基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器制造技术

本发明专利技术公开了基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器，包括：半球型柔性腔体、四个球曲面感应极板、柔性公共极板、柔性基体；其中，四个所述的球曲面感应极板等间隔的贴合固定在所述半球形柔性腔体的内壁上，以所述半球形柔性腔体的中轴线为对称线两两对称，且各球曲面感应极板皆互不接触，在四个球曲面感应极板的底部均设置有电极引线，电极引线穿过柔性基体被引出；所述柔性公共极板设置在柔性基体上，柔性公共极板与四个球曲面感应极板互不接触，四个呈空间立体排布的球曲面感应极板与底部柔性公共极板构成四个独立的电容式触觉敏感单元，并构成差分式结构。该传感器具备法向力、切向力检测功能，且检测灵敏度高。

Capacitive Flexible Tactile Sensor Based on Spherical Surface Pole Plate

【技术实现步骤摘要】
基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器
本专利技术涉及传感器
，具体涉及一种基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器。
技术介绍
触觉作为人体重要感官之一，是感知外部环境信息、与外界信息进行交互的主要媒介。近年来，基于力学敏感材料模拟人体皮肤在触觉感知方面的优异功能制备电子皮肤(e-skin)得到了广泛关注，通过重塑触觉感知功能在可穿戴电子、软体机器人、医疗健康、虚拟现实和人工智能等领域展现出重要应用价值。传统的硅基、金属应变片式触觉传感器用作电子皮肤在柔性、延展性及穿戴舒适性等方面存在弊端，为模仿人体皮肤触觉感知特性，具备柔性、可拉伸、高灵敏度等特点的触觉传感器成为国内外电子皮肤的研究热点。随着智能材料与制备工艺的不断发展，旋涂成膜、微流体成型、层层组装、浸渍包覆、3D打印等技术被广泛应用于柔性电子学领域，如柔性天线、柔性电子皮肤、柔性电极等。柔性触觉传感器按敏感机理可分为电阻式、压电式、光电式和电容式等几类；其中，电容式柔性触觉传感器因具备优良的动态响应特性和检测灵敏度在电子皮肤研究中得到了广泛应用。目前，设计具有微结构特点的复合介质层是提升电容式柔性触觉传感器灵敏度的一种常用方法。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张珽团队基于荷叶疏水特性，以荷叶表面固有的微结构为模板，制备复合介质层电容式柔性触觉传感器，可实现高灵敏和快速触觉感知。但是目前制备微结构复合介质层通常需要繁琐的工艺，而且多应用于类平行板结构的电容式柔性触觉传感器研究中，可实现高灵敏度法向力感知，但不具备切向力检测能力或检测灵敏度较低。因此，研发具有高灵敏度法向力和切向力触觉感知功能的电容式柔性触觉传感器仍是电子皮肤研究所面临的问题之一。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的在于提供一种基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器，以解决现有电容式柔性触觉传感器不具备切向力检测能力或检测灵敏度较低的技术难题。为实现上述目的，本专利技术是采用如下技术方案实现的：一种基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器，包括：半球型柔性腔体、四个球曲面感应极板、柔性公共极板、柔性基体；其中，四个所述的球曲面感应极板等间隔的贴合固定在所述半球形柔性腔体的内壁上，以所述半球形柔性腔体的中轴线为对称线两两对称，且各球曲面感应极板皆互不接触，在四个球曲面感应极板的底部均设置有电极引线，电极引线穿过柔性基体被引出；所述柔性公共极板设置在柔性基体上，柔性公共极板与四个球曲面感应极板互不接触，四个呈空间立体排布的球曲面感应极板与底部柔性公共极板构成四个独立的电容式触觉敏感单元，并构成差分式结构；所述柔性基体设置在半球型柔性腔体的底部，与半球型柔性腔体形成封闭结构。作为本专利技术的优选，所述球曲面感应极板、柔性公共极板以及电极引线均以有机硅导电银胶为材质；所述半球型柔性腔体和柔性基体选用硅橡胶材料制备。作为本专利技术的优选，所述柔性公共极板表面均匀旋涂一层硅橡胶绝缘层，所述硅橡胶绝缘层控制在厚度为45-55μm。作为本专利技术的进一步优选，所述有机硅导电银胶中导电银胶和固化剂的质量比为10:1。本专利技术的第二个目的在于提供一种基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器的制备方法，具体包括以下步骤：步骤S1、利用三维建模软件和3D打印机制备触觉传感器中半球型柔性腔体和柔性基体所对应的模具；步骤S2、将硅橡胶注入对应的模具，置于真空干燥箱，待室温固化后脱模即可获得所需半球型柔性腔体和柔性基体；步骤S3、在半球型柔性腔体和柔性基体相应位置均匀涂覆有机硅导电银胶，制备球曲面感应极板和柔性公共极板；步骤S4、在柔性公共极板表面旋涂厚度为45-55μm的硅橡胶隔离层；步骤S5、将柔性基体与半球型柔性腔体进行粘接并引出电极引线，即可获得基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器。本专利技术的第三个目的在于提供一种基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器的三维力触觉感知方法，具体包括以下步骤：步骤S1、按照公式(1-3)计算单个独立的电容式触觉敏感单元的电容，式中，r为半球型柔性腔体的内腔半径，m，n(0<m，n<πr/2)为球曲面感应极板两端距离半球型柔性腔体内腔垂直中心边和水平边的弧长，l为球曲面极板上各点与水平底端夹角θ在底端投影长度，dθ为夹角增加量，rdθ为夹角增加dθ时其投影宽度，ε0为真空介电常数(ε0＝8.85×10-12F/m)，εr为相对介电常数；步骤S2、触觉传感器在未受力时，设初始电容分别为和受三维力F＝(FXFYFZ)T作用时，四个电容的输出变化量分别为ΔC1、ΔC2、ΔC3和ΔC4，各个分量力引起对应电容传感器输出电容值(和)满足公式(4-6)中关系，步骤S3、通过标定和与三维力分量FX、FY和FZ之间的关系，即可反演出三维力信息，从而实现三维力触觉感知功能。本专利技术的优点和有益效果：1、本专利技术提供的传感器通过在半球型柔性腔体内壁等分设置四个呈空间立体排布的球曲面感应极板，与底部柔性公共极板组成电容柔性触觉传感器，并构成差分式结构，相比于传统类平行板结构的电容柔性触觉传感器，呈空间立体排布的球曲面感应极板更有利于在受力作用下发生位移形变，外部作用力可通过半球型柔性腔体直接施加于感应极板；此外，四个球曲面感应极板与柔性公共极板构成差分式触觉敏感单元，可进一步提升电容式柔性触觉传感器检测灵敏度。2、本专利技术提供的基于球曲面的电容式柔性触觉传感器具备法向力和切向力感知功能，可实现三维力触觉感知功能，将电容式柔性触觉传感器固定于手指，并做出连续单击鼠标和敲击键盘输入‘O’‘K’字母等动作时，球曲面电容式柔性触觉传感器可实现检测指尖触觉感知并区分不同手指动作；此外，球曲面电容式柔性触觉传感器可连续检测同一指尖动作，表明该触觉传感器作电子皮肤在触觉感知中具有良好机械鲁棒性和稳定性，可作为电子皮肤应用于人机交互、软体机器人、软抓取、人工智能等领域。3、本专利技术提供的电容式柔性触觉传感器相比于电阻式的触觉传感器，具备更优良的动态响应特性和检测灵敏度，在0.5Hz的循环动态加载下，球曲面极板电容式柔性触觉传感器仍可做出快速响应，并展现出良好的机械重复性和电学稳定性，其动态响应时间短，对本专利技术中的球曲面电容式柔性触觉传感器施加一阶跃激励，动态响应时间为70ms。附图说明图1a为电容式柔性触觉传感器三维示意图；图1b为电容式柔性触觉传感器三维剖视图；图2为电容式柔性触觉传感器制备流程图；图3a为单个球曲面极板电容式触觉传感器截面参数结构示意图；图3b为单个球曲面极板电容式触觉传感器俯视参数示意图；图4a为电容式柔性触觉传感器Fz向应力应变仿真结果；图4b为电容式柔性触觉传感器Fx向应力应变仿真结果；图5为容性触觉信号采集与处理系统；图6a为容性触觉传感信息下位机采集流程图；图6b为容性触觉传感信息上位机采集流程图；图7为法向力作用下电容式触觉传感器输出特性图；图8为切向力作用下电容式触觉传感器输出特性图；图9为循环动态加载测试图；图10为球曲面极板电容式柔性触觉传感器响应特性图；图11为触觉传感器固定于手指，连续单击鼠标测试图。图12为触觉传感器固定于手指，连续单击‘O’‘K’字母测试图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器，其特征在于，包括：半球型柔性腔体、四个球曲面感应极板、柔性公共极板、柔性基体；其中，四个所述的球曲面感应极板等间隔的贴合固定在所述半球形柔性腔体的内壁上，以所述半球形柔性腔体的中轴线为对称线两两对称，且各球曲面感应极板皆互不接触，在四个球曲面感应极板的底部均设置有电极引线，电极引线穿过柔性基体被引出；所述柔性公共极板设置在柔性基体上，柔性公共极板与四个球曲面感应极板互不接触，四个呈空间立体排布的球曲面感应极板与底部柔性公共极板构成四个独立的电容式触觉敏感单元，并构成差分式结构；所述柔性基体设置在半球型柔性腔体的底部，与半球型柔性腔体形成封闭结构。

【技术特征摘要】
1.一种基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器，其特征在于，包括：半球型柔性腔体、四个球曲面感应极板、柔性公共极板、柔性基体；其中，四个所述的球曲面感应极板等间隔的贴合固定在所述半球形柔性腔体的内壁上，以所述半球形柔性腔体的中轴线为对称线两两对称，且各球曲面感应极板皆互不接触，在四个球曲面感应极板的底部均设置有电极引线，电极引线穿过柔性基体被引出；所述柔性公共极板设置在柔性基体上，柔性公共极板与四个球曲面感应极板互不接触，四个呈空间立体排布的球曲面感应极板与底部柔性公共极板构成四个独立的电容式触觉敏感单元，并构成差分式结构；所述柔性基体设置在半球型柔性腔体的底部，与半球型柔性腔体形成封闭结构。2.权利要求1所述的一种基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述球曲面感应极板、柔性公共极板以及电极引线均以有机硅导电银胶为材质；所述半球型柔性腔体和柔性基体选用硅橡胶材料制备。3.权利要求1所述的一种基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述柔性公共极板表面均匀旋涂一层硅橡胶绝缘层，所述硅橡胶绝缘层控制在厚度为45-55μm。4.权利要求2所述的一种基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述有机硅导电银胶中导电银胶和固化剂的质量比为10:1。5.权利要求1所述的基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤S1、利用三维建模软件和3D打印机制备触觉传感器中半球...

【专利技术属性】
技术研发人员：高永慧，汤茜，许德成，张刚，王也，邵博，
申请(专利权)人：吉林师范大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22