[发明专利]基于电涡流与压电原理耦合的三维力柔性触觉传感器

说明书

本发明涉及一种基于电涡流与压电原理耦合的三维力柔性触觉传感器，包括中空结构的四棱台状的本体及位于本体内的单个激励线圈；四棱台的侧面由PVDF薄膜合围而成；四棱台的顶面由金属薄层构成；四棱台的底面由柔性基底构成；所述激励线圈为平面螺旋结构且位于金属薄层的正下方；所述激励线圈输入正弦交变电流，输出阻抗信号。本发明利用电涡流式触觉传感的动态响应范围大以及压电式触觉传感高灵敏度的优点，通过微加工技术进行加工制造，实现结构简单、尺寸轻小、检测接触力的目的，可在仿生机械手、人工假肢等领域应用。

技术领域

本发明属于触觉传感领域，涉及一种基于电涡流与压电原理耦合的三维力柔性触觉传感器。

背景技术

触觉是生物体与外界接触时的重要感觉，人类可以利用这种感觉来感受物体的形状、纹理、质量和温度等，由于智能化是未来机器人发展的重要方向，机器人需要可靠的触觉感测能力以在非结构化和复杂环境中精确且适当地操纵物体，触觉传感技术的发展和应用是智能化机器人发展领域中重要的一部分，被广泛应用于医疗康复、健康检测、机械抓取和安全测量等诸多领域。目前触觉传感器的工作原理主要包括电容式、压电式、电涡流式和电阻式等。其中压电式和电涡流式应用较广。压电式触觉传感器灵敏度高、稳定性好，电涡流式触觉传感器具有动态响应范围大、线性输出的优点。

对于触觉传感器来说，大响应范围和高灵敏度是两个很重要的衡量指标，而这两者之间的关系是此消彼长。目前大多数触觉传感器大多是基于其中一种原理，这使传感器无法同时兼顾大响应范围和高灵敏度，限制了触觉传感器在实际中的应用。并且对于应用在仿生机械手、人工假肢等领域的触觉传感来说，不仅要具备大响应范围和高灵敏度，还需要具有尺寸轻小、结构简单和可弯曲的特点。

因此，设计出一种满足上述特点的触觉传感器具有十分重要的意义。

发明内容

为实现触觉传感器响应范围大、灵敏度高、尺寸小的要求，本发明提供一种基于电涡流与压电原理耦合的三维力柔性触觉传感器。

为达到上述目的，本发明采用的方案如下：

基于电涡流与压电原理耦合的三维力柔性触觉传感器，包括中空结构的四棱台状的本体及位于本体内的单个激励线圈；四棱台的侧面由PVDF薄膜合围而成；四棱台的顶面由金属薄层构成；四棱台的底面由柔性基底构成；所述激励线圈为平面螺旋结构且位于金属薄层的正下方；所述PVDF薄膜在压力作用下能够发生形变；所述激励线圈输入正弦交变电流，输出阻抗信号。

PVDF薄膜受力变形后表面产生电荷，改变传感器内部磁场，所述激励线圈的阻抗信号直接接入信号处理电路，经电路处理后输出感应电压。触觉传感器尺寸方面需要小和薄，根据电涡流原理，当在金属薄层上产生涡流时会有集肤层深度，通过仿真实验及传感器的应用需求，设置线圈与金属薄层之间的初始距离为500微米。当接触力施加在传感器上时，激励线圈和金属薄层之间的距离变小，PVDF薄膜发生形变。

作为优选的技术方案：

如上所述的基于电涡流与压电原理耦合的三维力柔性触觉传感器，单个激励线圈与柔性基底的上表面用液态硅胶粘合(铜线圈所在载体的另一侧与柔性基底粘合)。金属薄层与PVDF薄膜围成的侧面之间用液态硅胶粘合。

如上所述的基于电涡流与压电原理耦合的三维力柔性触觉传感器，金属薄层在压力作用下能够发生形变。

如上所述的基于电涡流与压电原理耦合的三维力柔性触觉传感器，金属薄层为具有一定厚度的层状结构，所述层状结构的俯视图为矩形，上下表面呈波纹状。仿人体皮肤中的乳突纹线和迈纳斯小体，增大传感器与接触物表面的最大静摩擦力，提高传感器的灵敏度和响应速度。

如上所述的基于电涡流与压电原理耦合的三维力柔性触觉传感器，金属薄层是将铜粉或铝粉与液态硅胶以10:1的混合比混合后倒入模具中，并在常温下静置3小时待凝固制得。这种配比既可以使金属薄层具有金属性质，也可以使金属薄层具有柔性，能够弯曲变形。