一种柔性触觉传感阵列、制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种柔性触觉传感阵列、制备方法及其应用，所述制备方法包括：将纳米碳黑、热塑性聚氨酯橡胶、NaCl粉末混合均匀得到导电粉末；将导电粉末置于模板中加热，使得该导电粉末由粉末状变为胶状，并在室温下冷却得到具有弹性的胶状薄膜；将所述胶状薄膜放入去离子水中浸泡，使得胶状薄膜中NaCl溶解在去离子水中，得到具有多孔结构的压阻薄膜，该压阻薄膜包括热塑性聚氨酯橡胶骨架和分散于该骨架内部及表面的纳米碳黑；将该压阻薄膜作为压阻敏感层，在该压阻敏感层上下表面设置柔性导电层后封装，得到所述柔性触觉传感阵列。本发明专利技术解决了传感器敏感性低、压阻性能差；仅基于单一的指标判断目标物体状态，准确性和可靠性差的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性触觉传感阵列、制备方法及其应用
本专利技术属于触觉传感器
，更具体地，涉及一种柔性触觉传感阵列、制备方法及其应用。
技术介绍
智能机器人技术是当今发展最引人注目的高新技术之一，其基于计算机视觉、自然语言处理、深度学习等技术将多种传感器得到的信息进行融合，能够有效的适应变化的环境，具有很强的自适应、学习和自我决策能力。智能机器人已经逐步走入我们的日常生活，在工业、医疗、服务、物流等领域有着广泛的应用前景，用以代替人类执行各种任务。抓取物体是常见的智能机器人执行任务类型，保持抓取地稳定性非常重要。当机器人抓取物体时，如果抓取力过小，就会导致物体滑动甚至掉落；如果抓取力过大，则有可能导致物体损坏；此外在抓取过程中机器人的外部环境可能发生变化，这就要求机器人能够实时检测目标物体的状态，并根据环境的变化调整抓取力的大小。触觉传感器因其柔性、易于贴合不规则表面，而在智能机器人领域显示出广阔的应用前景，其能够检测传感器与环境直接接触时的外部环境参数，如法向力、剪切力、滑动、拉伸应变、振动、硬度、纹理等物理参数，从而反应外部环境的状况，进而实现显示、传输和控制。研究具有高精度、高分辨率、高速响应且能够任意分布的柔性触觉传感器，是智能机器人研究的关键部分。触觉传感器帮助机器人实现类似于人类皮肤的触觉功能，且具有与人的皮肤相似的物理特性，可以覆盖在任意载体表面测量受力信息，从而感知目标对象的性质特征。一方面，现有的电容式传感器存在难以阵列化，相邻电容传感单元会互相影响，存在导线寄生电容等问题；压电式传感器存在响应小，需外接放大电路的问题；光学式传感器则存在光路及采集电路复杂，整体体积庞大等的问题，而压阻薄膜式传感器制备原料价格低，工艺简单，使用等电势法进行数据采集时接线复杂度低，适合作为触觉传感器。但目前的压阻薄膜式传感器存在敏感性低、压阻性能差的问题。另一方面，为了实现智能机器人抓取稳定，科研人员提出了基于柔性触觉传感器的滑移检测方法，通过将传感器贴附于机器人上与抓取物体直接接触来检测目标物体状态。目前，用于判断物体状态的方法主要有阈值机制和摩擦系数等。然而上述检测方法或是基于触觉传感器的复杂结构，或是基于多次实验的经验数据，滑移检测指标没有突出的显著性，且仅基于单一的指标判断目标物体状态，准确性和可靠性差，这导致难以实现在更多场景的广泛应用。因此，为了解决上述技术问题，亟需提出一种合理的技术方案。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种柔性触觉传感阵列、制备方法及其应用，其目的在于通过得到具有多孔结构的压阻薄膜，形成新的导电通路以及微孔变形使得孔壁接触处出现新的导电通路，使得传感器对压力更加敏感，具有更快响应。并通过同时利用两个判断指标对滑移检测进行判断，由此解决传感器敏感性低、压阻性能差；仅基于单一的指标判断目标物体状态，准确性和可靠性差的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种柔性触觉传感阵列的制备方法，包括以下步骤：(1)将纳米碳黑、热塑性聚氨酯橡胶、NaCl粉末混合均匀得到导电粉末；(2)将导电粉末置于模板中加热，使得该导电粉末由粉末状变为胶状，并在室温下冷却得到具有弹性的胶状薄膜；(3)将所述胶状薄膜放入去离子水中浸泡，使得胶状薄膜中NaCl溶解在去离子水中，得到具有多孔结构的压阻薄膜，该压阻薄膜包括热塑性聚氨酯橡胶骨架和分散于该骨架内部及表面的纳米碳黑；(4)将该压阻薄膜作为压阻敏感层，在该压阻敏感层上下表面设置柔性导电层后封装，得到所述柔性触觉传感阵列。优选地，所述纳米炭黑的平均粒径小于20nm，所述NaCl粉末的平均粒径小于100μm。优选地，所述纳米碳黑、热塑性聚氨酯橡胶、NaCl粉末的质量比为(0.02-0.4):1:1。优选地，步骤(2)中加热具体为在温度80-100℃下加热1-2小时，步骤(3)中浸泡具体为在150-250ml去离子水中浸1-2小时。优选地，所述压阻薄膜的厚度为0.6-0.8mm；所述柔性导电层为交叉排列的2×N根柔性导线，柔性导线为银纤维与锦纶的复合导线，所述柔性导线的直径为0.02-0.05mm；所述封装具体为将3M双面胶和聚乙烯薄膜依次贴附于柔性导电层上得到封装层，该封装层厚度为0.13-0.18mm，所述柔性触觉传感阵列的厚度为0.8-1.0mm。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种通过所述制备方法制备得到的柔性触觉传感阵列，所述柔性触觉传感阵列包括多个触觉传感单元，所述触觉传感单元为柔性导线间交叉点的区域。按照本专利技术的又一个方面，提供了一种所述柔性触觉传感阵列的应用，将其应用于机器人操作的滑移检测，该应用包括下列步骤：(1)采集柔性触觉传感阵列中每个触觉传感单元的电压信号，将所述电压信号转换为与其相对应的压力，对所述压力进行一维离散小波变换处理，得到高频细节数据；(2)将所述高频细节数据进行平方计算处理，得到局部振动剧烈程度值；(3)将所述每个触觉传感单元的压力占总压力的比值作为元素构成压力分布向量，并对相邻采集时刻的压力分布向量进行相关系数计算处理，得到压力分布向量相关系数，用1减去压力分布向量相关系数得到的值作为压力分布变化程度值；(4)重复步骤(1)-(3)，得到相邻时间段的局部振动剧烈程度值之比RatioDW、相邻时间段的压力分布变化程度值之比Ratiocoe，判断RatioDW是否大于一阈值，或Ratiocoe是否大于另一阈值，若是，检测结果为出现滑移。优选地，所述步骤(1)包括下列子步骤：(101)采集柔性触觉传感阵列中每个触觉传感单元的电压信号，将所述电压信号转换为与其相对应的压力，以柔性触觉传感阵列为平面建立二维坐标系，该二维坐标系中左下角触觉传感单元坐标为(1，1)，右上角触觉传感单元坐标为(N，N)；利用所述压力通过下式计算得到压力中心坐标(Xc,Yc)，其中，Fi为每个触觉传感单元所受的压力，Fc为柔性触觉传感阵列所受的总压力；(102)将压力中心坐标变换为一维数据得到压力中心值序列，对该压力中心值序列进行一维离散小波变换处理得到高频细节Dw1，H[n]，具体地，其中，Center为压力中心值序列，h(a)为db小波分解的高通滤波器，K为滤波器长度，N为进行分解的数据总长度，所述一维离散小波变换对Center序列与滤波器h(a)做卷积并隔点取样，化简后得到Center[2n-a]为Center序列隔点取出的元素值；所述步骤(2)中，所述局部振动剧烈程度值为：Vcenter[n]＝Dw1，H[n]2。优选地，所述步骤(3)中所述压力分布向量相关系数coe[n]通过下式计算得到：其中，Fdis，0(i，1)为前一采集时刻的压力分布向量中的第i个元素，Fi，0为前一时刻第i个触觉传感单元所受的压力，FC0为前一时刻柔性触觉传感阵列所受的总压力，Fdis，1(i，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性触觉传感阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)将纳米碳黑、热塑性聚氨酯橡胶、NaCl粉末混合均匀得到导电粉末；/n(2)将导电粉末置于模板中加热，使得该导电粉末由粉末状变为胶状，并在室温下冷却得到具有弹性的胶状薄膜；/n(3)将所述胶状薄膜放入去离子水中浸泡，使得胶状薄膜中NaCl溶解在去离子水中，得到具有多孔结构的压阻薄膜，该压阻薄膜包括热塑性聚氨酯橡胶骨架和分散于该骨架内部及表面的纳米碳黑；/n(4)将该压阻薄膜作为压阻敏感层，在该压阻敏感层上下表面设置柔性导电层后封装，得到所述柔性触觉传感阵列。/n

【技术特征摘要】
1.一种柔性触觉传感阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将纳米碳黑、热塑性聚氨酯橡胶、NaCl粉末混合均匀得到导电粉末；
(2)将导电粉末置于模板中加热，使得该导电粉末由粉末状变为胶状，并在室温下冷却得到具有弹性的胶状薄膜；
(3)将所述胶状薄膜放入去离子水中浸泡，使得胶状薄膜中NaCl溶解在去离子水中，得到具有多孔结构的压阻薄膜，该压阻薄膜包括热塑性聚氨酯橡胶骨架和分散于该骨架内部及表面的纳米碳黑；
(4)将该压阻薄膜作为压阻敏感层，在该压阻敏感层上下表面设置柔性导电层后封装，得到所述柔性触觉传感阵列。


2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米炭黑的平均粒径小于20nm，所述NaCl粉末的平均粒径小于100μm。


3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述纳米碳黑、热塑性聚氨酯橡胶、NaCl粉末的质量比为(0.02-0.4):1:1。


4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中加热具体为在温度80-100℃下加热1-2小时，步骤(3)中浸泡具体为在150-250ml去离子水中浸1-2小时。


5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述压阻薄膜的厚度为0.6-0.8mm；所述柔性导电层为交叉排列的2×N根柔性导线，柔性导线为银纤维与锦纶的复合导线，所述柔性导线的直径为0.02-0.05mm；所述封装具体为将3M双面胶和聚乙烯薄膜依次贴附于柔性导电层上得到封装层，该封装层厚度为0.13-0.18mm，所述柔性触觉传感阵列的厚度为0.8-1.0mm。


6.一种通过权利要求1-5任一项所述的制备方法制备得到的柔性触觉传感阵列，其特征在于，所述柔性触觉传感阵列包括多个触觉传感单元，所述触觉传感单元为柔性导线间交叉点的区域。


7.一种权利要求6所述的柔性触觉传感阵列的应用，其特征在于，将其应用于机器人操作的滑移检测，该应用包括下列步骤：
(1)采集柔性触觉传感阵列中每个触觉传感单元的电压信号，将所述电压信号转换为与其相对应的压力，对所述压力进行一维离散小波变换处理，得到高频细节数据；
(2)将所述高频细节数据进行平方计算处理，得到局部振动剧烈程度值；
(3)将所述每个触觉传感单元的压力占总压力的比值作为元素构成压力分布向量，并对相邻采集时刻的压力分布向量进行相关系数计算处理，得到压力分布向量相关系数，用1减去压力分布向量相关系数得到的值作为压力分布变化程度值；
(4)重复步骤(1)-(3)，得到相邻时间段的局部振动剧烈程度值之比RatioDW、相邻时间段的压力分布变化程度值之比Ratiocoe，判断RatioDW是否大于一阈值，或Ratiocoe是否大于另一阈值，若是，检测结果为出现滑移。


8.如权利要求7所述的应用，其特征在于，所述步骤(1)包括下列子步骤：
(101)采集柔性触觉传感阵列中每个触觉传感单元的电压信号，将所述电压信号转换为与其相对应的压力，以柔性触觉传感阵列为平...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴豪，包璐胜，韩成，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42