本發明專利技術公開了一種基于螺旋線的電容分布式柔性觸覺傳感陣列。由M行×N列結構相同的觸覺傳感單元構成，M和N均≥2，每個觸覺傳感單元從下至上依次由下層、上層螺旋線層和表面凸起貼合而成；上層、下層螺旋線層均由平行的兩根表面繞有銅螺旋線的PDMS線串接而成，上層、下層螺旋線層的PDMS線呈正交布置形成四個交叉區域，即形成四個電容極板區域；表面凸起的形狀為四棱錐臺。選擇分立式的觸覺傳感單元，每個觸覺傳感單元用柔性PDMS相連接的布置成網狀陣列結構能極大地提高觸覺傳感陣列的柔性和可延展性；銅螺旋線的交叉點區域形成電容，四個電容對應一個表面凸起，這樣的設計能使觸覺傳感陣列具有三維力檢測的能力。
【技術實現步驟摘要】
【專利摘要】本專利技術公開了一種基于螺旋線的電容分布式柔性觸覺傳感陣列。由M行×N列結構相同的觸覺傳感單元構成，M和N均≥2，每個觸覺傳感單元從下至上依次由下層、上層螺旋線層和表面凸起貼合而成；上層、下層螺旋線層均由平行的兩根表面繞有銅螺旋線的PDMS線串接而成，上層、下層螺旋線層的PDMS線呈正交布置形成四個交叉區域，即形成四個電容極板區域；表面凸起的形狀為四棱錐臺。選擇分立式的觸覺傳感單元，每個觸覺傳感單元用柔性PDMS相連接的布置成網狀陣列結構能極大地提高觸覺傳感陣列的柔性和可延展性；銅螺旋線的交叉點區域形成電容，四個電容對應一個表面凸起，這樣的設計能使觸覺傳感陣列具有三維力檢測的能力。【專利說明】基于螺旋線的分布電容式柔性觸覺傳感陣列
本專利技術涉及柔性觸覺傳感陣列，尤其是涉及一種基于螺旋線的分布電容式柔性觸覺傳感陣列。
技術介紹
生機電一體化的人工假肢相比于傳統假肢,其主要特點是在機電一體化的基礎上加入了與生物的具有高度相容的特點，不僅僅能實現傳統假肢的功能，而且能讓假肢能成為截至患者身體的一部分，使人工假肢具有與外界很好的交互能力，實現假肢的感知功能。感知功能包括觸覺、溫度感知、痛覺等等。其中觸覺是人體與外界環境接觸時的重要感覺，是多種感覺的綜合，包括輕微觸覺、靜態力、滑覺等豐富的感知信息。把觸覺信息進行準確的還原，讓人工假肢具有“感覺”，這將是人體運動功能重建的一大進步。此外，隨著機器人技術的發展，對人工觸覺的需求越來越強烈，如能在機器人上實現觸覺的重現，將能大大提高機器人的智能化程度。目前實現機器人的觸覺感知主要是通過觸覺敏感構件來識別目標物體或對象的多種物理信息，如接觸力的大小、柔軟性、硬度、彈性、粗糙度、材質等。柔性觸覺傳感陣列已成為智能機器人觸覺傳感
新的研究熱點，具有感知功能的機器人柔性觸覺敏感皮膚可以增強其在各種環境下完成精細、復雜作業的能力，提高機器人系統的作業水平和智能化水平，對高級服務機器人、空間機器人以及危險環境下的精密操作微驅動機器人等都將產生重要的影響。但是相比于人體的皮膚，目前的柔性觸覺傳感陣列絕大部分只能彎曲，但不能延展。要使觸覺傳感陣列能很好地安裝在人工假肢或者機器人的非規則曲面上，必須要同時具備可彎曲和可延展的特性。因此，設計一種新型的柔性觸覺傳感陣列迫在眉睫。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種基于螺旋線的電容分布式柔性觸覺傳感陣列，具有高度的柔性和可延展性。本專利技術采用的技術方案是: 本專利技術由M行XN列結構相同的觸覺傳感單元構成，M和N均大> 2，每個觸覺傳感單元從下至上依次由下層螺旋線層、上層螺旋線層和表面凸起貼合而成；上層螺旋線層和下層螺旋線層均由平行的兩根表面繞有銅螺旋線的PDMS線串接而成，上層螺旋線層和下層螺旋線層的PDMS線呈正交布置；且在每個觸覺傳感單元中形成四個交叉區域，每個交叉區域形成一個電容極板區域；表面凸起的形狀為四棱錐臺。所述銅螺旋線在每個電容極板區域的螺距等于銅螺旋線的直徑，銅螺旋線在電容極板區域之外區域的螺距等于三倍銅螺旋線的直徑。所述下層螺旋線層、上層螺旋線層和表面凸起的材料均為PDMS柔性材料。本專利技術具有的有益效果是: (I)基于能使觸覺傳感陣列更好地布置在非規則曲面上的理念，本專利技術選擇了分立式的觸覺傳感單元，每個觸覺傳感單元用柔性PDMS相連接的布置形式。這樣的網狀陣列結構能極大地提高觸覺傳感陣列的柔性和可延展性。(2)本觸覺傳感陣列把導線設計成螺旋狀地纏繞在柔性PDMS線上，即使PDMS線被拉伸金屬導線也不會因為變形過大而斷裂；而且通過對導線纏繞在PDMS線上的密度調節，在傳感單元內提高纏繞密度形成敏感電容，在非觸覺敏感區域降低纏繞密度以提高柔性，兼顧了傳感陣列的性能和柔性、可延展性。(3)銅螺旋線的交叉點區域形成電容，四個電容對應一個表面凸起，這樣的設計能使觸覺傳感陣列具有三維力檢測的能力。(4)整個觸覺傳感陣列除了銅導線，只使用了 PDMS柔性材料，能盡可能地提高傳感陣列的柔性。本專利技術可在具有非規則曲面的機器人手、人工假肢、手術機械手等領域中推廣應用。【專利附圖】【附圖說明】圖1是本專利技術整體結構立體圖。圖2是本專利技術觸覺傳感單元拆分立體圖。圖3是本專利技術PDMS線和銅螺旋線連接圖。圖中:1、觸覺傳感單元，2、表面凸起，3、上層螺旋線層，4、下層螺旋線層，5、銅螺旋線，6、PDMS線，7、電容極板區域。【具體實施方式】下面結合附圖和實施例對本專利技術作進一步說明。如圖1、圖2、圖3所示，本專利技術由M行XN列結構相同的觸覺傳感單元I構成，M和N均大> 2，圖1中為4X4個，每個觸覺傳感單元I從下至上依次由下層螺旋線層4、上層螺旋線層3和表面凸起2貼合而成；上層螺旋線層3和下層螺旋線層4均由平行的兩根表面繞有銅螺旋線5的PDMS線6串接而成，上層螺旋線層3和下層螺旋線層4的PDMS線6呈正交對稱布置；且在每個觸覺傳感單元I中形成四個交叉區域，每個交叉區域形成一個電容極板區域7 ;表面凸起2的形狀為四棱錐臺。如圖3所示，所述銅螺旋線5在每個電容極板區域7的螺距等于銅螺旋線的直徑，銅螺旋線5在電容極板區域7之外區域的螺距等于三倍銅螺旋線的直徑。所述下層螺旋線層4、上層螺旋線層3和表面凸起2的材料均為PDMS柔性材料。本專利技術的實施例中的傳感陣列的觸覺傳感單元的總厚度約為2.8mm、邊長為3mm的正方形，整個陣列包含4X4個觸覺傳感單元，相鄰觸覺傳感單元之間的間隙為1_。本專利技術的工作原理描述如下:把M行XN列的觸覺傳感陣列連接到外部電路中，選通第m (I ^ m ^ M)行第η (I ^ n ^ Μ)列的觸覺傳感單元,其余單元屏蔽；施加頻率為300kHz的正弦交流電，通過比較被測觸覺傳感單元的電容與參考電容的大小，得到單個觸覺傳感單元的電容值；通過選通不同的行與列，得到整個觸覺傳感陣列中每個單元的電容值；當觸覺傳感陣列受力時，檢測每個單元的電容變化則能得到每個單元的受力的分布情況。完成該基于螺旋線電容式的分布式柔性觸覺傳感陣列的制作步驟如下: (I)將Sylgard 184 PDMS預聚物與固化劑以10:1 (質量比)混合、攪勻、抽真空去除氣泡，注入到預先制造好的模具，放置于加熱爐保溫固化，制造成PDMS線6。(2)用夾具夾住PDMS線6的兩端，在PDMS線6上非均勻地纏繞銅導線，在電容極板區域7纏繞緊密，在非電容極板區域7纏繞稀疏。纏繞完成后將PDMS線6連同銅螺旋線5浸泡在PDMS溶液中，片刻后拿起并置于加熱爐中保溫固化，在銅螺旋線外表形成一層PDMS薄膜作為保護。(3)在預先準備好的模具中注入PDMS溶液，并將制造好的PDMS線6和銅螺旋線5放置在模具中預定的位置，置于加熱爐中保溫固化，制造成下層螺旋線層4。(4)用第(3)步驟中的方法制造上層螺旋線層3。(5)在預先準備好的模具中注入PDMS溶液，置于加熱爐中保溫固化，制造成表面凸起2。(6)對下層螺旋線層4的上表面和上層螺旋線層3的下表面進行氧等離子活化，并將上層螺旋線層3與下層螺旋線層4進行貼合。(7)上層螺旋線層3的上表面和表面凸起2的下表面進行氧等離子活化，并將上層螺旋線層3與表面凸起2進行貼合。按照以上步驟，制造出來的傳感陣列本文檔來自技高網...
【技術保護點】
基于螺旋線的電容分布式柔性觸覺傳感陣列，其特征在于：它由M行×N列結構相同的觸覺傳感單元(1)構成，M和N均≥2，每個觸覺傳感單元(1)從下至上依次由下層螺旋線層(4)、上層螺旋線層(3)和表面凸起(2)貼合而成；上層螺旋線層(3)和下層螺旋線層(4)均由平行的兩根表面繞有銅螺旋線(5)的PDMS線(6)串接而成，上層螺旋線層(3)和下層螺旋線層(4)的PDMS線(6)呈正交布置；且在每個觸覺傳感單元(1)中形成四個交叉區域，每個交叉區域形成一個電容極板區域(7)；表面凸起(2)的形狀為四棱錐臺。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：梅德慶，梁觀浩，汪延成，席凱倫，陳子辰，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：浙江;33
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