本發(fā)明涉及一種觸滑覺復(fù)合傳感器，尤其是涉及機器人柔性觸覺傳感器領(lǐng)域和智能手術(shù)器械領(lǐng)域的一種柔性矢量觸滑覺復(fù)合傳感器。

背景技術(shù)：

柔性觸滑覺復(fù)合傳感器是機器手或微創(chuàng)手術(shù)器械獲取夾持狀態(tài)信息不可或缺的手段。根據(jù)傳感器反饋的信號，可計算出夾持裝置與被夾持物之間正壓力、摩擦力、相對運動狀態(tài)等物理量，以實現(xiàn)對被夾持物穩(wěn)定地夾取。目前大多數(shù)觸覺傳感器只能檢測正向接觸力，不具有滑覺感知功能。

因此，研究出高靈敏度和大量程的柔性矢量觸滑覺復(fù)合傳感器，使其能便捷、緊密黏貼在機器手表面或微創(chuàng)手術(shù)夾鉗表面上，同時可檢測出接觸壓力、摩擦力、滑移狀態(tài)等力學(xué)信息，可提升器械智能化，提高微創(chuàng)手術(shù)的安全性與實用性。

中國國家發(fā)明專利(申請?zhí)?01410451649.5)公開了一種基于壓敏導(dǎo)電橡膠的柔性觸滑覺復(fù)合傳感陣列，該傳感器利用導(dǎo)電橡膠單元和測試電極機構(gòu)形成四個互相垂直的電阻，通過測試四個壓敏電阻阻值變化推導(dǎo)三維力。但該結(jié)構(gòu)的柔性傳感陣列電極結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且利用單層電極結(jié)構(gòu)靈敏度低，在區(qū)分滑動摩擦和變化的靜摩擦方面也具有結(jié)構(gòu)的局限性。此外，利用INABA公司生產(chǎn)的Inastomer導(dǎo)電橡膠作為壓敏材料，最高適用溫度為50度，不適用于高溫環(huán)境，無法滿足手術(shù)夾鉗需高溫消毒的實際要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對多數(shù)MEMS觸覺傳感器只能檢測正壓力而無法檢測滑移，傳感器表面無防滑功能的缺陷，本發(fā)明提出一種柔性矢量觸滑覺復(fù)合傳感器，可測量出接觸表面力(包括正壓力和靜摩擦力)的大小及方向，判斷接觸時是否發(fā)生滑移，實現(xiàn)穩(wěn)定的滑覺信號輸出，計算滑移速度。能夠便攜安裝在機器手或智能手術(shù)器械表面，實時獲取夾持時力學(xué)信息，實現(xiàn)穩(wěn)定、安全夾持。

本發(fā)明提供的柔性矢量觸滑覺復(fù)合傳感器，包括從上至下緊密貼合的上層柔性基底、力敏結(jié)構(gòu)層和下層柔性襯底。力敏結(jié)構(gòu)層從上至下包括上部電極層、柔性壓阻材料層和底部電極層。

所述的上層柔性基底由柔性復(fù)合材料經(jīng)過澆筑、納米壓印工藝等工藝制備在所述的力敏結(jié)構(gòu)層，作為力敏結(jié)構(gòu)層的力傳遞層。上表面有等間距微結(jié)構(gòu)陣列，且微結(jié)構(gòu)橫截面為矩形或梯形。

所述的力敏結(jié)構(gòu)層與下層柔性襯底上表面緊密貼合。所述下層柔性襯底由柔性復(fù)合材料制成，沿傳感器厚度方向具有周期性的對稱凸起結(jié)構(gòu)，因此所述的力敏結(jié)構(gòu)層包括周期性排列的多對對稱的力敏單元。所述的對稱的力敏單元分別位于所述的對稱凸起結(jié)構(gòu)的兩側(cè)。

所述的力敏結(jié)構(gòu)層包括柔性壓阻材料層、上部電極層和底部電極層，所述的上部電極層分段不連續(xù)，每一段成對對稱分布在柔性壓阻材料層上表面，由微納加工工藝圖案化。

所述底部電極層為一整體連續(xù)的電極薄膜，濺射或蒸鍍在柔性壓阻材料層下表面，每一段上部電極層與對應(yīng)的底部電極層形成一個力敏單元，對稱分布在對稱凸起結(jié)構(gòu)的兩側(cè)。

所述柔性壓阻材料層為長方形復(fù)合導(dǎo)電壓阻材料，與上部電極層和底部電極層共同構(gòu)成力敏結(jié)構(gòu)層。力敏結(jié)構(gòu)層整體貼合粘接在下層柔性襯底上，成對對稱排列在下層柔性襯底上表面的對稱凸起結(jié)構(gòu)兩側(cè)的力敏結(jié)構(gòu)層形成左、右兩個力敏單元。當(dāng)柔性矢量觸滑覺復(fù)合傳感器受恒定的靜摩擦力作用時，成對兩力敏單元的差分輸出為恒定值；當(dāng)柔性矢量觸滑覺復(fù)合傳感器受交變的靜摩擦力作用時，成對兩力敏單元的差分輸出為交變信號；當(dāng)柔性矢量觸滑覺復(fù)合傳感器與被接觸物體發(fā)生相對滑動時，成對兩力敏單元電壓輸出的頻率與滑動速度成正比，且可通過多個力敏單元的輸出信號綜合判定滑動的速度和滑動摩擦力的大小。故本發(fā)明利用多個力敏單元的輸出信號及其變化判斷滑動是否產(chǎn)生、滑動速度、正壓力和摩擦力的大小與方向。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明的柔性矢量觸滑覺復(fù)合傳感器可以通過內(nèi)部簡單的對稱凸起結(jié)構(gòu)，判斷出滑移情況，測量出正壓力、摩擦力和滑移速度；傳感器上表面有微結(jié)構(gòu)陣列，提高夾持穩(wěn)定性和安全性。

(2)本發(fā)明中采用柔性復(fù)合材料作為上層柔性基底和下層柔性襯底材料，可靠耐用，可以滿足高溫消毒的使用條件。

(3)本發(fā)明中電極層結(jié)構(gòu)簡單，只需應(yīng)用一個對稱結(jié)構(gòu)處左、右兩個力敏單元的輸出，即三個電極，即可得到所需物理量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的觸滑覺復(fù)合傳感器截面圖。

圖2是本發(fā)明的觸滑覺復(fù)合傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明的上層柔性襯底斜視圖。

圖4是本發(fā)明的力敏結(jié)構(gòu)層的斜視圖。

圖5是本發(fā)明的一個三角形凸起結(jié)構(gòu)處的力敏單元受力變形示意圖。

圖中：

1.上層柔性基底；2.力敏結(jié)構(gòu)層；3.下層柔性襯底；

201.上部電極層；202.底部電極層；203.柔性壓阻材料層。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。

本發(fā)明提供一種柔性矢量觸滑覺復(fù)合傳感器，所述的傳感器整體為長方體結(jié)構(gòu)，表面具有等間距微結(jié)構(gòu)陣列，用于接觸和傳導(dǎo)表面正壓力或摩擦力；中間層具有多組成對的力敏單元，提供差分輸出信號；底面與機器手或器械表面粘結(jié)。所述的成對的力敏單元分別位于對稱凸起結(jié)構(gòu)兩側(cè)。具體的，如圖1和圖2所示，所述的傳感器包括：上層柔性基底1、力敏結(jié)構(gòu)層2和下層柔性襯底3，所述的力敏結(jié)構(gòu)層2包括從上到下的上部電極層201、底部電極層202和柔性壓阻材料層203。所述的力敏結(jié)構(gòu)層2固定在上層柔性基底1和下層柔性襯底3之間，下層柔性襯底3的下表面粘接在機器手或器械表面進行固定，上層柔性基底1的上表面具有微結(jié)構(gòu)，用于直接承載和傳遞作用力。

所述上層柔性基底1的上表面存在等間距的微結(jié)構(gòu)陣列，所述微結(jié)構(gòu)之間的間距為10～500μm，微結(jié)構(gòu)的截面為矩形或梯形，如圖3所示。整個上層柔性基底1通過澆筑、納米壓印或光刻等工藝制備在所述的力敏結(jié)構(gòu)層2上。上層柔性基底1的上表面微結(jié)構(gòu)可增大摩擦，整體傳遞壓力和摩擦力，計算滑移速度。所述的上層柔性基底1可由環(huán)氧樹脂或PDMS材料制成，最大厚度為50～1000μm。

所述力敏結(jié)構(gòu)層2，粘附在下層柔性襯底3的上表面，呈現(xiàn)與下層柔性襯底3的上表面相同的形狀結(jié)構(gòu)。作為傳感器的感知元件感知外界作用力，由上部電極層201和底部電極層202分別附著在柔性壓阻材料層203的上下表面構(gòu)成，如圖4所示。

所述上部電極層201和底部電極層202的材料均為導(dǎo)電金屬。通過濺射或蒸鍍分別制備在柔性壓阻材料層203的上下表面形成上下電極。其中通過刻蝕、腐蝕等工藝使得上部電極層201的上電極分段不連續(xù)，只存在于對稱凸起結(jié)構(gòu)的左右兩側(cè)處，并呈對稱分布，底部電極層202連續(xù)分布于柔性壓阻材料層203的下表面，每個對稱凸起結(jié)構(gòu)兩側(cè)的兩個上電極與相應(yīng)位置的下電極形成兩個對稱的力敏單元。

所述柔性壓阻材料層203，是基于石墨烯的復(fù)合壓阻材料，具有優(yōu)良的壓阻特性、遲滯性能、柔性和可加工性，對輕微振動有良好的壓敏效應(yīng)，可檢測出高頻低振幅的力信號。在受到壓應(yīng)力時壓阻材料中石墨烯片層間間距減小，隧道電流增強，電阻減??；反之，電阻增大。

所述下層柔性襯底3的上表面具有周期性的對稱凸起結(jié)構(gòu)，如等腰三角形、等腰梯形或拋物線形等對稱形狀。力敏結(jié)構(gòu)層2的底部電極層202粘接在所述的下層柔性襯底3的上表面，使得力敏結(jié)構(gòu)層2形成與所述的周期性對稱凸起結(jié)構(gòu)相同的形狀，并且所述的上部電極層201的上電極位于所述的凸起結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，兩側(cè)的上電極與相應(yīng)位置的下電極之間形成一組成對的力敏單元。下層柔性襯底3下表面與機器手或器械表面通過微連接工藝進行粘接。所述的下層柔性襯底3的最大厚度h為500～2000um，如圖1所示。

本發(fā)明的工作原理：

該傳感器是基于壓阻效應(yīng)制成的柔性矢量觸滑覺復(fù)合傳感器。如圖1所示，上層柔性基底1將水平方向的摩擦力和豎直方向的壓力傳導(dǎo)給力敏結(jié)構(gòu)層2。由于力敏結(jié)構(gòu)層2的壓阻效應(yīng)和下層柔性襯底3的對稱凸起結(jié)構(gòu)，對稱凸起結(jié)構(gòu)兩側(cè)的上電極與下電極間分別存在兩個等效電阻R₁和R₂。如圖5所示，力的作用下使得R₁和R₂阻值改變。

法向壓力傳感原理：法向壓力通過上層柔性基底1豎直向下傳導(dǎo)給力敏結(jié)構(gòu)層2，在正壓力的作用下，對稱凸起結(jié)構(gòu)兩側(cè)被等量壓縮，則等效電阻R₁和R₂同時減小，電壓輸出變大，且增大值相同，增大量與壓力大小有關(guān)。求和輸出后即可計算出正壓力值?？赏ㄟ^多個力敏單元的輸出信號綜合判定正壓力分布情況。

矢量靜摩擦傳感原理：水平方向的靜摩擦力Fx通過帶有微結(jié)構(gòu)的上層柔性基底1將力傳導(dǎo)給力敏結(jié)構(gòu)層2，在水平力的作用下，不同部位柔性壓阻材料層203的電阻值發(fā)生不同的變化，即可計算出靜摩擦力大小和方向?，F(xiàn)以一處三角形凸起結(jié)構(gòu)力敏結(jié)構(gòu)層2為例說明。當(dāng)靜摩擦力水平向右時，三角形凸起結(jié)構(gòu)左側(cè)力敏單元被壓縮，右側(cè)力敏單元被拉伸，左側(cè)力敏單元的等效電阻R₁減小至R₁＇，右側(cè)力敏單元的等效電阻R₂增大至R₂＇，如圖5所示；當(dāng)靜摩擦力水平向左時，左側(cè)力敏單元被拉伸，右側(cè)力敏單元被壓縮，左側(cè)力敏單元的等效電阻R₁增大，右側(cè)力敏單元的等效電阻R₂減?。幻總€力敏單元的等效電阻的阻值增減大小相同，其差分電壓輸出為一與摩擦力大小相關(guān)的恒定值。通過差分電壓輸出的大小和正負(fù)即可判斷水平方向靜摩擦力的大小與方向。

滑動速度檢出方式：由于上層柔性基底1的上表面存在微結(jié)構(gòu)，被夾持物與傳感器表面發(fā)生滑移時實際上是接觸-分離-接觸的循環(huán)狀態(tài)，接觸時電壓差分輸出高電位，分離時電壓差分輸出低電位，此時差分輸出是一個與微結(jié)構(gòu)周期和相對滑移速度相關(guān)的交流信號。當(dāng)微結(jié)構(gòu)周期確定，則力敏單元電壓輸出的頻率與滑動速度成正比，且可通過多個力敏單元的輸出信號綜合判定滑動的速度和滑動摩擦力的大小。

本發(fā)明提供的柔性矢量觸滑覺復(fù)合傳感器的制備方法為：先將上部電極層201和底部電極層202粘接在柔性壓阻材料層203的上下兩個表面；然后將底部電極層202粘接在下層柔性襯底3的上表面，使得力敏結(jié)構(gòu)層1呈現(xiàn)與下層柔性襯底3的上表面相同的結(jié)構(gòu)；最后將上層柔性基底1澆筑、納米壓印或光刻方式制備在力敏結(jié)構(gòu)層2上。