【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于微型機器人，具體涉及一種用于微型機器人的scm智能自感知關(guān)節(jié)鉸鏈及方法。
技術(shù)介紹
1、在當前機器人姿態(tài)閉環(huán)控制的研究中，機器人通常依靠在關(guān)鍵關(guān)節(jié)部位安裝的傳感器來感知關(guān)節(jié)姿態(tài)，并據(jù)此實現(xiàn)對整體機器人姿態(tài)的精準控制。盡管這些傳感器能夠提供精確的關(guān)節(jié)姿態(tài)信息，但它們的體積和重量限制了在微型機器人關(guān)節(jié)中的直接應用。
2、因此，盡管依靠精細的機械設計和先進的制造工藝，當前的微型機器人可以實現(xiàn)相當高的傳動精度，但由于缺失了高效的關(guān)節(jié)角度閉環(huán)反饋系統(tǒng)，在面對不同負載或不穩(wěn)定的動力輸入時，會導致顯著的運動偏差，在實際控制中難以像大尺寸機器人一樣被直接應用于各項自動化任務。
3、目前解決微型機器人關(guān)節(jié)角度感知的主要技術(shù)方案包含三種：
4、第一種是在scm鉸鏈中壓入一段蛇形康銅片，其通過金屬層在拉伸或壓縮中產(chǎn)生的電阻變化來感知角度的改變。但康銅在彎折時需要保證足夠的彎曲半徑，因此這種方案在將傳感器集成進scm鉸鏈的過程中需要破壞scm鉸鏈的整體性給傳感器留出足夠的形變區(qū)域，以避免材料的過度應力和潛在的斷裂，傳感器固定在左側(cè)鉸鏈處，并可以自由地滑進和滑出右側(cè)鉸鏈預留的鏤空層，在康銅需要彎折的區(qū)域，刪除了原本用來固定鉸鏈方向的城墻齒，給康銅形變用。這可能會導致微型機構(gòu)整體剛度的破壞。同時，康銅片的疲勞特性也注定這種傳感器無法實現(xiàn)長期的角度檢測，其在一定的彎折循環(huán)后容易發(fā)生斷裂。
5、第二種方案是在鉸鏈處粘貼應變片，但這無法與scm工藝一體化，同時存在與康銅一樣的彎曲半徑和壽命問題。>
6、第三種是在scm工藝的聚酰亞胺薄膜中心軸上打印微型蛇形電路。但此方案在較大的彎折角度下容易斷裂，且傳感線性度較差。同時，該方案并沒有真正實現(xiàn)在微型機構(gòu)上部署該傳感器，而是選擇在相似工藝的放大版millidelta中開展相關(guān)實驗，該方案在微型機器人中的表現(xiàn)未曾可知。
7、因此，如何實現(xiàn)準確、可靠且不影響scm鉸鏈自身結(jié)構(gòu)性能的角度自感知，是目前亟待解決的技術(shù)問題。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述技術(shù)問題，并提供一種用于微型機器人的scm智能自感知關(guān)節(jié)鉸鏈及方法。
2、本專利技術(shù)所采用的具體技術(shù)方案如下：
3、第一方面，本專利技術(shù)提供了一種用于微型機器人的scm智能自感知關(guān)節(jié)鉸鏈，其包括第一碳纖板、第一粘結(jié)層、柔性電路板、第二粘結(jié)層、第二碳纖板、導線和轉(zhuǎn)接底座；
4、所述柔性電路板以聚酰亞胺薄膜為基材，以基材的單側(cè)表面或者雙側(cè)表面為刻蝕面，每個刻蝕面通過激光刻蝕形成以鉸鏈轉(zhuǎn)軸為中心線對稱的微結(jié)構(gòu)刻蝕圖案，且環(huán)繞著微結(jié)構(gòu)刻蝕圖案的邊緣布置有一系列金屬電極，每個金屬電極均通過導線連接至用于連接外部電路的轉(zhuǎn)接底座，每個刻蝕面上的微結(jié)構(gòu)刻蝕圖案以及所有金屬電極均被碳納米管薄膜完全覆蓋，形成壓阻式薄膜傳感器；
5、所述第一碳纖板、第一粘結(jié)層、柔性電路板、第二粘結(jié)層和第二碳纖板依次粘結(jié)形成多層復合形式的關(guān)節(jié)鉸鏈，且第一碳纖板和第二碳纖板分別在鉸鏈轉(zhuǎn)軸位置斷開，每塊碳纖板在斷開位置兩側(cè)通過邊緣鋸齒交錯嵌合，從而在限制平移自由度的同時保持繞鉸鏈轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)自由度。
6、作為上述第一方面的優(yōu)選，所述柔性電路板整體呈長條形，以所述鉸鏈轉(zhuǎn)軸為界分為兩個連桿部分，且柔性電路板在鉸鏈轉(zhuǎn)軸位置具有外凸部分，位于其中一個連桿部分上的所有金屬電極所連接的導線均繞過鉸鏈轉(zhuǎn)軸，并通過外凸部分走線匯聚至另一個連桿部分上，再統(tǒng)一連接至轉(zhuǎn)接底座。
7、作為上述第一方面的優(yōu)選，所述碳納米管薄膜由碳納米管、炭黑與樹脂粘結(jié)劑混合而成的均質(zhì)導電漿料涂布于微結(jié)構(gòu)刻蝕圖案和金屬電極所在的基材表面后固化而成，碳納米管薄膜的厚度為微米級。
8、作為上述第一方面的優(yōu)選，所述微結(jié)構(gòu)刻蝕圖案的外包輪廓呈圓形，所有金屬電極均勻分布于圓形外包輪廓上，且兩兩配對構(gòu)成用于測量電阻的電極對。
9、作為上述第一方面的優(yōu)選，所述微結(jié)構(gòu)刻蝕圖案的外輪廓為圓形，圓形外輪廓區(qū)域內(nèi)部保留有交錯且平行的未刻蝕矩形條，其余的區(qū)域均通過激光燒蝕形成蛇形彎折的連續(xù)凹槽。
10、作為上述第一方面的優(yōu)選，所述未刻蝕矩形條的長邊方向與所述鉸鏈轉(zhuǎn)軸垂直。
11、作為上述第一方面的優(yōu)選，所述第一粘結(jié)層和第二粘結(jié)層的粘結(jié)材料為粘膠、膠水或者熱壓膠帶。
12、第二方面，本專利技術(shù)提供了一種如上述第一方面任一項方案所述用于微型機器人的scm智能自感知關(guān)節(jié)鉸鏈的制造方法，其包括：
13、s1、在柔性電路板的聚酰亞胺薄膜基材表面定位鉸鏈轉(zhuǎn)軸位置，然后以鉸鏈轉(zhuǎn)軸為中心對稱線，通過激光燒蝕技術(shù)在基材表面加工出對稱的微結(jié)構(gòu)刻蝕圖案，并沿著微結(jié)構(gòu)刻蝕圖案的外包輪廓加工一系列所述金屬電極，每個金屬電極均通過導線連接至用于連接外部電路的轉(zhuǎn)接底座；
14、s2、將碳納米管、炭黑和樹脂粘結(jié)劑充分混合形成的均質(zhì)導電漿料加入容器中，并逐步將均質(zhì)導電漿料轉(zhuǎn)移至聚酰亞胺薄膜基材表面，使均質(zhì)導電漿料通過自流平成膜的方式完全覆蓋微結(jié)構(gòu)刻蝕圖案以及金屬電極，再固化形成厚度均勻的碳納米管薄膜；
15、s3、將所述第一碳纖板、所述第一粘結(jié)層、加工有碳納米管薄膜、微結(jié)構(gòu)刻蝕圖案以及金屬電極的柔性電路板、所述第二粘結(jié)層、所述第二碳纖板依次層疊，保持所述第一碳纖板和所述第二碳纖板的邊緣鋸齒交錯區(qū)域與所述柔性電路板上定位的鉸鏈轉(zhuǎn)軸位置重合，然后對層疊后的復合結(jié)構(gòu)進行熱壓固定，形成多層復合形式的關(guān)節(jié)鉸鏈。
16、作為上述第二方面的優(yōu)選，所述碳納米管為經(jīng)過功能化修飾的碳納米管材料，功能化修飾方式為將碳納米管和碳納米管分散劑的混合懸浮液經(jīng)過勻質(zhì)分散后再進行噴霧干燥；所述炭黑為經(jīng)過功能化修飾的炭黑材料，功能化修飾方式為將炭黑和炭黑分散劑的混合懸浮液經(jīng)過砂磨分散后再進行噴霧干燥。
17、作為上述第二方面的優(yōu)選，所述均質(zhì)導電漿料的制備方法為：向氫化sbs粉末的環(huán)己烷溶液中加入二丙二醇甲醚，然后在攪拌狀態(tài)下加入功能化修飾后的碳納米管材料、功能化修飾后的炭黑材料和聚酰胺蠟，再轉(zhuǎn)移至球磨罐中進行球磨，最終獲得均質(zhì)導電漿料。
18、本專利技術(shù)相對于現(xiàn)有技術(shù)而言，具有以下有益效果：
19、針對當前微型自感知鉸鏈中存在的問題，本專利技術(shù)設計了一種可集成進scm鉸鏈的壓阻式薄膜傳感器，該傳感器在傳統(tǒng)scm鉸鏈中間的聚酰亞胺薄膜上加工微結(jié)構(gòu)刻蝕圖案、金屬電極以及碳納米管薄膜，利用微結(jié)構(gòu)保持聚酰亞胺薄膜的表面形成各向異性狀態(tài)，使得聚酰亞胺薄膜會隨鉸鏈彎折產(chǎn)生更大的形變量，涂布固化在微結(jié)構(gòu)刻蝕圖案上的碳納米管薄膜也會產(chǎn)生相應強度更大的裂紋，從而放大金屬電極所能檢測到的阻抗變化，更精確地感知鉸鏈的彎折角度。這種方案制備的碳納米管薄膜僅有幾微米厚，對scm結(jié)構(gòu)本身不會產(chǎn)生任何影響，同時避免了在scm鉸鏈中預留形變凹槽的需要。由于在制備過程中無需額外組件的加入，該方案便于進行緊湊型彎曲傳感器的大批量制備，為微型機器人關(guān)節(jié)角度感測提供了一種高效且精本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種用于微型機器人的SCM智能自感知關(guān)節(jié)鉸鏈，其特征在于，包括第一碳纖板（1）、第一粘結(jié)層（2）、柔性電路板（3）、第二粘結(jié)層（4）、第二碳纖板（5）、導線（6）和轉(zhuǎn)接底座（7）；
2.如權(quán)利要求1所述的用于微型機器人的SCM智能自感知關(guān)節(jié)鉸鏈，其特征在于，所述柔性電路板（3）整體呈長條形，以所述鉸鏈轉(zhuǎn)軸為界分為兩個連桿部分，且柔性電路板（3）在鉸鏈轉(zhuǎn)軸位置具有外凸部分（10），位于其中一個連桿部分上的所有金屬電極（9）所連接的導線（6）均繞過鉸鏈轉(zhuǎn)軸，并通過外凸部分（10）走線匯聚至另一個連桿部分上，再統(tǒng)一連接至轉(zhuǎn)接底座（7）。
3.如權(quán)利要求1所述的用于微型機器人的SCM智能自感知關(guān)節(jié)鉸鏈，其特征在于，所述碳納米管薄膜（11）由碳納米管、炭黑與樹脂粘結(jié)劑混合而成的均質(zhì)導電漿料涂布于微結(jié)構(gòu)刻蝕圖案（12）和金屬電極（9）所在的基材表面后固化而成，碳納米管薄膜（11）的厚度為微米級。
4.如權(quán)利要求1所述的用于微型機器人的SCM智能自感知關(guān)節(jié)鉸鏈，其特征在于，所述微結(jié)構(gòu)刻蝕圖案（12）的外包輪廓呈圓形，所有金屬電極（9）均勻分布于圓形外包輪
5.如權(quán)利要求1所述的用于微型機器人的SCM智能自感知關(guān)節(jié)鉸鏈，其特征在于，所述微結(jié)構(gòu)刻蝕圖案（12）的外輪廓為圓形，圓形外輪廓區(qū)域內(nèi)部保留有交錯且平行的未刻蝕矩形條，其余的區(qū)域均通過激光燒蝕形成蛇形彎折的連續(xù)凹槽。
6.如權(quán)利要求5所述的用于微型機器人的SCM智能自感知關(guān)節(jié)鉸鏈，其特征在于，所述未刻蝕矩形條的長邊方向與所述鉸鏈轉(zhuǎn)軸垂直。
7.如權(quán)利要求1所述的用于微型機器人的SCM智能自感知關(guān)節(jié)鉸鏈，其特征在于，所述第一粘結(jié)層（2）和第二粘結(jié)層（4）的粘結(jié)材料為粘膠、膠水或者熱壓膠帶。
8.一種如權(quán)利要求1~7任一項所述用于微型機器人的SCM智能自感知關(guān)節(jié)鉸鏈的制造方法，其特征在于，包括：
9.如權(quán)利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述碳納米管為經(jīng)過功能化修飾的碳納米管材料，功能化修飾方式為將碳納米管和碳納米管分散劑的混合懸浮液經(jīng)過勻質(zhì)分散后再進行噴霧干燥；所述炭黑為經(jīng)過功能化修飾的炭黑材料，功能化修飾方式為將炭黑和炭黑分散劑的混合懸浮液經(jīng)過砂磨分散后再進行噴霧干燥。
10.如權(quán)利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述均質(zhì)導電漿料的制備方法為：向氫化SBS粉末的環(huán)己烷溶液中加入二丙二醇甲醚，然后在攪拌狀態(tài)下加入功能化修飾后的碳納米管材料、功能化修飾后的炭黑材料和聚酰胺蠟，再轉(zhuǎn)移至球磨罐中進行球磨，最終獲得均質(zhì)導電漿料。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種用于微型機器人的scm智能自感知關(guān)節(jié)鉸鏈，其特征在于，包括第一碳纖板（1）、第一粘結(jié)層（2）、柔性電路板（3）、第二粘結(jié)層（4）、第二碳纖板（5）、導線（6）和轉(zhuǎn)接底座（7）；
2.如權(quán)利要求1所述的用于微型機器人的scm智能自感知關(guān)節(jié)鉸鏈，其特征在于，所述柔性電路板（3）整體呈長條形，以所述鉸鏈轉(zhuǎn)軸為界分為兩個連桿部分，且柔性電路板（3）在鉸鏈轉(zhuǎn)軸位置具有外凸部分（10），位于其中一個連桿部分上的所有金屬電極（9）所連接的導線（6）均繞過鉸鏈轉(zhuǎn)軸，并通過外凸部分（10）走線匯聚至另一個連桿部分上，再統(tǒng)一連接至轉(zhuǎn)接底座（7）。
3.如權(quán)利要求1所述的用于微型機器人的scm智能自感知關(guān)節(jié)鉸鏈，其特征在于，所述碳納米管薄膜（11）由碳納米管、炭黑與樹脂粘結(jié)劑混合而成的均質(zhì)導電漿料涂布于微結(jié)構(gòu)刻蝕圖案（12）和金屬電極（9）所在的基材表面后固化而成，碳納米管薄膜（11）的厚度為微米級。
4.如權(quán)利要求1所述的用于微型機器人的scm智能自感知關(guān)節(jié)鉸鏈，其特征在于，所述微結(jié)構(gòu)刻蝕圖案（12）的外包輪廓呈圓形，所有金屬電極（9）均勻分布于圓形外包輪廓上，且兩兩配對構(gòu)成用于測量電阻的電極對。
5.如權(quán)利要求1所述的用于微型機器人的scm智能自感知關(guān)節(jié)鉸鏈，其特征在于，...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：顧潘龍，曲紹興，宋遠強，揭斌勇，劉一得，馮博，
申請(專利權(quán))人：浙江大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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