本发明涉及滑觉传感器，特别是涉及一种全方向滑觉传感器。
背景技术
机械手在抓握物体时，需要实时监测机械手与所持物体接触表面间相对运动的情况，以便确定合适的握力值，在不损伤物体的前提下抓牢物体。滑觉传感器是一种主要用于检测机械手和所持物体之间滑动或预滑动的装置，其性能直接决定机器人能否成功完成柔性抓握任务。
目前已开发出的滑觉传感器主要基于压电、压阻、电容等原理。一些滑觉传感器虽然能识别是否发生滑动，但是并不能测量滑动的方向和速度或者只能测量单个方向上滑动的方向和速度。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于弥补现有技术的不足，提供一种全方向滑觉传感器，该滑觉传感器不仅能识别任意方向上的滑动，还能测量滑动的速度和剪切力大小。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种全方向滑觉传感器，包括上部结构和下部结构，所述上部结构为一带有圆环形裙边的圆柱形结构，所述上部结构的材料为柔性材料，所述裙边的下表面上设有上电极，优选为一层覆盖所述裙边的下表面的等厚度的上电极，所述下部结构包括压阻薄膜、多个下电极和将所述压阻薄膜及所述多个下电极覆盖的绝缘薄膜，所述多个下电极围绕于所述压阻薄膜的外侧并间隔分布，所述压阻薄膜位于所述多个下电极围绕的中心区域，所述圆柱形结构的下表面对准并压紧所述压阻薄膜，所述压阻薄膜用于测量法向压力，所述上电极和所述下电极用于感应不同滑动方向引起的摩擦起电信号，所述传感器受到剪切力作用时，所述上部结构向力的方向倾斜，使得所述上电极与下部的所述绝缘薄膜接触，从而所述上电极与所述绝缘薄膜下方的下电极感应出电信号，所述传感器受到法向压力作用时，所述压阻薄膜在法向上发生形变，从而其自身电阻值随之改变。
进一步地：
所述多个下电极沿同一圆周间隔分布，所述压阻薄膜位于所述多个下电极围绕的圆心区域，其几何中心与所述多个下电极所在圆周的圆心重合。
所述下电极为圆弧形电极，各圆弧形电极之间具有间隔，所述压阻薄膜上的测量端子通过所述间隔引出。
所述圆柱形结构的直径为1-3毫米，高度为3-6毫米，所述圆环形裙边的直径为3-8毫米，厚度为0.3-1毫米，所述圆环形裙边的下表面距所述圆柱形结构的下表面高度为0.5-2毫米。
所述下电极为圆弧形电极，所述下电极的内圆环直径为1.5-3.5毫米，外圆环直径为4-8毫米。
所述上电极的材料为铝、铜或银，厚度为200纳米至50微米，所述下电极的材料为金属或石墨烯，厚度为200纳米至50微米。
所述柔性材料为弹性聚合物材料。
所述绝缘薄膜的材料为pdms、聚酰亚胺或聚四氟乙烯，厚度为200微米至600微米，宽度为100微米至1毫米。
所述压阻薄膜的材料为激光诱导多孔石墨烯或碳纳米管，厚度为150微米至250微米。
所述多个下电极为均匀间隔分布的四个下电极，所述四个下电极连接有呈辐射状向外引出的四个电极引出端子，所述压阻薄膜连接有通过所述下电极之间的间隔呈辐射状向外引出的四个测量端子。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供一种可测量任意方向滑动与剪切力的滑觉传感器，包括上部结构和下部结构，上部结构为一带有圆环形裙边的圆柱形结构，上部结构的材料为柔性材料，裙边的下表面上设有上电极，圆柱形结构的下表面对准并压紧多个下电极围绕的圆心区域，整体形成为纵向截面为“土”字形的结构，通过下部结构上的压阻薄膜测量法向压力，通过上电极和下电极的靠近来感应滑动引起的摩擦起电信号，当传感器受到剪切力作用时，上部结构向力的方向倾斜，使得上电极与下部的绝缘薄膜接触，从而上电极与在绝缘薄膜下方的下电极感应出电信号，通过多个下电极上感应电信号的大小可计算出滑动的方向和速度；当传感器受到法向压力作用时，压阻薄膜在法向方向上发生形变，从而其自身电阻值随之改变。经测试，使用本发明的滑觉传感器，对任意方向的滑动有准确可靠的响应；当不同方向的滑动发生时，获得的信号有明显的差异；通过对比多个电极中感应出的电信号，可综合计算出滑动的方向和速度；而通过实时监测下部压阻薄膜的电阻值，还可以获得作用于传感器的法向压力数值。本发明将滑觉传感器设计为一个“土”字形结构，通过摩擦纳米发电机原理，其不仅能识别是否发生滑动，还能测量滑动的方向和速度。同时，通过压阻薄膜材料，可同时感知法向压力。
相对于现有滑觉传感器，本发明的滑觉传感器灵敏度高，可测量任意方向的滑动和速度，并且可以对作用于传感器的法向压力进行测量。而且，本发明的滑觉传感器可快速、方便地实现制作。
附图说明
图1是本发明一种实施例的全方向滑觉传感器的截面示意图；
图2是本发明一种实施例的全方向滑觉传感器的立体示意图；
图3是本发明一种实施例的全方向滑觉传感器的下电极和压阻薄膜示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参阅图1至图3，在一种实施例中，一种全方向滑觉传感器，包括上部结构和下部结构，所述上部结构为一带有圆环形裙边的圆柱形结构1，所述上部结构的材料为柔性材料，所述裙边的下表面上设有上电极2，所述下部结构包括压阻薄膜5、多个下电极4和将所述压阻薄膜5及所述多个下电极4覆盖的绝缘薄膜3，所述多个下电极4围绕于所述压阻薄膜5的外侧并间隔分布，所述压阻薄膜5位于所述多个下电极4围绕的中心区域，所述圆柱形结构1的下表面对准并压紧所述压阻薄膜5，所述压阻薄膜5用于测量法向压力，所述上电极2和所述下电极4用于感应不同滑动方向引起的摩擦起电信号，所述传感器受到剪切力作用时，所述上部结构向力的方向倾斜，使得所述上电极2与下部的所述绝缘薄膜3接触，从而所述上电极2与所述绝缘薄膜3下方的下电极4感应出电信号，通过所述多个下电极4上感应电信号的大小可计算出滑动的方向和速度，所述传感器受到法向压力作用时，所述压阻薄膜5在法向上发生形变，从而其自身电阻值随之改变。
根据实施例的全方向滑觉传感器为可测量任意方向滑动与剪切力的滑觉传感器，其整体形成为纵向截面为“土”字形的结构，尺寸在微米级至厘米级。通过摩擦纳米发电机原理，不仅能识别任意方向上的滑动，还能测量滑动的速度和剪切力大小。同时，滑觉传感器底层设置有压阻薄膜，可同时感知法向压力。压阻薄膜优选采用集成了压阻材料的图形化结构。
在优选的实施例中，上电极2为一层覆盖所述圆环形裙边的下表面的等厚度的上电极。
在优选的实施例中，所述多个下电极4沿同一圆周间隔分布，所述压阻薄膜5位于所述多个下电极4围绕的圆心区域，其几何中心与所述多个下电极4所在圆周的圆心重合。
在优选的实施例中，所述下电极4为圆弧形电极，各圆弧形电极之间具有间隔，所述压阻薄膜5上的测量端子通过所述间隔引出。
在优选的实施例中，所述圆柱形结构1的直径为1-3毫米，高度为3-6毫米，所述圆环形裙边的直径为3-8毫米，厚度为0.3-1毫米，所述圆环形裙边的下表面距所述圆柱形结构1的下表面高度为0.5-2毫米。
在优选的实施例中，所述下电极4为圆弧形电极，所述下电极4的内圆环直径为1.5-3.5毫米，外圆环直径为4-8毫米。
在优选的实施例中，所述上电极2的材料为铝、铜或银，厚度为200纳米至50微米，所述下电极4的材料为金属或石墨烯，厚度为200纳米至50微米。
在优选的实施例中，所述柔性材料为弹性聚合物材料。
在优选的实施例中，所述绝缘薄膜3的材料为pdms、聚酰亚胺或聚四氟乙烯，厚度为200微米至600微米，宽度为100微米至1毫米。
在优选的实施例中，所述压阻薄膜5的材料为激光诱导多孔石墨烯或碳纳米管，厚度为150微米至250微米。
在优选的实施例中，所述多个下电极4为均匀间隔分布的四个下电极4，所述四个下电极4连接有呈辐射状向外引出的四个电极引出端子，所述压阻薄膜5连接有通过所述下电极4之间的间隔呈辐射状向外引出的四个测量端子。
如图1所示，在一个典型的优选实施例中，一种可同时测量压力与滑动的滑觉传感器，包括：带有圆环形裙边的圆柱形结构1、上电极2、绝缘薄膜3、下电极4和压阻薄膜5。圆柱形结构1的高直径比比较低的圆柱(即圆环形裙边)的除与高直径比比较高的圆柱(即圆环形裙边上方的圆柱)的底面相连部分的下底面上附有等厚度的下电极2，绝缘薄膜3将多个电极4和压阻薄膜5完全覆盖，多个电极4等间距分布并且位于同一圆周上，并且圆周的直径应该大于圆柱形结构1底部圆柱的直径，压阻薄膜5的几何中心与多个电极所在圆周的圆心重合，并且压阻薄膜5的面积应该小于圆柱形结构1底部圆柱的下底面的面积。将圆柱形结构1的底部圆柱的下底面的几何中心对准绝缘薄膜3下方压阻薄膜5的几何中心，使两部分结构紧密组合在一起成为一个滑觉传感器。
以下描述本发明全方向滑觉传感器的制备工艺。
制备例1：
本制备例通过一些装置，制作基于单电极纳米发电机的滑觉传感器，具体包括以下步骤：
1)首先通过激光3d打印机打印两个韧性树脂模具，其中一个模具上为一个大圆凹槽中部包含一个小圆凹槽的模型阵列，其中大圆凹槽直径7毫米深380微米；小圆凹槽直径3毫米深750微米；另一个模具为圆形凹槽阵列，圆形凹槽直径3毫米深2.5毫米。将两个模具用去离子水洗干净，然后用氮气吹干；
2)在电子秤上按照10:1的比例将pdms预聚体与固化剂混合，充分搅拌后将混合好的pdms浇筑入模具内，使用真空泵进行三次真空处理，以便去除pdms中多余的空气，将模具放入烘箱50℃保持3小时；
3)将pdms从模具中剥离出来，使用pdms芯片切割刀将pdms凸台结构从阵列中分离出来。在两层圆柱的pdms结构直径较大圆柱的下表面先镀一层10纳米的铬再镀一层100纳米的铝，将pdms两层圆柱结构的直径较大圆柱上表面圆心对准pdms单层圆柱结构的圆心，将两者键合在一起；
4)将kaptonpi单面有胶胶带平整贴在一张4寸干净硅片上，将pi胶带表面用酒精和去离子水清洗干净，将硅片放入二氧化碳激光雕刻机，设定激光功率为6w，激光发射器对准硅片中心之后开始雕刻，从pi表面诱导石墨烯。之后将硅片放置在匀胶机吸盘上，利用真空泵吸紧，设定转速为300rpm，旋转时间为45秒，将按照质量比1:1混合了正己烷的液态pdms在pi胶带表面旋涂均匀，把硅片放置在水平台上静置3小时，之后将硅片放在热板上90℃烘烤一小时；
5)将pdms从硅片上揭下来翻到反面，在混合了pdms的激光诱导石墨烯电极端点处涂覆纳米银浆，再放入烘箱90℃烘烤半小时，待器件冷却之后在银浆处贴覆铜胶带，将pdms三层圆柱复合结构的底部圆柱的下底面的几何中心对准混合pdms的激光诱导石墨烯的图形几何中心，将两层结构键合在一起，完成传感器的制作。
如图2所示，为本制备例制得的滑觉传感器实物图。本例中制得的滑觉传感器的上下电极间距为750微米。
制备例2：本制备例与制备例1的不同之处在于：传感器结构尺寸和电极所用材料等参数不同。
本实施例通过一些装置，制作基于单电极纳米发电机的滑觉传感器，具体包括以下步骤：
1)首先通过热固式3d打印机打印pla模具，其中一个模具上为一个大圆凹槽中部包含一个小圆凹槽的模型阵列，其中大圆凹槽直径8毫米深600微米；小圆凹槽直径3毫米深2毫米；另一个模具为圆形凹槽阵列，圆形凹槽直径3毫米深5毫米。将模具用去离子水洗干净，然后用氮气吹干；
2)在电子秤上按照10:1的比例将pdms预聚体与固化剂混合，充分搅拌后将混合好的pdms浇筑入模具内，使用真空泵进行三次真空处理，以便去除pdms中多余的空气，将模具放入烘箱90℃保持1.5小时；
3)将pdms从模具中剥离出来，使用pdms芯片切割刀将pdms凸台结构从阵列中分离出来。在两层圆柱的pdms结构直径较大圆柱的下表面平整贴上等厚度铜胶带，将pdms两层圆柱结构的直径较大圆柱上表面圆心对准pdms单层圆柱结构的圆心，将两者键合在一起；
4)将kaptonpi单面有胶胶带平整贴在一张4寸干净硅片上，将pi胶带表面用酒精和去离子水清洗干净，将硅片放入二氧化碳激光雕刻机，设定激光功率为5.5w，激光发射器对准硅片中心之后开始雕刻，从pi表面诱导石墨烯。之后在硅片上倒上按照质量比1:1混合了正己烷的液态pdms，使用玻璃棒将pdms匀平，把硅片放置在水平台上三小时，之后将硅片放在热板上90℃烘烤一小时；
5)将pdms从硅片上揭下来翻到反面，在混合了pdms的激光诱导石墨烯电极端点处涂覆纳米银浆，再放入烘箱90℃烘烤半小时，待器件冷却之后在银浆处贴覆铜胶带，将pdms三层圆柱复合结构的底部圆柱的下底面的几何中心对准混合pdms的激光诱导石墨烯的图形几何中心，将两层结构键合在一起，完成传感器的制作。
本例中制得的滑觉传感器的上下电极间距为2毫米。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。