【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及了傳感器的一種柔性電容傳感器，具體涉及了一種高靈敏度的接近覺和三維壓觸覺柔性電容傳感器。
技術介紹
1、目前在自動化工業以及醫療健康等眾多領域，工業機器人已大量替代人手來完成需要高度人機感知交互的復雜操作，但對于工作于非結構環境下集合感知功能的智能機器人手，仍需進一步通過生機交互與功能集成，引入與人體皮膚類似的人工觸覺感知系統，增強機器人手的操作靈巧性與可靠性。電容式觸覺傳感器具有良好的重復性、低溫度敏感性、低功耗、高空間分辨率，特別適用于電子皮膚等需要大面積應用的場景，并逐漸應用于智能機器人手的觸覺力功能重建中，但在使用過程中以下重點及難題不斷突顯：
2、1)機器人應用于人機交互過程中同時面臨著各種安全性與預判性問題，只有全方位的感知外部環境的實時變化，尤其是障礙物的距離、位置、形狀等信息，避免不必要的碰撞，才能保證機器人與人交互的安全性。
3、2)通過構建多孔、表面圖案化結構/摻雜高介電常數填充物的方式，增加介電層的形變能力或介電系數，電容式觸覺傳感器已實現低壓力范圍內的高靈敏度，但即使微弱的壓力的增加也會引起多孔以及表面圖案等微結構的顯著應變，并迅速關閉氣隙，導致靈敏度的快速衰減。
技術實現思路
1、為了解決
技術介紹
中存在的問題，本專利技術的目的在于提供一種高靈敏度的接近覺和三維壓觸覺柔性電容傳感器。本專利技術采用單傳感體的機構實現接近覺和三維壓觸覺的雙模態測量，未接觸被測對象時，敏感單元完全工作為電介質狀態，可實現接近覺測量，接觸被測對
2、本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案是：
3、一、一種高靈敏度的接近覺和三維壓觸覺柔性電容傳感器
4、所述傳感器包括傳感單元，所述傳感單元包括依次層疊布置的接觸層、分級多孔復合敏感導電單元和感應電極單元；被測對象與接觸層之間存在間距時，分級多孔復合敏感導電單元完全工作為電介質狀態，感應電極單元用于測量被測對象的接近距離；被測對象接觸并按壓接觸層時，分級多孔復合敏感導電單元工作為公共電極狀態，和感應電極單元共同用于測量被測對象的作用力。
5、所述接觸層的上表面中部設置有穹型凸起，被測對象作用于接觸層的穹型凸起。
6、所述電容傳感器中包含多個傳感單元，多個傳感單元之間以陣列的形式進行拼接。
7、所述分級多孔復合敏感導電單元的制備方法包括以下步驟：
8、首先，將基礎凝膠和固化劑混合后得到聚二甲基硅氧烷預溶液，再將全氟三丁胺分散到聚二甲基硅氧烷預溶液中，并充分攪拌，獲得pdms-fc43乳液；然后，將多壁碳納米管導電材料加入pdms-fc43乳液中并充分攪拌混合，隨后再加入糖顆粒，將最終的混合乳液澆注在模具中并置于真空干燥器中進行脫氣過程，直至糖顆粒間隙中的殘留氣泡排出；之后進行固化，再清洗固化后的復合材料，使得材料中的糖顆粒溶解；最后去除水分，從而獲得分級多孔復合敏感導電單元。
9、所述感應電極單元包括依次層疊布置的感應電極層、第一導線層和第二導線層，感應電極層與分級多孔復合敏感導電單元層疊布置，感應電極層中鋪設有四個以矩陣陣列形式排布的感應電極，按順時針方向分別記為第一感應電極s1、第二感應電極s2、第三感應電極s3和第四感應電極s4；第一導線層中鋪設有兩條平行且間隔布置的橫向銅導線，分別記為第二銅導線t2和第四銅導線t4，第二銅導線t2設置在第一感應電極s1和第二感應電極s2的正下方，第四銅導線t4設置在第三感應電極s3和第四感應電極s4的正下方；第二導線層中鋪設有兩條平行且間隔布置的縱向銅導線，分別記為第一銅導線t1和第三銅導線t3，第一銅導線t1設置在第一感應電極s1和第四銅導線t4的正下方，第三銅導線t3設置在第二感應電極s2和第三感應電極s3的正下方；第一感應電極s1與第一銅導線t1電氣連接，第二感應電極s2與第二銅導線t2電氣連接，第三感應電極s3與第三銅導線t3電氣連接，第四感應電極s4與第四銅導線t4電氣連接。
10、所述第一導線層或第二導線層中的一條銅導線處于激活狀態，與該銅導線相連的感應電極記為主感應電極；并且另一導線層中的兩條銅導線均處于激活狀態，與該兩條銅導線相連的感應電極記為副感應電極，則該感應電極單元處于獨立測量狀態，用于測量被測對象作用力的剪切力大小；
11、所述第一導線層和第二導線層中的兩條銅導線均處于激活狀態，具體是第一感應電極s1和第三感應電極s3激活，第二感應電極s2和第四感應電極s4激活，則該感應電極單元處于全測量狀態，用于測量被測對象的接近距離以及被測對象作用力的法向力大小，從而實現接近覺和三維壓觸覺的感知。
12、二、一種高靈敏度的接近覺和三維壓觸覺感知方法
13、所述感知方法采用所述的接近覺和三維壓觸覺柔性電容傳感器，包括以下步驟：
14、當被測對象未與電容傳感器接觸時，每個傳感單元中的感應電極層處于全測量狀態，檢測每個感應電極層中的傳感電容cful，并與標定的傳感電容-距離曲線對比，計算獲得被測對象與該傳感單元之間的距離；
15、當被測對象與電容傳感器接觸時，檢測每個傳感單元中的感應電極層處于全測量狀態時的傳感電容cful，并與標定的傳感電容-法向力曲線對比，計算獲得被測對象作用力的法向力大小；以及檢測每個傳感單元中的感應電極層處于獨立測量狀態時的傳感電容cdual，并與標定的傳感電容-剪切力曲線對比，計算獲得被測對象作用力的剪切力大小和方向，根據作用力的法向力和剪切力計算獲得最終的作用力的大小和方向。
16、所述檢測每個傳感單元中的感應電極層處于獨立測量狀態時的傳感電容cdual，并與標定的傳感電容-剪切力曲線對比，計算獲得被測對象作用力的剪切力大小和方向，具體包括：
17、以第一感應電極s1和第二感應電極s2的連線方向建立x軸，以第一感應電極s1和第四感應電極s4的連線方向建立y軸，x軸與y軸垂直設置；控制每個傳感單元中的感應電極層處于不同獨立測量狀態，檢測不同獨立測量狀態下的主感應電極與兩個副感應電極之間的差分量的變化量，并與對應傳感電容-剪切力分量曲線對比，計算獲得x軸上的剪切力大小和y軸上的剪切力大小，進而獲得被測對象作用力的剪切力大小和方向。
18、本專利技術具有的有益效果是：
19、1)采用導電分級多孔納米復合材料替代傳統絕緣介電材料設計非典型電容式觸覺傳感陣列，大幅提高敏感單元的介電常數和形變能力，實現高壓力情況下的穩定增敏效應。
20、2)根據導電復合材料在負載作用下顯現的逾滲效應，利用敏感單元在不同負載區域的區別響應，基于單體觸覺傳感原理提出分布式機器人壓觸覺感知的動態重建策略和接近覺識別檢測方法。
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1.一種高靈敏度的接近覺和三維壓觸覺柔性電容傳感器，其特征在于，包括傳感單元(1)，所述傳感單元(1)包括依次層疊布置的接觸層(2)、分級多孔復合敏感導電單元(3)和感應電極單元(4)；被測對象(8)與接觸層(2)之間存在間距時，分級多孔復合敏感導電單元(3)完全工作為電介質狀態，感應電極單元(4)用于測量被測對象(8)的接近距離；被測對象(8)接觸并按壓接觸層(2)時，分級多孔復合敏感導電單元(3)工作為公共電極狀態，和感應電極單元(4)共同用于測量被測對象(8)的作用力。
2.根據權利要求1所述的一種高靈敏度的接近覺和三維壓觸覺柔性電容傳感器，其特征在于，所述接觸層(2)的上表面中部設置有穹型凸起，被測對象(8)作用于接觸層(2)的穹型凸起。
3.根據權利要求1所述的一種高靈敏度的接近覺和三維壓觸覺柔性電容傳感器，其特征在于，所述電容傳感器中包含多個傳感單元(1)，多個傳感單元(1)之間以陣列的形式進行拼接。
4.根據權利要求1所述的一種高靈敏度的接近覺和三維壓觸覺柔性電容傳感器，其特征在于，所述分級多孔復合敏感導電單元(3)的制備方法包括
5.根據權利要求1所述的一種高靈敏度的接近覺和三維壓觸覺柔性電容傳感器，其特征在于，所述感應電極單元(4)包括依次層疊布置的感應電極層、第一導線層和第二導線層，感應電極層與分級多孔復合敏感導電單元(3)層疊布置，感應電極層中鋪設有四個以矩陣陣列形式排布的感應電極(5)，按順時針方向分別記為第一感應電極S1、第二感應電極S2、第三感應電極S3和第四感應電極S4；第一導線層中鋪設有兩條平行且間隔布置的橫向銅導線(6)，分別記為第二銅導線T2和第四銅導線T4，第二銅導線T2設置在第一感應電極S1和第二感應電極S2的正下方，第四銅導線T4設置在第三感應電極S3和第四感應電極S4的正下方；第二導線層中鋪設有兩條平行且間隔布置的縱向銅導線(7)，分別記為第一銅導線T1和第三銅導線T3，第一銅導線T1設置在第一感應電極S1和第四銅導線T4的正下方，第三銅導線T3設置在第二感應電極S2和第三感應電極S3的正下方；第一感應電極S1與第一銅導線T1電氣連接，第二感應電極S2與第二銅導線T2電氣連接，第三感應電極S3與第三銅導線T3電氣連接，第四感應電極S4與第四銅導線T4電氣連接。
6.根據權利要求5所述的一種高靈敏度的接近覺和三維壓觸覺柔性電容傳感器，其特征在于，所述第一導線層或第二導線層中的一條銅導線處于激活狀態，與該銅導線相連的感應電極記為主感應電極；并且另一導線層中的兩條銅導線均處于激活狀態，與該兩條銅導線相連的感應電極記為副感應電極，則該感應電極單元(4)處于獨立測量狀態，用于測量被測對象(8)作用力的剪切力大小；
7.一種高靈敏度的接近覺和三維壓觸覺感知方法，其特征在于，感知方法采用權利要求6所述的接近覺和三維壓觸覺柔性電容傳感器，包括以下步驟：
8.根據權利要求7所述的一種高靈敏度的接近覺和三維壓觸覺感知方法，其特征在于，所述檢測每個傳感單元(1)中的感應電極層(4)處于獨立測量狀態時的傳感電容CDual，并與標定的傳感電容-剪切力曲線對比，計算獲得被測對象(8)作用力的剪切力大小和方向，具體包括：
...【技術特征摘要】
1.一種高靈敏度的接近覺和三維壓觸覺柔性電容傳感器，其特征在于，包括傳感單元(1)，所述傳感單元(1)包括依次層疊布置的接觸層(2)、分級多孔復合敏感導電單元(3)和感應電極單元(4)；被測對象(8)與接觸層(2)之間存在間距時，分級多孔復合敏感導電單元(3)完全工作為電介質狀態，感應電極單元(4)用于測量被測對象(8)的接近距離；被測對象(8)接觸并按壓接觸層(2)時，分級多孔復合敏感導電單元(3)工作為公共電極狀態，和感應電極單元(4)共同用于測量被測對象(8)的作用力。
2.根據權利要求1所述的一種高靈敏度的接近覺和三維壓觸覺柔性電容傳感器，其特征在于，所述接觸層(2)的上表面中部設置有穹型凸起，被測對象(8)作用于接觸層(2)的穹型凸起。
3.根據權利要求1所述的一種高靈敏度的接近覺和三維壓觸覺柔性電容傳感器，其特征在于，所述電容傳感器中包含多個傳感單元(1)，多個傳感單元(1)之間以陣列的形式進行拼接。
4.根據權利要求1所述的一種高靈敏度的接近覺和三維壓觸覺柔性電容傳感器，其特征在于，所述分級多孔復合敏感導電單元(3)的制備方法包括以下步驟：
5.根據權利要求1所述的一種高靈敏度的接近覺和三維壓觸覺柔性電容傳感器，其特征在于，所述感應電極單元(4)包括依次層疊布置的感應電極層、第一導線層和第二導線層，感應電極層與分級多孔復合敏感導電單元(3)層疊布置，感應電極層中鋪設有四個以矩陣陣列形式排布的感應電極(5)，按順時針方向分別記為第一感應電極s1、第二感應電極s2、第三感應電極s3和第四感應電極s4；第一導線...
【專利技術屬性】
技術研發人員：余建平，米肖肖，李佳衡，龍政宇，羅圣詠，趙熠川，譚浩然，
申請(專利權)人：寧波工程學院，
類型：發明
國別省市：
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