一种多方向性电容式滑觉传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及传感器技术领域，更具体地说，是一种用于智能机器人仿生皮肤的多方向性电容式滑觉传感器。
【背景技术】
[0002]机器人触觉传感技术是实现智能机器人的关键技术之一，触觉传感器是机器人与环境直接作用的必须媒介，是模仿人手使之具有触觉、滑觉、热觉等感知功能。目前，国内外对触觉的研究主要集中在力触觉方面，不断创新触觉力检测模型、优化力触觉算法在柔性、纹理复现装置上的应用，使得这些装置能够较好地再现虚拟场景物体的柔性、纹理力触觉特性，而对滑觉信息感知的研究仍较少。滑觉检测是机器人实现软抓取的关键环节，滑觉信息的可靠感知是机器人在复杂多元环境下完成预定抓取功能的可靠保障。常用的滑觉传感器按其检测机理不同主要包括:压阻式、光纤式、压电式、磁敏式和电容式滑觉传感器等。
[0003]美国阿克伦大学的Vatani Morteza等人基于多壁碳纳米管/聚合物复合材料设计了一种滑触觉传感器，压阻式滑触觉传感器存在体积大、不易集成且压敏电阻漏电流不稳定等缺点。西安金和光学科技有限公司杜兵提了一种光纤式滑觉传感装置，具有结构简单、设计合理及抗电磁干扰能力强等优点，然而光纤式滑觉传感器在两向力以上共同作用时，很难保持线性关系，且存在标定困难、精度难以提高等优点。日本Shouhei Shirafuji等人将PVDF压电薄膜嵌入到弹性仿生皮肤中实现滑觉信息感知，通过调节作用力大小实现软抓取功能。燕山大学的陈卫东等人提出了一种基于PVDF膜和光电原理的触滑觉传感器，可得到触觉、滑觉响应曲线，并确定了判定滑动信号的阈值。压电式滑触觉传感器的应用最为广泛，能同时检测滑觉信息与触觉信息，然而滑觉信息与触觉信息的分离存在一定难度，且电压式滑触觉传感器同时存在压电响应与热电响应。Yuriy P.Kondratenko等人介绍了一种磁敏式检测滑觉距离与振幅的结构模型，然而，磁敏式触觉传感器各触觉传感点一致性差，磁场分布不均，分辨率不易提高。
[0004]电容式滑觉传感器因具有动态范围广，良好的线性响应，动态响应快、结构简单等显著优点而得到广泛应用。智能机器人在抓取未知属性物体时，必须根据滑触觉传感器检测信号实时调节施加夹持力的大小，既要保证不会因夹持力不足导致物体滑动又要保护物体不被损坏，即实现软抓取功能。
[0005]为此，一种检测滑觉信息且配合触觉传感器实现闭环控制系统的滑觉传感器的研究显得尤为重要。
【实用新型内容】
[0006]本新型的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种多方向性电容式滑觉传感器，旨在解决智能机器人软抓取过程中滑觉信息的感知问题，提高灵敏度。
[0007]本新型采用如下技术方案:
[0008]多方向性电容式滑觉传感器，包括一方形柔性基体，在其上表面四个角分别设置一上下表面贯通的方柱体，所述方柱体朝内的两相邻表面设有柔性感应极板；在柔性基体中心处设有一圆柱形触干，且触干壁上附四个各成直角、内部设有柔性公共极板的矩形体；在方柱体上面设有柔性上基板，柔性上基板与柔性基体平行、等尺寸且中心处留有上下贯通圆，在触干上表面设置一防滑橡胶触头。
[0009]本新型的有益效果是:
[0010]1、本新型电容式滑觉传感器具有结构简单、设计合理、加工制作方便、成本低且高灵敏度。
[0011 ] 2、本新型电容式滑觉传感器整体上具有柔性，与传统滑觉传感器相比，本新型电容式滑觉传感器为四个独立的差分式电容式滑觉传感器，提高了其检测灵敏度。
[0012]3、本新型电容式滑觉传感器其检测方向不在局限于单一方向，根据八个平行板电容传感器输出电容值变化的特点可以判断滑觉发生的方向。
[0013]4、本新型电容式滑觉传感器极板引线可引至柔性基体面，易于构成电容式滑觉传感器阵列，实现大面积、高分辨率滑觉感知功能。
[0014]5、本新型电容式触觉传感器通过调节圆柱形触干半径、柔性公共极板距柔性基体的距离、柔性公共极板与两侧柔性感应极板的距离等参数可以改变该电容式滑觉传感器的灵敏度，进一步扩展了其应用范围。
【附图说明】
[0015]图1是本新型电容式滑觉传感器的整体立体图；
[0016]图2是本新型电容式滑觉传感器的拆分立体图；
[0017]图3是本新型电容式滑觉传感器的圆柱形触干与四个各成直角排列的矩形体；
[0018]图4是本新型电容式滑觉传感器的不加柔性上基板时俯视图；
[0019]图5是是本新型电容式滑觉传感器初始时电容等效示意图；
[0020]图6是本新型电容式滑觉传感器在X轴方向滑动时电容变化示意图；
[0021]图7是本新型电容式滑觉传感器在Y轴方向滑动时电容变化示意图；
[0022]图8是本新型电容式滑觉传感器在与X轴方向成45°滑动时电容变化示意图；
[0023]图9是本新型电容式滑觉传感器具体实施案例中尺寸参数示意图；
[0024]图10 (a)、(b)是本新型电容式滑觉传感器柔性上基板和方形柔性基体模具；
[0025]图11是本新型电容式滑觉传感器矩形体、柔性公共极板和圆柱形触干模具；
[0026]图12是本新型电容式滑觉传感器方柱体模具；
[0027]图13是本新型电容式滑觉传感器检测滑动信号时实验结果。
[0028]图中标号:1防滑橡胶触头；2柔性上基板；3方柱体；4柔性感应极板；5矩形体；6方形柔性基体；7圆柱形触干；8柔性公共极板。
【具体实施方式】
[0029]如图1和图2所示，本实施例电容式滑觉传感器的结构为:设置一方形柔性基体6，在其上表面四个角分别设置一上下表面贯通、朝向内侧的两相邻表面留有柔性感应极板4的方柱体3 ;在其中心处放置一圆柱形触干7，且触干壁上附四个各成直角、内部留有柔性公共极板8的矩形体5 ;在方柱体上表面设置一与柔性基体等尺寸且中心处留有上下贯通圆的柔性上基板2 ;在触干上表面设置一防滑橡胶触头1 ;
[0030]方柱体3直角边分别与方形柔性基体6直角边共面，呈田字形排列，方柱体3其余两面均留有柔性感应极板4，方形柔性基体6的边长大于两倍的方柱体3边长；
[0031]在方形柔性基体6上表面中心处设置一圆柱形触干7，圆柱形触干7其高度与方柱体3相同，如图3所示，在圆柱形触干7壁上外切四个各成直角分布的矩形体5，矩形体5高度小于圆柱形触干7高度且其高度中心点与圆柱形触干7中心点共面；
[0032]如图4所示，在矩形体5内部几何中心处设置一柔性电极8，柔性电极8由矩形体5包裹，每个矩形体两侧有两个非接触的方柱体3，且与方柱体3 —对应面平行；
[0033]在方柱体3与圆柱形触干7上表面设置一与方形柔性基体6等尺寸且中心留有上下贯通圆的柔性上基板2，柔性上基板2中心圆的半径大于圆柱形触干1的半径，矩形体5上下表面与柔性上基板2和方形柔性基体6均非接触；在圆柱形触干7上表面设置一防滑橡胶触头1，防滑橡胶触头1高出柔性上基板2上表面。
[0034]所述柔性感应电极的高度大于所述柔性公共极板的高度。
[0035]所述四个柔性公共极板绕所述圆柱形触干呈直角排列，所述柔性公共极板与柔性上基板、方形柔性基体和柔性感应极板非接触。
[0036]所述柔性感应极板和柔性公共极板以有机硅导电银胶为材质。
[0037]所述柔性基体、柔性上基板、上下表面贯通的方柱体、圆柱形触干、矩形体及防滑橡胶触头均以硅橡胶为材质。
[0038]本新型电容式滑觉传感器的结构模型可等效为四个呈田字形排列的差分式平行板电容，提高了滑觉传感的灵敏度；同时，根据四个电容值的变化特点可以判断滑动的方向，其检测方向不再局限于单一方向。其检测机理为:在X轴方向或Y轴方向发生滑动时，在防滑橡胶触头带动下圆柱形触干发生倾斜，由于柔性感应极板面积大于柔性公共极板面积，与滑动方向平行的两个柔性公共极板组成的两个差分式电容传感器极板间隙和等效极板面积认为未发生变化，对应电容式传感器输出不变，相应地，与滑觉方向垂直的两个公共极板构成的差分式电容传感器相当于变极板间隙，导致一个电容值增加，一个电容值减小。
[0039]电容极板引线可引至柔性基体面，易于构成电容式滑觉传感器阵列，实现大面积、高分辨率滑觉感知功能。
[0040]滑橡胶触头略高于柔性上基板，在摩擦力的作用下带动圆柱形触干发生倾斜，与此同时，与圆柱形触干相切的矩形体发生相应位移，与柔性感应极板共同构成变极板间隙式电容式传感器，从而实现滑觉检测的目的。
[0041]本新型电容式滑觉传感器制作工艺主要是基于3D打印技术与硅橡胶流体成型技术。利用SolidWorks或AutoCAD等三维建模软件设计出本新型电容式滑觉传感器结构所需各部分模具，将硅橡胶注入模具成型，待材料固化后脱模取出即得本新型电容式滑觉传感器各部分组件，最后将各个期间组装到一起即可。
[0042]为了保证本新型电容式滑觉传感器具有一定的柔软性，在一定程度上具备可拉伸性等特点，所述柔性感应极板4和柔性公共极8选用南京喜力特胶粘剂有限公司的YC-02型有机硅导电银胶为材质，YC-02型有机硅导电银胶甲、乙组分按质量比10:1均匀混合后室温下可自行固化，且固化后具有良好的导电性、可拉伸性及柔软性等优点。方形柔性基体
6、柔性上基板2、上下表面贯通的方柱体3、圆柱形触干7、矩形体5及防滑橡胶触头1选用中