[发明专利]全柔性三维力触觉传感器

说明书

技术领域

本发明属于传感技术领域，尤其涉及一种应用于机器人的三维力触觉传感器。

背景技术

随着机器人技术的发展，触觉传感器的研究已受到越来越多的关注。目前对单维力传感器的研究较为成熟，但是作为机器人的智能皮肤，不仅需要传感器能实现对表面垂直压力的检测，同时也需要传感器能够检测水平方向的剪切力。如机器人握持物体时，需要感知切向力，同时感知正向压力。当机器人接触一些表面不规则的物体时，需要实现三维方向甚至多维方向力的探测。三维力触觉传感器的研制已经成为智能机器人技术的一个重要研究领域。

目前国内外已经研制出多种三维力传感器，用于机器人皮肤。日本的Van A H等人利用MEMS技术在十字梁结构上黏贴压敏薄膜电阻的方式制成了用于机器人手指的三维力触觉传感器；台湾国立成功大学的Huang等人利用弯曲的铂/钛薄膜，将其一段固定并布置成十字梁结构，制成了用于检测垂直力和剪切力的触觉传感器；台湾国立清华大学的Su等人在硅基体上生成各向异性的碳纳米管，并将其转移并旋图到PDMS上制成了可检测垂直力和剪切力的柔性触觉传感器；这些用于测量三维力信息的传感器主要采用金属或金属氧化物十字梁或半导体材料等，这些材料都是刚性材料，不具有柔性。

Chen等人以PDMS和PET为基体材料，ITO作为电极制成了可检测垂直和剪切力的柔性电容式触觉传感器；中科大合肥智能机械研究所的徐菲等人以炭黑/硅橡胶为基体材料，并在材料内部上下层布线成十字交叉结构，制成了三维力柔性触觉传感器，实现了对三维力的检测。这种利用导电橡胶制作的三维力传感器虽具有一定的柔性，但其电极与力敏材料双面接触的形式特点，致使传感器制作过程有很大困难，并且在稳定性以及灵敏度上并不可靠。

发明内容

本发明是为智能机器人人工敏感皮肤提供一种柔性好、精度高、性能稳定的全柔性三维力传感器阵列。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案:

本发明全柔性三维力触觉传感器的结构特点是：在柔性基体内，位于同一平面上、以一个压力敏感件为中心形成电阻R5；以四个相同的拉伸敏感件分别排布在Y轴正方向、Y轴负方向、X轴正方向以及X轴正方向，分别形成电阻R₁、电阻R₃、电阻R₂和电阻R₄，构成设置在被检测区域表面的三维力触觉传感单元；各三维力触觉传感单元在被检测区域表面呈阵列排布，相互之间柔性基体填充，构成三维力触觉传感器。

本发明全柔性三维力触觉传感器的结构特点也在于：

所述拉伸敏感件是以在硅橡胶中填充碳纳米管形成的柔性导电橡胶为材质；所述压力敏感件是以在硅橡胶中填充炭黑形成的柔性导电橡胶为材质；所述柔性基体是在硅橡胶中填充二氧化硅，使得所述柔性基体与拉力敏感件以及压力敏感件的硬度为一致。

所述三维力触觉传感单元中的三维力按下式解析获得：

kxFx=ΔR2/R2-ΔR4/R42]]>