与屏蔽线缆电连接。

更进一步地，压阻材料单元组件包括压阻材料单元a、压阻材料单元b、压阻材料单元c、压阻材料单元d，压阻材料单元a、压阻材料单元b、压阻材料单元c、压阻材料单元d在柔性基底内呈环形依次均匀分布。

具体地，第二槽体包括槽孔a、槽孔b、槽孔c、槽孔d、槽孔e，槽孔a、槽孔b、槽孔c、槽孔d呈环形依次均匀分布,导电线圈阵列包括四个导电线圈，四个导电线圈分别置于槽孔a、槽孔b、槽孔c、槽孔d内；槽孔e围绕槽孔a、槽孔b、槽孔c、槽孔d设置，多根导线通过槽孔e后两端分别与导电线圈和屏蔽线缆电连接。

优选地，柔性压阻阵列和导电线圈阵列平行设置。

本发明的有益效果在于：

1、本申请通过弹性体、永磁铁、柔性压阻阵列、导电线圈阵列的设置及其连接，有效的将柔性压阻单元阵列和磁铁线圈阵列两种敏感单元有机结合，基于压阻效应和电磁感应原理，能够实现柔性接触面上的三维力(即正压力和二维摩擦力)和滑动的检测，可以分辨滑动的二维方向，兼顾力与滑动检测的静态性能和动态性能，并且具有制作成本低的特点。

附图说明

图1为本申请的剖视图；

图2为本申请的俯视图；

图3为本申请的仰视图；

图4为本申请中超薄柔性压阻阵列的俯视图；

图5为本申请中超薄柔性压阻阵列的剖视图；

图6为本申请中壳体的俯视图；

图7为本申请中壳体的仰视图；

图8为本申请中壳体的剖视图；

图中：1—弹性体，2—永磁铁，3—柔性压阻阵列，31—柔性基底，32—压阻材料单元组件，321—压阻材料单元a，322—压阻材料单元b，323—压阻材料单元c，324—压阻材料单元d，33—正电极单元，34—公共负电极单元，35—焊盘，4—壳体，41—第一槽体，42—第二槽体，421—槽孔a，422—槽孔b，423—槽孔c，424—槽孔d，425—槽孔e，43—连接槽，44—过线槽，5—屏蔽线缆，6—密封胶，7—导电线圈阵列，8—底盖。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1-3所示，基于柔性压阻阵列3和磁铁线圈阵列的柔性触觉传感器，包括：

用于柔性接触的弹性体1；弹性体1选择为圆柱型；弹性体1采用具备弹力、绝缘、且非磁场屏蔽材料制成；优选为橡胶弹性件；

永磁铁2；永磁铁2安装在弹性体1内部；且永磁铁2位于弹性体1的中轴线处，并接近弹性体1的上表面设置；永磁铁2优选为圆盘形；

柔性压阻阵列3；弹性体1的底部与柔性压阻阵列3的作用端连接；

导电线圈阵列7；导电线圈阵列7置于柔性压阻阵列3的下方，弹性体1在水平摩擦力作用下将发生变形，进而带动内部永磁铁2在导电线圈阵列7上方产生切割磁感线运动。

如图6-8所示，柔性触觉传感器还包括壳体4、屏蔽线缆5和底盖8，壳体4包括第一槽体41、第二槽体42、连接槽43、过线槽44，第一槽体41开设在壳体4的上表面上，第二槽体42开设在壳体4的下表面上，连接槽43连连通第一槽体41、第二槽体42、过线槽44，柔性压阻阵列3安装在第一槽体41内，导电线圈阵列7安装在第二槽体42内，底盖8盖设在第二槽体42上，屏蔽线缆5安装在过线槽44内，屏蔽线缆5通过连接槽43非别与柔性压阻阵列3、导电线圈阵列7电连接。

如图5所示，柔性压阻阵列3包括柔性基底31、压阻材料单元组件32、正电极单元33、公共负电极单元34、焊盘35，压阻材料单元组件32、公共负电极单元34、焊盘35均安装在柔性基底31内，其中公共负电极单元34置于底部，压阻材料单元组件32置于公共负电极单元34的上部，焊盘35置于柔性基底31的一端部，压阻材料单元组件32的多个负极均与公共负电极单元34电连接，压阻材料单元组件32的多个正极分别通过多根导线与焊盘35上的多个焊点电连接，公共负电极单元34通过导线与焊盘35上的焊点电连接，焊盘35与屏蔽线缆5电连接。

如图4所示，压阻材料单元组件32包括压阻材料单元a321、压阻材料单元b322、压阻材料单元c323、压阻材料单元d324，压阻材料单元a321、压阻材料单元b322、压阻材料单元c323、压阻材料单元d324在柔性基底31内呈环形依次均匀分布。

压阻材料单元a321、压阻材料单元b322、压阻材料单元c323、压阻材料单元d324均对应附有正电极单元33，压阻材料单元a321、压阻材料单元b322、压阻材料单元c323、压阻材料单元d324共用公共负电极单元34，四个正电极单元33和一个公共负电极单元34引线到焊盘35处，共有五处焊点。如图1所示，当物体与柔性触觉传感器接触时(与弹性件接触)，柔性触觉传感器受到沿z轴的正压力和沿xy平面的二维摩擦力的作用，此三维力的作用使得超薄柔性压阻阵列3中四个压阻材料单元受到不同的分布压力，其对应电阻值将发生变化，通过测量这种变化便可以得到三维力分布信息。其中，压阻材料单元a321、压阻材料单元b322、压阻材料单元c323、压阻材料单元d324四个柔性压阻单元压力之和即为正压力，压阻材料单元b322和压阻材料单元d324压力分布对应x轴受力，压阻材料单元a321和压阻材料单元c323压力分布对应y轴受力，通过相应矩阵解耦公式即可得到接触面上的三维力信息。

如图7所示，第二槽体42包括槽孔a421、槽孔b422、槽孔c423、槽孔d424、槽孔e425，槽孔a421、槽孔b422、槽孔c423、槽孔d424呈环形依次均匀分布,导电线圈阵列7包括四个导电线圈，四个导电线圈分别置于槽孔a421、槽孔b422、槽孔c423、槽孔d424内；槽孔e425围绕槽孔a421、槽孔b422、槽孔c423、槽孔d424设置，多根导线通过槽孔e425后两端分别与导电线圈和屏蔽线缆5电连接。

槽孔a421、槽孔b422、槽孔c423、槽孔d424均为圆形凹槽，槽孔e425用于内部走线，槽孔e425形成为环形，包围槽孔a421、槽孔b422、槽孔c423、槽孔d424设置，槽孔e425分别与槽孔a421、槽孔b422、槽孔c423、槽孔d424连通。四个导电线圈分别置于槽孔a421、槽孔b422、槽孔c423、槽孔d424内并用绝缘胶粘接固定。当物体与柔性触觉传感器接触(与弹性件接触)并发生相对运动时，弹性体1在水平摩擦力作用下将发生变形，进而带动内部永磁铁2在导电线圈阵列7上方产生切割磁感线运动，通过测量四个导电线圈的输出信号即可获得磁铁的运动信息，进而可以获得弹性体1的变形信息以及水平摩擦力信息。其中，槽孔b422、槽孔d424内对应的一组导电线圈获取沿x轴的水平摩擦力信息，槽孔a421、槽孔c423内对应的一组导电线圈获取沿y轴的水平摩擦力信息。通过受力分析可知，当弹性体1变形满足一定的小变形条件时，导电线圈的输出与弹性体1变形速率成正比，而弹性体1变形速率与水平摩擦力的导数呈线性关系，因此通过四个导电线圈阵列7可以获得水平二维摩擦力信息，进而可以评估接触面的二维粘滑状态，并可以分辨二维滑动的方向。

如图1所示，柔性压阻阵列3和导电线圈阵列7平行设置。

在一些实施例中，柔性压阻阵列3和导电线圈阵列7分别与屏蔽线缆5内部对应芯线连接。当所有导线完成连接后，用密封胶6将壳体4内的空隙进行填充密封，用于保护内部导向并确保连接性能。本申请中各部件之间的连接均采用绝缘胶进行粘接固定，壳体4为非金属件，底盖8为金属件，底盖8是具有保护内部的导电线圈阵列7，以及屏蔽传感器下方外磁场的功能，且底盖8还用于壳体4密封。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。