本實用新型涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種正四面體式三維力柔性觸覺傳感器陣列。

背景技術(shù)：

隨著機(jī)器人傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，觸覺傳感器的研究越來越受到各國學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注?，F(xiàn)今研制的柔性觸覺傳感器基本都具備了單維觸覺傳感功能，但機(jī)器人要安全可靠地抓取目標(biāo)需要較好地控制機(jī)械手與目標(biāo)物體之間的相對滑動，這就要求觸覺傳感器在具備良好的柔韌性的同時能夠檢測多維力。不僅如此，在諸如外科手術(shù)、康復(fù)和服務(wù)、航天等領(lǐng)域同樣需要具有能夠檢測多維力信息的柔性觸覺傳感器。

目前，國內(nèi)外已經(jīng)研制出多種三維力傳感器，但是基于全柔性結(jié)構(gòu)的觸覺傳感器比較少。中科院合肥智能機(jī)械研究所徐菲等人以導(dǎo)電橡膠為基體材料，通過采用并聯(lián)電阻模型所研制的柔性觸覺傳感器，可對三維力實施檢測。這種傳感器具有一定的柔性，但是對制作加工的要求很高，并且對施加在表面上力的反應(yīng)時間較長。

合肥工業(yè)大學(xué)黃英等人申請的專利(CN103335754A)公開了一種全柔性三維力觸覺傳感器及壓力敏感單元的制作，其特征是各三維力觸覺傳感單元在被檢測區(qū)域表面呈陣列排布，相互之間利用柔性基體填充。中科院合肥智能機(jī)械研究所孫鑫等人申請的專利(CN103134622A)公開了一種三維力柔性觸覺傳感器陣列制備方法，利用“N”型立體支架作為可檢測三維力的觸覺傳感器陣列微結(jié)構(gòu)，每個微結(jié)構(gòu)之間填充絕緣橡膠。上述兩份專利中，制作加工簡單，但是對微結(jié)構(gòu)單元存在耦合，解耦算法復(fù)雜，不能實時檢測施加在傳感器表面上的力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、容易解耦、靈敏度高和穩(wěn)定性強(qiáng)的正四面體式三維力柔性觸覺傳感器陣列。

本實用新型的技術(shù)方案為：

一種正四面體式三維力柔性觸覺傳感器陣列，包括呈陣列排布在柔性基體內(nèi)的若干結(jié)構(gòu)相同的三維力柔性觸覺傳感單元，所述三維力柔性觸覺傳感單元均為由具有壓阻效應(yīng)的柔性導(dǎo)電橡膠制備而成的正四面體結(jié)構(gòu)；所有正四面體結(jié)構(gòu)的上端面均位于同一平面內(nèi)，且滿足當(dāng)以某正四面體結(jié)構(gòu)的三個下側(cè)面的交點(diǎn)為原點(diǎn)O建立該四面體結(jié)構(gòu)的三維直角坐標(biāo)系時，該四面體結(jié)構(gòu)的上端面的其中一條邊平行于Y軸，另外兩條邊的交點(diǎn)投影落在X軸正向上；所述正四面體結(jié)構(gòu)的上端面分別與三個下側(cè)面等效構(gòu)成三個電阻，所述下側(cè)面的中心均設(shè)有用于輸出相應(yīng)電阻信號的電觸點(diǎn)。

所述的正四面體式三維力柔性觸覺傳感器陣列，所述正四面體結(jié)構(gòu)的邊長為7～11mm，處于同一行或同一列的兩相鄰正四面體結(jié)構(gòu)的中心距離為14～18mm。

所述的正四面體式三維力柔性觸覺傳感器陣列，所述三維力柔性觸覺傳感單元的三維力，通過以下公式解析獲得：

其中，F(xiàn)_x、F_y和F_z分別表示三維力柔性觸覺傳感單元在X、Y和Z方向上所受的作用力；F₁表示其投影落在XOY平面第三和第四象限的下側(cè)面所受的壓力，F(xiàn)₂表示其投影落在XOY平面第一和第二象限的下側(cè)面所受的壓力，F(xiàn)₃表示其投影落在XOY平面第二和第三象限的下側(cè)面所受的壓力；F₁、F₂和F₃根據(jù)三維力柔性觸覺傳感單元的力敏狀態(tài)方程F_i＝f(R_i)，i＝1，2，3獲得，R_i，i＝1，2，3分別表示相應(yīng)下側(cè)面的電阻。

本實用新型的有益效果為：

(1)本實用新型的三維力柔性觸覺傳感單元采用正四面體結(jié)構(gòu)，巧妙地將傳感器表面所受到的作用力分解到三個下側(cè)面上，降低了傳感器電阻數(shù)據(jù)的耦合度，提高了解耦算法效率，從而能夠達(dá)到實時檢測的目的。

(2)本實用新型的三維力柔性觸覺傳感單元采用具有壓阻效應(yīng)的柔性導(dǎo)電橡膠制備，整個傳感器陣列具有良好的柔性特點(diǎn)，傳感器可實現(xiàn)彎曲變形，能可靠貼在機(jī)器人皮膚上，實現(xiàn)對外界作用力的有效感知。

(3)本實用新型可采用分層模具灌裝技術(shù)制作得到，工藝簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，整體性強(qiáng)，從而工作穩(wěn)定，靈敏度高。

附圖說明

圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型的三維力柔性觸覺傳感單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實用新型的三維力柔性觸覺傳感單元F₁、F₂受力分析示意圖；

圖4是本實用新型的三維力柔性觸覺傳感單元F₃受力分析示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例進(jìn)一步說明本實用新型。

如圖1、圖2所示，一種正四面體式三維力柔性觸覺傳感器陣列，包括若干有序排列的三維力柔性觸覺傳感單元1，三維力柔性觸覺傳感單元1之間填充有由絕緣橡膠(PDMS)或者其他柔性絕緣材料制備而成的柔性基體3，三維力柔性觸覺傳感單元1為正四面體結(jié)構(gòu)，由具有壓阻效應(yīng)的柔性導(dǎo)電橡膠制備。上述有序排列指的是三維力柔性觸覺傳感單元1在被檢測區(qū)域表面呈規(guī)則形狀平面分布。

正四面體結(jié)構(gòu)的上端面平行于三維直角坐標(biāo)系的XOY平面，上端面其中一條邊平行于Y軸，另外兩條邊的交點(diǎn)投影落在X軸正向上，三個下側(cè)面的交點(diǎn)作為三維直角坐標(biāo)系的XOY平面的原點(diǎn)O，上端面分別與三個下側(cè)面等效形成電阻R₁、電阻R₂和電阻R₃，三個下側(cè)面的中心位置均貼有電觸點(diǎn)2，通過采集電觸點(diǎn)2上的電阻信號以測得各個下側(cè)面上的電阻值。正四面體結(jié)構(gòu)的邊長為7～11mm，處于同一行或同一列的兩相鄰正四面體結(jié)構(gòu)的中心距離為14～18mm。

本實用新型的三維力柔性觸覺傳感器陣列在使用過程中，當(dāng)其表面受到作用力時，其所受到的力分解到正四面體結(jié)構(gòu)的三個下側(cè)面上，致使正四面體結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，三個下側(cè)面受壓，其電阻根據(jù)壓力的大小發(fā)生相應(yīng)的變化。根據(jù)壓阻和壓力的狀態(tài)方程F_i＝f(R_i)，i＝1，2，3，可求得每個下側(cè)面受到的壓力大小，其中，f由正四面體結(jié)構(gòu)所用材料的物理性質(zhì)決定。

如圖3、圖4所示，三維力柔性觸覺傳感單元1的三維受力如下：

F_z＝F₁cosθ+F₂cosθ+F₃cosθ

上式中，F(xiàn)₁表示其投影落在XOY平面第三和第四象限的下側(cè)面所受的壓力，F(xiàn)₂表示其投影落在XOY平面第一和第二象限的下側(cè)面所受的壓力，F(xiàn)₃表示其投影落在XOY平面第二和第三象限的下側(cè)面所受的壓力；表示F₁和F₂在XOY平面上的投影與X軸的夾角，θ表示F₁、F₂和F₃與Z軸的夾角。根據(jù)正四面體結(jié)構(gòu)的特性，為60°，θ為arccos(1/3)。F_x、F_y和F_z分別表示三維力柔性觸覺傳感單元1在X、Y和Z方向上所受的作用力。

本實用新型的三維力柔性觸覺傳感器陣列可采用分層模具灌裝技術(shù)，柔性基體3采用高分子聚合物，將正四面體結(jié)構(gòu)置于模具中對應(yīng)的孔中，然后在模具剩下的空隙中澆灌絕緣橡膠(PDMS)或者其他柔性絕緣材料，脫模后即可得到三維力柔性觸覺傳感器陣列原型。

本實用新型的三維力柔性觸覺傳感器陣列需要進(jìn)行標(biāo)定才能使用：將不同大小的力沿X、Y、Z方向反復(fù)作用于傳感器表面，并測得在不同壓力下三維力柔性觸覺傳感單元1的各個電阻與施加力的關(guān)系，然后再經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或者最小二乘法解耦得到三維力柔性觸覺傳感單元1的各個電阻與三維力之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

以上所述實施方式僅僅是對本實用新型的優(yōu)選實施方式進(jìn)行描述，并非對本實用新型的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本實用新型設(shè)計精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本實用新型的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本實用新型的權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。