柔性电容型触觉传感器、电子皮肤、可穿戴设备及方法技术

本发明专利技术公开了一种柔性电容型触觉传感器、电子皮肤、可穿戴设备及方法，柔性电容型触觉传感器，包括：传感层、压敏层和驱动层，其中，传感层为上电极层，用于感应触摸位置和压力；压敏层为间隔兼传输层，与传感层连接，用于传输传感层感应到的触摸位置和压力；驱动层为下电极层，与压敏层连接，用于检测和分析触摸位置和压力大小，包含多个结构相同的触觉单元以及各个触觉单元之间的绝缘部；其中，每个触觉单元的结构满足：待测接触点在不同位置时，与该待测接触点的位置对应的各个触觉单元之间的相对面积占比发生变化。该传感器可实现三维压力大小和受压位置的同时检测，具有精度高、功耗小、结构新颖、以及较高的传感灵敏度的特点。

Flexible Capacitive Tactile Sensor, Electronic Skin, Wearable Equipment and Method

The invention discloses a flexible capacitive tactile sensor, an electronic skin, a wearable device and a method. The flexible capacitive tactile sensor includes a sensing layer, a pressure sensitive layer and a driving layer, in which the sensing layer is an upper electrode layer for sensing the touch position and pressure; the pressure sensitive layer is an interval and transmission layer connected with the sensing layer for transmitting the touch position sensed by the sensing layer. The driving layer is connected with the piezoelectric layer, which is used to detect and analyze the position and pressure of the touch. The driving layer consists of several tactile units with the same structure and the insulation between the tactile units. The structure of each tactile unit satisfies the following requirements: when the contact point to be measured is at different positions, the relationship between the tactile units corresponding to the position of the contact point to be measured The proportion of area has changed. The sensor can simultaneously detect three-dimensional pressure and pressure position, and has the characteristics of high accuracy, low power consumption, novel structure and high sensitivity.

【技术实现步骤摘要】
柔性电容型触觉传感器、电子皮肤、可穿戴设备及方法
本公开属于传感技术和人工智能应用
，涉及一种柔性电容型触觉传感器、电子皮肤、可穿戴设备及方法。
技术介绍
智能机器人的高速发展令世界瞩目，在医疗器械、体育运动、工业设备等领域中扮演越来越重要的角色。智能机器人在工作时与外部环境直接作用，从而感知判断外部环境的物理特性，这就需要机器人对触觉信息进行处理。可见触觉的实现对机器人的智能化是非常重要的。为了适应这样的需求，世界各地的学者对触觉研究给予了充分的重视。在人机交互时，为了确保安全性，要求触觉传感器具有类似于人类皮肤的柔软性，且能够适应不同外部环境的特性。因此，检测三维压力的柔性触觉传感器引发了研究热潮。类似于人的皮肤，智能机器人配备的电子皮肤是柔软的、具有数据处理能力的微型传感阵列，可以覆盖在智能机器人表面，通过传感器感知外部环境，进而执行命令。触觉研究中最为重要的因素当属接触力大小以及位置，而现有技术中，一般都是基于单一的力学量进行传感表征和检测，比如检测得到压力的大小，或者检测得到压力的位置，或者在不同的部件分别实现压力的位置或大小的检测，将这些部件集成起来，而很少有在单一的部件中实现三维压力的大小和位置的同时检测，这种集成实现力的大小和位置的设计存在工艺复杂、成本高、性能不稳定的缺陷。因此在智能器件的发展需求下，有必要提出一种可同时检测三维压力大小及位置、柔韧性良好、性能稳定的触觉传感器。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种柔性电容型触觉传感器、电子皮肤、可穿戴设备及方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种柔性电容型触觉传感器，可同时检测三维压力大小及位置，包括：传感层1、压敏层2和驱动层3，其中，传感层1为上电极层，用于感应触摸位置和压力；压敏层2为间隔兼传输层，与传感层1连接，用于传输传感层1感应到的触摸位置和压力；驱动层3为下电极层，与压敏层2连接，用于检测和分析触摸位置和压力大小，包含多个结构相同的触觉单元4以及各个触觉单元之间的绝缘部5；其中，每个触觉单元的结构满足：待测接触点在不同位置时，与该待测接触点的位置对应的各个触觉单元之间的相对面积占比发生变化。在本公开的一些实施例中，每个触觉单元4均具有第一数量向外的凸起和第二数量向内的凹陷，每个触觉单元的凸起位置与近邻触觉单元的凹陷位置对应放置，形成相互交叉的叉指结构。在本公开的一些实施例中，每个触觉单元4具有4个向外的凸起和1个向内的凹陷，其中，有2个凸起的角度相同，为第一角度，另外2个凸起的角度也相同，为第二角度，第二角度为第一角度的2倍，1个向内的凹陷与具有第二角度的凸起对应放置，每四个触觉单元互相交叉形成一个基本的检测单元，通过对各个检测单元的电容输出变化进行建模，实现对触摸位置和压力大小的判断。在本公开的一些实施例中，压敏层2为紧密排列的针状PDMS阵列。在本公开的一些实施例中，压敏层2通过模塑技术制备得到。在本公开的一些实施例中，传感层1为导电织物。根据本公开的另一个方面，提供了一种电子皮肤，包括本公开提到的任一种柔性电容型触觉传感器。在本公开的一些实施例中，该电子皮肤设置于机器人的身体部件上。根据本公开的又一个方面，提供了一种可穿戴设备，包括本公开提到的任一种柔性电容型触觉传感器。根据本公开的再一个方面，提供了一种基于本公开提到的任一种柔性电容型触觉传感器进行三维压力大小及位置同时检测的方法，该方法包括：对应待测点处于不同位置时，根据各个触觉单元输出的相对面积占比不同，在X轴向和Y轴向，寻找各个触觉单元相对面积最大的区域的位置，从而判断该位置为接触位置；同时，根据待测点的压力大小使压敏层的形变程度不同导致上电极层与下电极层之间的距离不同，在Z轴向，根据距离-电容曲线标定电容值，并利用距离与压力大小的对应关系，得到电容值与压力大小的关系，从而实现三维压力的大小和位置同时检测。在本公开的一些实施例中，每四个触觉单元互相交叉形成一个基本的检测单元，通过对各个检测单元的电容输出变化进行建模，实现对触摸位置和压力大小的判断。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开提供的柔性电容型触觉传感器、电子皮肤、可穿戴设备及方法，具有以下有益效果：(1)通过在驱动层中设置多个结构相同的触觉单元，并且每个触觉单元的结构满足：待测接触点在不同位置时，与该待测接触点的位置对应的各个触觉单元之间的相对面积占比发生变化，在接触点移动的过程中，根据驱动层的各个触觉单元输出占比不同，通过对传感器的输出结果进行处理，便可实现三维压力大小和受压位置的同时检测；具有精度高、功耗小、结构新颖的特点；(2)在一优选实施例中，通过设置触觉单元为相互交叉的叉指结构，有效的满足了上述对于触觉单元结构的要求，同时还有效利用了驱动层的面积，在单位面积内实现了不同触觉单元的变化占比差异较大，有助于提高器件的传感灵敏度；(3)该柔性电容型触觉传感器采用柔性材料制作，能够精准地检测三维接触力的大小及位置，并具有良好的柔性与延展性，作为电子皮肤，可以设置于机器人的身体部件上，比如包覆在机器人表面，形成类人皮肤，或者作为可穿戴器件实现传感。附图说明图1为根据本公开一实施例所示的柔性电容型触觉传感器的结构示意图。图2为根据本公开一实施例所示的(a)压敏层微针阵列的低倍SEM图谱，和(b)放大之后的微针结构SEM图谱。图3为根据本公开一实施例所示的驱动层的结构示意图。图4A为根据本公开一实施例所示的利用COMSOLMultiphysics模拟四个近邻触觉单元的模型示意图。图4B为与图4A对应的模型中近邻触觉单元的输出与1/Z的关系曲线。图4C为与图4A对应的模型中近邻触觉单元的输出与X的关系曲线。图4D为与图4A对应的模型中近邻触觉单元的输出与Y的关系曲线。图5为根据本公开一实施例所示的在接触点移动时，不同触觉单元相对面积占比变化的示意图。图6为根据本公开一实例所示的接触点的移动路径与位置计算结果的对比图。【符号说明】1-传感层；2-压敏层；3-驱动层；4-触觉单元；5-绝缘部。具体实施方式电容型触觉传感器是将接触力转化为电容量的变化进行表征。在对电容器极板施加压力后，电容器的极板间距及相对面积会发生变化，据此来获取压力信息。电容型传感器因其功耗低，结构简单，输出稳定，温度系数小，动态响应特性好等诸多优点，而广泛应用在触觉传感器。然而基于电容型触觉传感器的实际应用中，传统压力屏仅仅可以用于单点接触力大小的检测，传统触摸屏仅仅可以用于接触力的位置记录，二者对于接触力的情况描述并不全面。这样看来，设计一款可以同时检测压力大小及位置的触觉传感器显得尤为重要。本公开提出了一种柔性电容型触觉传感器、电子皮肤、可穿戴设备及方法，通过在驱动层中设置多个结构相同的触觉单元，并且每个触觉单元的结构满足：待测接触点在不同位置时，与该待测接触点的位置对应的各个触觉单元之间的相对面积占比发生变化，在接触点移动的过程中，根据驱动层的各个触觉单元输出占比不同，通过对传感器的输出结果进行处理，便可实现三维压力大小和受压位置的同时检测；具有精度高、功耗小、结构新颖的特点。为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性电容型触觉传感器，可同时检测三维压力大小及位置，包括：传感层(1)、压敏层(2)和驱动层(3)，其特征在于，所述传感层(1)为上电极层，用于感应触摸位置和压力；所述压敏层(2)为间隔兼传输层，与传感层(1)连接，用于传输传感层(1)感应到的触摸位置和压力；所述驱动层(3)为下电极层，与压敏层(2)连接，用于检测和分析触摸位置和压力大小，包含多个结构相同的触觉单元(4)以及各个触觉单元之间的绝缘部(5)；其中，每个所述触觉单元的结构满足：待测接触点在不同位置时，与该待测接触点的位置对应的各个触觉单元之间的相对面积占比发生变化。

【技术特征摘要】
1.一种柔性电容型触觉传感器，可同时检测三维压力大小及位置，包括：传感层(1)、压敏层(2)和驱动层(3)，其特征在于，所述传感层(1)为上电极层，用于感应触摸位置和压力；所述压敏层(2)为间隔兼传输层，与传感层(1)连接，用于传输传感层(1)感应到的触摸位置和压力；所述驱动层(3)为下电极层，与压敏层(2)连接，用于检测和分析触摸位置和压力大小，包含多个结构相同的触觉单元(4)以及各个触觉单元之间的绝缘部(5)；其中，每个所述触觉单元的结构满足：待测接触点在不同位置时，与该待测接触点的位置对应的各个触觉单元之间的相对面积占比发生变化。2.根据权利要求1所述的柔性电容型触觉传感器，其中，每个所述触觉单元(4)均具有第一数量向外的凸起和第二数量向内的凹陷，每个触觉单元的凸起位置与近邻触觉单元的凹陷位置对应放置，形成相互交叉的叉指结构。3.根据权利要求2所述的柔性电容型触觉传感器，其中，每个所述触觉单元(4)具有4个向外的凸起和1个向内的凹陷，其中，有2个凸起的角度相同，为第一角度，另外2个凸起的角度也相同，为第二角度，第二角度为第一角度的2倍，1个向内的凹陷与具有第二角度的凸起对应放置，每四个触觉单元互相交叉形成一个基本的检测单元，通过对各个检测单元的电容输出变化进行建模，实现对触摸...

【专利技术属性】
技术研发人员：张旭，张琪，鲁琳，刘鸣，陈弘达，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11