一种微气囊式柔性三维力传感器的制作方法

本发明涉及物理测量仪器技术领域，具体涉及一种微气囊式柔性三维力传感器。

背景技术：

力学传感器是将各种力学测量量转换为电信号的传感器件，广泛应用于生产、生活中的各个方面。而且随着便携电子装置、可穿戴设备、智能机器人等机电装置的快速发展，具有体积小、重量轻、低功耗和高可靠性等优点的微小型传感器开始大量应用。根据制作材料的性质，力学传感器可分为全固态、半固态和柔性结构，其中柔性结构可应用于触觉传感器、机器人皮肤等需要适当弹性或匹配复杂外形的环境，因而具有更广泛的适用性。

目前使用的力传感器多为全固态或半固态结构，基于柔性结构的设计较少。而且大多数力传感器是基于电容原理或压阻原理将力学信息直接转换为电信号，这需要在柔性结构内部集成复杂的信号处理电路，不利于阵列化传感器的制造。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种微气囊式柔性三维力传感器，该传感器不仅能够实现三维力的测量，还能够降低柔性三维力传感器的加工难度，提高易用性。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种微气囊式柔性三维力传感器，包括柔性传力柱和设置在柔性传力柱下方的柔性基座；所述柔性传力柱的底部设有若干均匀分布的上微型气囊；所述柔性基座上开设有下微型气囊；所述上微型气囊和下微型气囊中均设有微型压力传感器。以柔性弹力柱的中轴线为中线，若干个上微型气囊沿柔性传力柱的底部外圆周均匀对称分布。

进一步的，所述柔性传力柱的底面与柔性基座的顶面粘接相连，且柔性传力柱的中轴线、柔性基座的中轴线以及下微型气囊的中轴线三者重合。

进一步的，所述上微型气囊为开设在柔性传力柱底部的凹槽，且该凹槽的下端开口处被柔性基座的顶面密封。若干个上微型气囊均匀分布在下微型气囊的外周，且上微型气囊与下微型气囊不接触或不连通。

进一步的，所述下微型气囊为开设在柔性基座中间的通孔，且该通孔的顶部开口处被柔性传力柱的底面密封，底部开口处采用硅橡胶密封。

进一步的，所述下微型气囊为开设在柔性基座中间的开口向上的半埋孔，且该半埋孔的顶部开口处被柔性传力柱的底面密封。

进一步的，所述上微型气囊和下微型气囊采用错层分布。上微型气囊感应切向力，下微型气囊感应法向压力。

进一步的，所述柔性传力柱为采用柔性硅橡胶材质制成的圆柱体。

进一步的，所述柔性基座为采用柔性硅橡胶材质制成的具有规则外形的弹性垫片。

由以上技术方案可知，本发明通过在柔性传力柱和柔性基座中以一定的排列方式包埋上微型气囊和下微型气囊，并通过设置在各微型气囊中的微型压力传感器来测量各微型气囊中的气压变化，从而测算出受到的加载力，实现三维力的测量。本发明降低了柔性三维力传感器的加工难度，提高了易用性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的剖面结构示意图。

其中：

1、柔性传力柱，21-24、上微型气囊，3、柔性基座，4、下微型气囊。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1-图2所示的一种微气囊式柔性三维力传感器，包括柔性传力柱1和设置在柔性传力柱1下方的柔性基座3。所述柔性传力柱1的底部设有4个均匀分布的上微型气囊21-24。以柔性弹力柱的中轴线为中线，4个上微型气囊沿柔性传力柱的底部外圆周均匀对称分布。所述柔性基座3上开设有下微型气囊4。所述上微型气囊21-24和下微型气囊4中均设有微型压力传感器；所述微型压力传感器，用于检测上微型气囊或下微型气囊中的气压变化。所述柔性基座3的下表面与信号采集电路或其它支撑结构粘接以实现整个传感器的固定。

进一步的，所述柔性传力柱1为采用柔性硅橡胶材质制成的弹性圆柱体，圆柱外形确保柔性传力柱1向xy平面内任意方向弯曲变形时不会受到不规则外形引起的额外阻力。所述柔性传力柱1，可以根据实际需求改变大小和高度，从而实现不同的传感器量程和灵敏度。

进一步的，所述柔性传力柱1的底面与柔性基座3的顶面粘接相连，且柔性传力柱1的中轴线、柔性基座3的中轴线以及下微型气囊4的中轴线三者重合。

进一步的，所述上微型气囊21-24为开设在柔性传力柱1底部的开口向下的凹槽，且该凹槽的下端开口处被柔性基座3的顶面密封。4个上微型气囊21-24均匀分布在下微型气囊4的外周，且上微型气囊21-24与下微型气囊4不接触或不连通。两两对称的两组上微型气囊21、24和22、23分别感应x和y方向或者y和x方向上的作用力。所述上微型气囊21-24，可以根据实际需求改变大小和外形，调节上微型气囊中的气压，从而实现不同的传感器量程和灵敏度。

进一步的，所述下微型气囊4为开设在柔性基座3中心的通孔，且该通孔的顶部开口处被柔性传力柱1的底面密封，底部开口处采用硅橡胶密封。或者，所述下微型气囊4为开设在柔性基座3中心的开口向上的半埋孔，且该半埋孔的顶部开口处被柔性传力柱1的底面密封。所述下微型气囊4，用于感应z方向上的作用力。所述下微型气囊4，可以根据实际需求改变大小和外形，调节下微型气囊中的气压，从而实现不同的传感器量程和灵敏度。

进一步的，所述上微型气囊21-24和下微型气囊4采用错层分布。上微型气囊21-24设置在柔性基座3顶部以上易于感应切向力，下微型气囊4设置在柔性基座3中感应法向压力对切向力不敏感。当上微型气囊21-24受切向力变形时，不会引起或大幅减小下微型气囊4的变形。

进一步的，所述柔性基座3为采用柔性硅橡胶材质制成的具有规则外形的弹性垫片。优选的，所述规则外形为长方形或圆形。

本发明的工作原理：

在使用过程中，当本发明所述的传感器受力时，所施加的力被柔性传力柱1分解到x、y、z三个方向。三个方向上的上微型气囊和下微型气囊受力后变形，通过各个微型压力传感器测量出各个微型气囊的气压变化，从而感知各方向的受力情况。各方向受力的计算方法如下：

fx＝α(p24-p21)

fy＝β(p22-p23)

fz＝γp4

其中，fx、fy和fz分别为微型压力传感器在x、y、z三个方上受到的力；p21、p22、p23、p24和p4分别为上微型气囊21、22、23、24和下微型气囊4的压强；α、β和γ为换算系数。

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

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种微气囊式柔性三维力传感器，包括柔性传力柱和设置在柔性传力柱下方的柔性基座；所述柔性传力柱的底部设有若干均匀分布的上微型气囊；所述柔性基座上开设有下微型气囊；所述上微型气囊和下微型气囊中均设有微型压力传感器。由以上技术方案可知，本发明通过在柔性传力柱和柔性基座中以一定的排列方式包埋上微型气囊和下微型气囊，并通过设置在各微型气囊中的微型压力传感器来测量各微型气囊中的气压变化，从而测算出受到的加载力，实现三维力的测量。本发明降低了柔性三维力传感器的加工难度，提高了易用性。

技术研发人员：潘宏青;何飞;赵星;双丰;胡广宇;许玉云;孙玉香;曹会彬;王耀雄;高放
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：2017.11.13
技术公布日：2018.05.08