一種多方向性電容式滑覺傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及傳感器技術領域，更具體地說，是一種用于智能機器人仿生皮膚的多方向性電容式滑覺傳感器。
【背景技術】
[0002]機器人觸覺傳感技術是實現(xiàn)智能機器人的關鍵技術之一，觸覺傳感器是機器人與環(huán)境直接作用的必須媒介，是模仿人手使之具有觸覺、滑覺、熱覺等感知功能。目前，國內外對觸覺的研究主要集中在力觸覺方面，不斷創(chuàng)新觸覺力檢測模型、優(yōu)化力觸覺算法在柔性、紋理復現(xiàn)裝置上的應用，使得這些裝置能夠較好地再現(xiàn)虛擬場景物體的柔性、紋理力觸覺特性，而對滑覺信息感知的研究仍較少?；X檢測是機器人實現(xiàn)軟抓取的關鍵環(huán)節(jié)，滑覺信息的可靠感知是機器人在復雜多元環(huán)境下完成預定抓取功能的可靠保障。常用的滑覺傳感器按其檢測機理不同主要包括:壓阻式、光纖式、壓電式、磁敏式和電容式滑覺傳感器等。
[0003]美國阿克倫大學的Vatani Morteza等人基于多壁碳納米管/聚合物復合材料設計了一種滑觸覺傳感器，壓阻式滑觸覺傳感器存在體積大、不易集成且壓敏電阻漏電流不穩(wěn)定等缺點。西安金和光學科技有限公司杜兵提了一種光纖式滑覺傳感裝置，具有結構簡單、設計合理及抗電磁干擾能力強等優(yōu)點，然而光纖式滑覺傳感器在兩向力以上共同作用時，很難保持線性關系，且存在標定困難、精度難以提高等優(yōu)點。日本Shouhei Shirafuji等人將PVDF壓電薄膜嵌入到彈性仿生皮膚中實現(xiàn)滑覺信息感知，通過調節(jié)作用力大小實現(xiàn)軟抓取功能。燕山大學的陳衛(wèi)東等人提出了一種基于PVDF膜和光電原理的觸滑覺傳感器，可得到觸覺、滑覺響應曲線，并確定了判定滑動信號的閾值。壓電式滑觸覺傳感器的應用最為廣泛，能同時檢測滑覺信息與觸覺信息，然而滑覺信息與觸覺信息的分離存在一定難度，且電壓式滑觸覺傳感器同時存在壓電響應與熱電響應。Yuriy P.Kondratenko等人介紹了一種磁敏式檢測滑覺距離與振幅的結構模型，然而，磁敏式觸覺傳感器各觸覺傳感點一致性差，磁場分布不均，分辨率不易提高。
[0004]電容式滑覺傳感器因具有動態(tài)范圍廣，良好的線性響應，動態(tài)響應快、結構簡單等顯著優(yōu)點而得到廣泛應用。智能機器人在抓取未知屬性物體時，必須根據(jù)滑觸覺傳感器檢測信號實時調節(jié)施加夾持力的大小，既要保證不會因夾持力不足導致物體滑動又要保護物體不被損壞，即實現(xiàn)軟抓取功能。
[0005]為此，一種檢測滑覺信息且配合觸覺傳感器實現(xiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)的滑覺傳感器的研究顯得尤為重要。
【實用新型內容】
[0006]本新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術中的不足，提供一種多方向性電容式滑覺傳感器，旨在解決智能機器人軟抓取過程中滑覺信息的感知問題，提高靈敏度。
[0007]本新型采用如下技術方案:
[0008]多方向性電容式滑覺傳感器，包括一方形柔性基體，在其上表面四個角分別設置一上下表面貫通的方柱體，所述方柱體朝內的兩相鄰表面設有柔性感應極板；在柔性基體中心處設有一圓柱形觸干，且觸干壁上附四個各成直角、內部設有柔性公共極板的矩形體；在方柱體上面設有柔性上基板，柔性上基板與柔性基體平行、等尺寸且中心處留有上下貫通圓，在觸干上表面設置一防滑橡膠觸頭。
[0009]本新型的有益效果是:
[0010]1、本新型電容式滑覺傳感器具有結構簡單、設計合理、加工制作方便、成本低且高靈敏度。
[0011 ] 2、本新型電容式滑覺傳感器整體上具有柔性，與傳統(tǒng)滑覺傳感器相比，本新型電容式滑覺傳感器為四個獨立的差分式電容式滑覺傳感器，提高了其檢測靈敏度。
[0012]3、本新型電容式滑覺傳感器其檢測方向不在局限于單一方向，根據(jù)八個平行板電容傳感器輸出電容值變化的特點可以判斷滑覺發(fā)生的方向。
[0013]4、本新型電容式滑覺傳感器極板引線可引至柔性基體面，易于構成電容式滑覺傳感器陣列，實現(xiàn)大面積、高分辨率滑覺感知功能。
[0014]5、本新型電容式觸覺傳感器通過調節(jié)圓柱形觸干半徑、柔性公共極板距柔性基體的距離、柔性公共極板與兩側柔性感應極板的距離等參數(shù)可以改變該電容式滑覺傳感器的靈敏度，進一步擴展了其應用范圍。
【附圖說明】
[0015]圖1是本新型電容式滑覺傳感器的整體立體圖；
[0016]圖2是本新型電容式滑覺傳感器的拆分立體圖；
[0017]圖3是本新型電容式滑覺傳感器的圓柱形觸干與四個各成直角排列的矩形體；
[0018]圖4是本新型電容式滑覺傳感器的不加柔性上基板時俯視圖；
[0019]圖5是是本新型電容式滑覺傳感器初始時電容等效示意圖；
[0020]圖6是本新型電容式滑覺傳感器在X軸方向滑動時電容變化示意圖；
[0021]圖7是本新型電容式滑覺傳感器在Y軸方向滑動時電容變化示意圖；
[0022]圖8是本新型電容式滑覺傳感器在與X軸方向成45°滑動時電容變化示意圖；
[0023]圖9是本新型電容式滑覺傳感器具體實施案例中尺寸參數(shù)示意圖；
[0024]圖10 (a)、(b)是本新型電容式滑覺傳感器柔性上基板和方形柔性基體模具；
[0025]圖11是本新型電容式滑覺傳感器矩形體、柔性公共極板和圓柱形觸干模具；
[0026]圖12是本新型電容式滑覺傳感器方柱體模具；
[0027]圖13是本新型電容式滑覺傳感器檢測滑動信號時實驗結果。
[0028]圖中標號:1防滑橡膠觸頭；2柔性上基板；3方柱體；4柔性感應極板；5矩形體；6方形柔性基體；7圓柱形觸干；8柔性公共極板。
【具體實施方式】
[0029]如圖1和圖2所示，本實施例電容式滑覺傳感器的結構為:設置一方形柔性基體6，在其上表面四個角分別設置一上下表面貫通、朝向內側的兩相鄰表面留有柔性感應極板4的方柱體3 ;在其中心處放置一圓柱形觸干7，且觸干壁上附四個各成直角、內部留有柔性公共極板8的矩形體5 ;在方柱體上表面設置一與柔性基體等尺寸且中心處留有上下貫通圓的柔性上基板2 ;在觸干上表面設置一防滑橡膠觸頭1 ;
[0030]方柱體3直角邊分別與方形柔性基體6直角邊共面，呈田字形排列，方柱體3其余兩面均留有柔性感應極板4，方形柔性基體6的邊長大于兩倍的方柱體3邊長；
[0031]在方形柔性基體6上表面中心處設置一圓柱形觸干7，圓柱形觸干7其高度與方柱體3相同，如圖3所示，在圓柱形觸干7壁上外切四個各成直角分布的矩形體5，矩形體5高度小于圓柱形觸干7高度且其高度中心點與圓柱形觸干7中心點共面；
[0032]如圖4所示，在矩形體5內部幾何中心處設置一柔性電極8，柔性電極8由矩形體5包裹，每個矩形體兩側有兩個非接觸的方柱體3，且與方柱體3 —對應面平行；
[0033]在方柱體3與圓柱形觸干7上表面設置一與方形柔性基體6等尺寸且中心留有上下貫通圓的柔性上基板2，柔性上基板2中心圓的半徑大于圓柱形觸干1的半徑，矩形體5上下表面與柔性上基板2和方形柔性基體6均非接觸；在圓柱形觸干7上表面設置一防滑橡膠觸頭1，防滑橡膠觸頭1高出柔性上基板2上表面。
[0034]所述柔性感應電極的高度大于所述柔性公共極板的高度。
[0035]所述四個柔性公共極板繞所述圓柱形觸干呈直角排列，所述柔性公共極板與柔性上基板、方形柔性基體和柔性感應極板非接觸。
[0036]所述柔性感應極板和柔性公共極板以有機硅導電銀膠為材質。
[0037]所述柔性基體、柔性上基板、上下表面貫通的方柱體、圓柱形觸干、矩形體及防滑橡膠觸頭均以硅橡膠為材質。
[0038]本新型電容式滑覺傳感器的結構模型可等效為四個呈田字形排列的差分式平行板電容，提高了滑覺傳感的靈敏度；同時，根據(jù)四個電容值的變化特點可以判斷滑動的方向，其檢測方向不再局限于單一方向。其檢測機理為:在X軸方向或Y軸方向發(fā)生滑動時，在防滑橡膠觸頭帶動下圓柱形觸干發(fā)生傾斜，由于柔性感應極板面積大于柔性公共極板面積，與滑動方向平行的兩個柔性公共極板組成的兩個差分式電容傳感器極板間隙和等效極板面積認為未發(fā)生變化，對應電容式傳感器輸出不變，相應地，與滑覺方向垂直的兩個公共極板構成的差分式電容傳感器相當于變極板間隙，導致一個電容值增加，一個電容值減小。
[0039]電容極板引線可引至柔性基體面，易于構成電容式滑覺傳感器陣列，實現(xiàn)大面積、高分辨率滑覺感知功能。
[0040]滑橡膠觸頭略高于柔性上基板，在摩擦力的作用下帶動圓柱形觸干發(fā)生傾斜，與此同時，與圓柱形觸干相切的矩形體發(fā)生相應位移，與柔性感應極板共同構成變極板間隙式電容式傳感器，從而實現(xiàn)滑覺檢測的目的。
[0041]本新型電容式滑覺傳感器制作工藝主要是基于3D打印技術與硅橡膠流體成型技術。利用SolidWorks或AutoCAD等三維建模軟件設計出本新型電容式滑覺傳感器結構所需各部分模具，將硅橡膠注入模具成型，待材料固化后脫模取出即得本新型電容式滑覺傳感器各部分組件，最后將各個期間組裝到一起即可。
[0042]為了保證本新型電容式滑覺傳感器具有一定的柔軟性，在一定程度上具備可拉伸性等特點，所述柔性感應極板4和柔性公共極8選用南京喜力特膠粘劑有限公司的YC-02型有機硅導電銀膠為材質，YC-02型有機硅導電銀膠甲、乙組分按質量比10:1均勻混合后室溫下可自行固化，且固化后具有良好的導電性、可拉伸性及柔軟性等優(yōu)點。方形柔性基體
6、柔性上基板2、上下表面貫通的方柱體3、圓柱形觸干7、矩形體5及防滑橡膠觸頭1選用中