[发明专利]基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置及制备方法，在柔弹性圆柱体圆柱形表面沿轴向等间隔设置4*N个拉伸应变敏感单元，并以此构成差分结构电子胡须式触觉传感装置。制备工艺基于旋涂工艺和硅橡胶流体成型技术。本发明基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置为柔性触觉传感器实现不同方向切向力和法向力检测提供一种可行性设计方案。

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及一种基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置及其制备方法。

技术背景

“触觉”作为人类五大感官之一，在人们认知过程中发挥重要作用，随着智能机器人的飞速发展及在各行业应用中不断渗透，科学家希望能通过在智能机器人上设置类似人类皮肤功能的电子皮肤，从而让智能机器人可以获取“触觉”信息，可以像人类一样感知外界环境信息并作出响应。智能机器人拥有触觉感知功能对于实现人机安全交互、“软”抓取等具有重要意义，在航空航天、医疗健康、工业生产、教育娱乐等诸多领域具有显著的应用价值。

不同于传统的刚性传感器，为了保证操作灵巧性、灵活性，电子皮肤在外形需要具备柔性特点，为此，具有柔性特点的触觉传感器成为国内外科研工作者的研究热点之一。

目前，柔性触觉传感器得到相关领域学者的重视，并取得了一定的研究成果，按照触觉敏感机理柔性触觉传感器大致可以分为电阻式、电容式和压电式等几类，其中，电阻式柔性触觉传感器具有制备工艺简单、信号易处理等优点而得到广泛应用。

“仿生”是柔性触觉传感器设计主要灵感之一，借鉴大自然中生物自身的独特结构可以设计仿生触觉传感器，“胡须”作为人类、动物等一种重要的触觉感知方式，其结构特点和感知机理同样可以应用于柔性触觉传感器设计。

发明内容

本发明的目的是要提供一种基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置及其制备方法，该触觉传感器结构简单、灵敏度高，可以检测不同方向的切向力和法向力。

本发明的技术方案是：

基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置包括一个柔弹性圆柱体(1)和4*N个拉伸应变敏感单元(2)，N为不小于1的整数；各拉伸应变敏感单元(2)在预拉伸状态下沿柔弹性圆柱体(1)轴向方向等间隔粘接在柔弹性圆柱体(1)表面，且各拉伸应变敏感单元(2)互不接触；处于预拉伸状态下的拉伸应变敏感单元(2)长度小于柔弹性圆柱体(1)的长度，拉伸应变敏感单元(2)两端面与柔弹性圆柱体的两端面之间有一定距离。

基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置的制备方法，

步骤1：拉伸应变敏感单元的制备

首先，将质量比1:2、质量分数6％～9％的石墨烯和炭黑导电填料分散于石脑油分散剂中，超声分散30分钟后磁力搅拌30分钟，然后加入硅橡胶母体再磁力搅拌30分钟，得到分散均分的石墨烯、炭黑和硅橡胶悬浮液；

其次，设定旋涂参数时间为2分钟，旋涂速率为500rpm，通过旋涂工艺制备厚度为50μm的拉伸应变敏感单元，经过旋涂后的石墨烯、炭黑和硅橡胶复合导电材料置入60℃真空干燥箱2小时固化成膜；

最后，将石墨烯、炭黑和硅橡胶复合导电薄膜裁剪成所需尺寸，即可获得拉伸应变敏感单元；

步骤2：柔弹性圆柱体的制备

将硅橡胶注入圆柱形的模具中，室温固化后脱模，裁剪成所需尺寸的柔弹性圆柱体，对4*N个拉伸应变敏感单元施加相同应变，然后通过硅橡胶沿柔弹性圆柱体轴向方向粘接于柔弹性圆柱体表面，固化后即可获得所述基于拉伸应变敏感单元的电子胡须式触觉传感装置。

所述4*N个拉伸应变敏感单元(2)中以柔弹性圆柱体(1)中轴线相互对称的两个拉伸应变敏感单元(2)构成一对差分结构。

所述的柔弹性圆柱体(1)以硅橡胶为材质。