一种基于压阻材料的柔性三维触觉传感器的制作方法

本实用新型涉及触觉传感技术领域，具体涉及一种可以同时实现压力大小及方向检测的基于压阻材料的柔性三维触觉传感器。

背景技术：

相比传统的刚性硅基材料，柔性触觉传感器具备优异的界面贴合性和在变形下仍能实现力学传感的特点，因此在与生物体或机械手结合后，可以实现对不同形状和材料物体的自适应抓取。近年来，柔性触觉传感器开始应用于机器人智能电子皮肤、人机界面、医疗保健监测等各种工程技术领域。

目前新材料的研制与微结构的设计是制约柔性触觉传感器性能的两大关键因素，如何通过这两方面的结合实现触觉传感成为待解决的难题。触觉传感在前期的研发中主要侧重于正压力的感知，对于更复杂的受力判断，比如机械手抓取脆性或柔性物体，需要同时控制抓取力的大小和方向，确保不发生相对滑动，实现界面正压力和切应力的检测与方向判断，这就依赖于触觉传感器力检测功能的三维化。这些应用对触觉传感器的设计提出了更高的要求。

技术实现要素：

为此，本实用新型提供一种基于压阻材料的柔性三维触觉传感器，可以同时实现压力大小及方向检测。

为实现上述目的，本实用新型提供的技术方案如下：

一种基于压阻材料的柔性三维触觉传感器，包括呈间隙设置的柔性上基底和柔性下基底，所述柔性上基底和柔性下基底之间设有至少一组三维触觉传感单元，所述三维触觉传感单元包括设置于柔性上基底的下表面的一个呈半球形的上基底柔性压阻触头以及设置于柔性下基底的上表面的多个呈半球形的下基底柔性压阻触头，多个下基底柔性压阻触头呈并联设置，且均匀分布于上基底柔性压阻触头的外周并分别与之相切接触。

进一步的，每组三维触觉传感单元的下基底柔性压阻触头的数量至少三个。

进一步的，所述柔性上基底和柔性下基底上分别形成有线路引出端，所述柔性上基底的表面印刷有电连接上基底柔性压阻触头的上基底导电引线，所述上基底导电引线延伸至柔性上基底的线路引出端；所述柔性下基底的表面印刷有电连接下基底柔性压阻触头的下基底导电引线，所述下基底导电引线延伸至柔性下基底的线路引出端。

进一步的，所述上基底导电引线成形于柔性上基底的下表面，所述下基底导电引线形于柔性下基底的上表面。

进一步的，所述柔性上基底的上表面为粗糙表面。

进一步的，所述柔性上基底的上表面具有凸起的图案化凸起部。

进一步的，所述图案化凸起部呈锥形、锥台形、柱形或球弧形凸起结构。

进一步的，所述三维触觉传感单元设有多组，多组三维触觉传感单元呈阵列分布。

通过本实用新型提供的技术方案，具有如下有益效果：

本方案采用的双半球结构(即上基底柔性压阻触头与下基底柔性压阻触头的配合结构)，受力时接触点和形变均随斜压力改变，不会缺失切力的作用效果，更有效反映出受力情况，在三维空间中能实现高灵敏度高方向分辨率检测，可以同时实现压力大小及方向的检测。

附图说明

图1所示为实施例一中基于压阻材料的柔性三维触觉传感器的立体结构图；

图2所示为实施例一中柔性上基底的结构示意图；

图3所示为实施例一中柔性下基底的结构示意图；

图4所示为实施例一基于压阻材料的柔性三维触觉传感器的配合示意图；

图5所示为实施例一基于压阻材料的柔性三维触觉传感器的工作原理示意图；

图6所示为实施例二基于压阻材料的柔性三维触觉传感器的剖视图；

图7所示为另一实施例中基于压阻材料的柔性三维触觉传感器的剖视图；

图8所示为实施例三中柔性上基底的结构示意图；

图9所示为再一实施例中柔性上基底的结构示意图；

图10所示为又一实施例中柔性上基底的结构示意图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本实用新型提供有附图。这些附图为本实用新型揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本实用新型的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。

实施例一

参照图1至图5所示，本实施例提供的一种基于压阻材料的柔性三维触觉传感器，包括呈间隙设置的柔性上基底1和柔性下基底2，所述柔性上基底1和柔性下基底2之间设有至少一组三维触觉传感单元，所述三维触觉传感单元包括设置于柔性上基底1的下表面的一个呈半球形的上基底柔性压阻触头5以及设置于柔性下基底2的上表面的多个呈半球形的下基底柔性压阻触头3，多个下基底柔性压阻触头3呈并联设置，且均匀分布于上基底柔性压阻触头5的外周并分别与之相切接触。

具体的，上基底柔性压阻触头5和下基底柔性压阻触头3即为采用柔性压阻材料(flexiblepiezoresistivematerials，fpm)制备而成的半球形的触头结构。具体的，本实施例中，设置于柔性下基底2的上表面的下基底柔性压阻触头3设置有三个，分别是第一下基底柔性压阻触头31、第二下基底柔性压阻触头32和第三下基底柔性压阻触头33。

检测时，将柔性三维触觉传感器接通电源，即柔性上基底1的上基底柔性压阻触头5连接第一电极(如正极)，柔性下基底2的下基底柔性压阻触头3连接极性相反的第二电极(如负极)，柔性上基底1的上表面为受力面。当传感器受到正压力时，柔性上基底1在法向方向发生形变，上层的上基底柔性压阻触头5和下层的多个下基底柔性压阻触头3的接触角度和受压程度均相同，上基底柔性压阻触头5与每个下基底柔性压阻触头3的接触电阻变化值相等。当传感器表面受到斜压力时，由于力的大小和方向不同，柔性上基底1在受力方向上产生形变，基于接触电阻效应，上层的上基底柔性压阻触头5和下层的多个下基底柔性压阻触头3的之间的接触电阻产生不同的变化，通过分别检测各路的电阻值，根据多个电阻变化值的变化规律来辨别受力大小和方向；具体如图5所示，上层的上基底柔性压阻触头5朝a方向倾斜时，上基底柔性压阻触头5向第三下基底柔性压阻触头33的方向偏移，上基底柔性压阻触头5与第三下基底柔性压阻触头33之间的接触电阻随着它们之间的相靠近移动而减小。上基底柔性压阻触头5与第一下基底柔性压阻触头31之间以及上基底柔性压阻触头5与第二下基底柔性压阻触头32之间的的接触电阻随着它们之间的相远离移动而增大。从而可得出，接触到的力是朝向于接触电阻最小的第三下基底柔性压阻触头33的方向，同时从接触电阻的变化大小来判断受力大小。受力时接触点和形变均随斜压力改变，不会缺失切力的作用效果，更有效反映出受力情况，在三维空间中能实现高灵敏度高方向分辨率检测，可以同时实现压力大小及方向的检测。

进一步的，本实施例中，所述柔性上基底1和柔性下基底2上分别形成有线路引出端11、21，所述柔性上基底1的表面印刷有电连接上基底柔性压阻触头5的上基底导电引线7，所述上基底导电引线7延伸至柔性上基底1的线路引出端11；所述柔性下基底2的表面印刷有电连接下基底柔性压阻触头3的下基底导电引线8，所述下基底导电引线8延伸至柔性下基底2的线路引出端21。采用集成式线路，线路整洁，与外部线路接线方便。当然的，在其他实施例中，也可以采用未集成于基底上的导线进行独立引出。

进一步的，本实施例中，所述上基底导电引线7成形于柔性上基底1的下表面，所述下基底导电引线8形于柔性下基底2的上表面；导线无需穿过柔性上基底1或柔性下基底2，制备简便。

进一步的，所述三维触觉传感单元设有多组，多组三维触觉传感单元呈阵列分布。通过设置阵列分布多组的三维触觉传感单元，能够更为精确的判定受力位置的分布。具体的，本实施例中，三维触觉传感单元设有四组，以2x2的阵列排布。当然的，在其他实施例中不局限于此。

实施例二

本实施例提供的一种基于压阻材料的柔性三维触觉传感器，与实施例一中的结构大致相同，不同之处在于，参照图6所示，本实施例中，每组三维触觉传感单元的下基底柔性压阻触头3的数量是四个，相较于实施例一中的每组三维触觉传感单元的三个下基底柔性压阻触头3的结构，对于方向的检测更为精准。当然的，在其他实施例中，其每组三维触觉传感单元的下基底柔性压阻触头3的数量可根据实际需求粘性增减，如图7中的六个下基底柔性压阻触头3的结构等；为实现较为精准的检测，每组三维触觉传感单元的下基底柔性压阻触头3的数量优选为至少三个。

实施例三

本实施例提供的一种基于压阻材料的柔性三维触觉传感器，与实施例一中的结构大致相同，不同之处在于，参照图8所示，本实施例中，所述柔性上基底1的上表面为粗糙表面，采用粗糙的表面，能够增强传感器的力传递能力，获得更高的灵敏度。再具体的，本实施例中，所述柔性上基底1的上表面具有凸起的图案化凸起部12，该图案化凸起部呈锥台形凸起结构。当然的，在其他实施例中，也可以采用其他如锥形、柱形或球弧形凸起结构等，如图9中为金字塔的锥形凸起结构以及如图10中为类似指纹形状的环状凸起等。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本实用新型，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本实用新型做出各种变化，均为本实用新型的保护范围。