[发明专利]一种基于压电薄膜的柔性触觉传感器及其信号处理系统

说明书

本发明涉及一种基于压电薄膜的柔性触觉传感器及其信号处理系统，该柔性触觉传感器包括金属基板以及从内到外依次设置于金属基板两面的压电薄膜、柔性体和防护层，金属基板的两面均设置有金属电极和凸起，柔性体设有齿状结构层。与现有技术相比，本发明通过凸起在弹性的作用下使压电薄膜不断产生振动，传感信号得到重复，通过柔性体的齿结构层使压电薄膜可以第一时间接触到传感信号，降低了信号的滞后性，同时提高了感知功能，能够准确的识别压力大小与方位，量程0‑1800kpa，涵盖了人机交互的整个范围，信号处理系统具有良好的稳定性与灵敏度，能够为智能机器人提供及时、准确的外界触觉和压觉信息，对于智能机器人的研究具有重要意义。

技术领域

本发明涉及压电式触觉传感器技术领域，尤其是涉及一种基于压电薄膜的柔性触觉传感器及其信号处理系统。

背景技术

压电材料是实现机械能与电能之间转换的重要的功能材料。

常用的压电陶瓷材料具有压电性能优良、介电损耗低和机电藕合系数大等优点，被广泛应用于压电换能器、传感器等方面。

基于压电陶瓷的压电薄膜拥有独一无二的特性，作为一种动态应变传感器，非常适合应用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号监测。一些薄膜元件灵敏到足以隔着外套探测出人体脉搏。

当拉伸或弯曲一片压电聚偏氟乙烯PVDF高分子膜(压电薄膜)，薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号(电荷或电压)，并且同拉伸或弯曲的形变成比例。一般的压电材料都对压力敏感，但对于压电薄膜来说，在纵向施加一个很小的力时，横向上会产生很大的应力，而如果对薄膜大面积施加同样的力时，产生的应力会小很多。因此，压电薄膜对动态应力非常敏感。

压电薄膜很薄，质轻，非常柔软，可以无源工作，因此可以广泛应用于医用传感器，尤其是需要探测细微的信号时。显然，该材料的特点在供电受限的情况下尤为突出，而且压电薄膜极其耐用，可以经受数百万次的弯曲和振动。

压电薄膜之所以即能探测非常微小的物理信号又能感受到大幅度的活动，是因为PVDF膜的压电响应在相当大的动态范围内都是线性的多数情况下，只要能明显区分目标信号和噪声的带宽，细小的目标信号都可以通过过滤器采集到。

目前现有的触觉传感器虽分辨率较高但量程普遍较小，仅能测量十几牛甚至只是几牛的压力，压觉传感器能够测量几兆帕的压力，但在小量程段测量精度不足。

触觉传感器有助于检测材料质量和重建触觉感知。从而，它可在未知环境中为精细操纵，路径规划和障碍物避免提供可靠数据。随着人机交互的应用越来越多，触觉传感器需要具备较好的柔性。

目前研究出的柔性传感器主要是基于柔性基底制备的，还不能完全像人类皮肤一样弯曲及富有弹性。

目前市面上急需要根据触压觉传感结构特点设计一种高效、可靠的传感信号提取系统，消除各传感单元间的交叉干扰，提高传感信号的提取速率与稳定性。

最后是成本问题，低成本、耐磨损、具有高重复性和低滞后性的传感器才能够成功进入市场。

因此，针对上述缺陷，迫切需要寻找一种新的触觉传感器及其信号处理系统，以获量程高、精度高、柔性好、低成本、耐磨损、具有高重复性和低滞后性的触觉传感器。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种量程高、精度高、柔性好、低成本、耐磨损、具有高重复性和低滞后性的基于压电薄膜的柔性触觉传感器以及具有高效、可靠的信号处理系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于压电薄膜的柔性触觉传感器，包括金属基板以及从内到外依次设置于金属基板两面的压电薄膜、柔性体和防护层，金属基板的两面均设置有金属电极和凸起。