一种柔性三维力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种柔性三维力传感器及其制备方法，该传感器包括固定在PCB电路板的柔性排线和四个霍尔感应芯片，霍尔感应芯片以90°×4的圆周阵列分布，且传感器芯片的供电及信号输出端口均由柔性排线引出；固定在PCB电路板中部的平行板电容的下电极；导电薄膜‑圆形永磁体‑橡胶半球组件，其中，导电薄膜位于整个组件的下部，通过导线与PCB电路板连接，并与下电极组成平行板电容；支撑层，用于包裹PCB电路板、霍尔感应芯片和下电极，给予导电薄膜‑圆形永磁体‑橡胶半球组件支撑作用；弹性层，用于包裹导电薄膜、圆形永磁体和橡胶半球，使得组件发生切向位移，外力卸载后，组件能够复位。本发明专利技术传感器精度高，制造成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性三维力传感器及其制备方法
本专利技术涉及机器人传感器
，具体涉及一种柔性三维力传感器及其制备方法。
技术介绍
在操纵和探索任务期间，通常需要机械手对未知物体和障碍物进行有效响应。在传统的工业应用中，机器人对末端执行器的控制是通过将仿真对象和环境的数据模型嵌入到控制算法中实现的，故机械手只能操纵已知的物体，并在结构化的环境中工作，这意味着它们对意外事件的反应较慢，如果没有详细的操作环境模型，则接触力的实时测量对于机器人能否有效安全地执行任务至关重要。力觉感知是机器人自主灵巧手操作的重要组成部分，它提供了机械手与物体接触点的作用力和表面特性等信息。普通的机器人力觉传感器往往只能测量单轴的法向力信息，但是根据人手研究的理论，切向力信息对于灵巧手的抓取控制以及滑动检测至关重要。目前许多国内外科研工作者设计了各种各样的三维力传感器，但是由于法向力和切向力的传感器信号耦合的影响，很难做到精确识别法向力和切向力的大小，因此三维力测量的精度普遍较低。
技术实现思路
为了克服现有技术中力觉传感器无法检测切向作用力且传感精度较低，制作成本较高的技术问题，本专利技术提出一种柔性三维力传感器及其制备方法，该传感器可实现对三维接触力的检测且制造成本较低，无需通过算法进行力的解耦，为后续多灵巧手实现灵巧操作打下基础。本专利技术的目的通过如下的技术方案来实现：一种柔性三维力传感器，该传感器包括：PCB电路板；固定在所述PCB电路板的柔性排线和四个霍尔感应芯片，所述霍尔感应芯片以90°×4的圆周阵列分布，且传感器芯片的供电及信号输出端口均由柔性排线引出；固定在所述PCB电路板中部的平行板电容的下电极；导电薄膜-圆形永磁体-橡胶半球组件，其中，所述导电薄膜位于整个组件的下部，通过导线与PCB电路板连接，并与所述下电极组成平行板电容，且所述导电薄膜的面积大于所述下电极，以保证在发生切向位移时，平行板电容的正对面积始终是下电极的面积；所述圆形永磁体为轴向充磁；支撑层，用于包裹所述PCB电路板、霍尔感应芯片和下电极，给予导电薄膜-圆形永磁体-橡胶半球组件支撑作用；弹性层，位于所述支撑层上方，用于包裹导电薄膜、圆形永磁体和橡胶半球，使得组件发生切向位移，外力卸载后，组件能够复位。进一步地，所述导电薄膜优选铜箔。进一步地，所述弹性层由Ecoflex0030硅橡胶制成。进一步地，所述支撑层由环氧树脂制成。进一步地，所述圆形永磁体采用钕铁硼和轴向充磁。一种柔性三维力传感器的制备方法，该方法包括如下步骤：(1)在所述PCB电路板表面布置所述平行板电容的下电极；(2)在所述PCB电路板相应位置焊接所述霍尔感应芯片，并焊接所述柔性排线，作为引出线；(3)在所述导电薄膜上焊接导线，与PCB电路板相应焊盘焊接，并将所述导电薄膜粘在圆形永磁体下表面；(4)制备橡胶半球，往模具中浇筑按照1:1比例调配的橡胶，然后放入消泡桶内抽真空去除气泡，最后进行室温固化；(5)支撑层浇注：将步骤(3)组装好的组件放入模具中，浇注按照1:0.5比例调配的环氧树脂，且保证圆形永磁体避免接触浇筑液体，浇筑至霍尔芯片表面1～2mm，放入消泡桶内抽真空去除气泡，然后进行室温固化；(6)将步骤(4)制备得到的橡胶半球与圆形永磁体上面进行粘接，使导电薄膜、永磁体和橡胶半球粘为一体，形成导电薄膜-圆形永磁体-橡胶半球组件；(7)弹性层浇注：将导电薄膜-圆形永磁体-橡胶半球组件放在模具中，保证组件的轴线与霍尔感应芯片分布的轴线相同，往模具中浇筑硅橡胶，覆盖过橡胶半球底面后，放入消泡桶内抽真空去除气泡，然后加热固化，最后取出并进行冷却脱模。本专利技术的有益效果如下：(1)本专利技术的力传感器可实现对三维作用力的检测且制造成本较低；(2)通过多传感融合的方式避免了力的解耦过程，使得传感器精度与灵敏度大幅提升；(3)采用柔性硅胶亲肤，与人体皮肤特性具有良好的一致性，同时也能对传感器内部的电路起到绝缘作用；(4)制作简单，可以通过制备不同弹性模量的弹性层来调节三维力传感器的量程和灵敏度。附图说明图1为本专利技术的霍尔传感器安装示意图；图2为本专利技术的圆形永磁体安装的示意图；图3是本专利技术的柔性三维力传感器的总成图；图4为本专利技术的传感器受到法向力作用下电容值的变化图；图5为本专利技术的传感器受到切向力作用下四个霍尔芯片所输出的模拟量的变化图；图中，霍尔感应芯片1、下电极2、PCB电路板3、柔性排线4、圆形永磁体5，导电薄膜6、橡胶半球7、支撑层8、弹性层9。具体实施方式下面根据附图和优选实施例详细描述本专利技术，本专利技术的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1～3所示，本专利技术的柔性三维力传感器，包括霍尔感应芯片1、下电极2、PCB电路板3、柔性排线4、圆形永磁体5、导电薄膜6、橡胶半球7、支撑层8、弹性层9；其中，PCB电路板3在最下层，柔性排线4和四个霍尔感应芯片1固定在PCB电路板3上，四个霍尔感应芯片1以90°×4的圆周阵列分布，且霍尔感应芯片1的供电及信号输出端口均由柔性排线4引出。平行板电容的下电极2固定在PCB电路板3中部，被四个霍尔感应芯片1围绕。导电薄膜6、圆形永磁体5和橡胶半球7组成导电薄膜-圆形永磁体-橡胶半球组件，其中，导电薄膜6位于整个组件的下部，通过导线与PCB电路板3连接，并与下电极2组成平行板电容，导电薄膜6的面积大于下电极2，以保证在发生切向位移时，平行板电容的正对面积始终是下电极2的面积；圆形永磁体5为轴向充磁。支撑层8，包裹PCB电路板3、四个霍尔感应芯片1和下电极2，为上部的导电薄膜-圆形永磁体-橡胶半球组件提供稳固的支撑，使组件受到法向力后，不会引起导电薄膜-圆形永磁体-橡胶半球组件上下浮动，只能做水平方向运动，消除了圆形永磁体5上下浮动对切向力检测的影响。所述支撑层优选由1:0.5比例调配的环氧树脂制成，合适的比例有利于环氧树脂的快速凝固。弹性层9，位于支撑层8上方，用于包裹导电薄膜6、圆形永磁体5和橡胶半球7，使得组件发生切向位移，外力卸载后，组件能够复位。弹性层9并不覆盖整个橡胶半球7，必须使其顶部露出，从而使外界负载作用在橡胶半球7上，形成应力集中。弹性层9优选由Ecoflex0030硅橡胶制成，Ecoflex0030硅橡胶是一种超弹性硅橡胶，有利于增加切向力检测的灵敏度。作为其中一种实施方式，导电薄膜6选自铜箔、铝箔或石墨烯薄膜，优选铜箔。所述圆形永磁体5优选钕铁硼，轴向充磁，钕铁硼磁体为强磁类型，在距离所述霍尔芯片1一定高度下，相对于普通磁体，磁场强度变化更容易被检测。本专利技术所提出的柔性三维力传感器，不仅可以测量Z轴的法向力信息，还可测量x轴和y轴的切向力信息。法向力测量原理：当柔性传感器橡胶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性三维力传感器，其特征在于，该传感器包括：/nPCB电路板；/n固定在所述PCB电路板的柔性排线和四个霍尔感应芯片，所述霍尔感应芯片以90°×4的圆周阵列分布，且传感器芯片的供电及信号输出端口均由柔性排线引出；/n固定在所述PCB电路板中部的平行板电容的下电极；/n导电薄膜-圆形永磁体-橡胶半球组件，其中，所述导电薄膜位于整个组件的下部，通过导线与PCB电路板连接，并与所述下电极组成平行板电容，且所述导电薄膜的面积大于所述下电极，以保证在发生切向位移时，平行板电容的正对面积始终是下电极的面积；所述圆形永磁体为轴向充磁；/n支撑层，用于包裹所述PCB电路板、霍尔感应芯片和下电极，给予导电薄膜-圆形永磁体-橡胶半球组件支撑作用；/n弹性层，位于所述支撑层上方，用于包裹导电薄膜、圆形永磁体和橡胶半球，使得组件发生切向位移，外力卸载后，组件能够复位。/n

【技术特征摘要】
1.一种柔性三维力传感器，其特征在于，该传感器包括：
PCB电路板；
固定在所述PCB电路板的柔性排线和四个霍尔感应芯片，所述霍尔感应芯片以90°×4的圆周阵列分布，且传感器芯片的供电及信号输出端口均由柔性排线引出；
固定在所述PCB电路板中部的平行板电容的下电极；
导电薄膜-圆形永磁体-橡胶半球组件，其中，所述导电薄膜位于整个组件的下部，通过导线与PCB电路板连接，并与所述下电极组成平行板电容，且所述导电薄膜的面积大于所述下电极，以保证在发生切向位移时，平行板电容的正对面积始终是下电极的面积；所述圆形永磁体为轴向充磁；
支撑层，用于包裹所述PCB电路板、霍尔感应芯片和下电极，给予导电薄膜-圆形永磁体-橡胶半球组件支撑作用；
弹性层，位于所述支撑层上方，用于包裹导电薄膜、圆形永磁体和橡胶半球，使得组件发生切向位移，外力卸载后，组件能够复位。


2.根据权利要求1所述的柔性三维力传感器，其特征在于，所述导电薄膜优选铜箔。


3.根据权利要求1所述的柔性三维力传感器，其特征在于，所述弹性层由Ecoflex0030硅橡胶制成。


4.根据权利要求1所述的柔性三维力传感器，其特征在于，所述支撑层由环氧树脂制成。


5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟海良，钱鑫，祝雯豪，周凌轩，鲍官军，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33