面向仿人抓取的柔性三维触觉传感器
技术领域
本实用新型属于触觉传感器技术领域，更具体地，设计并加工了一种柔性三维触觉传感器，可部署于机械手指尖端，用于机械手的仿人抓取。
背景技术
触觉传感器测量原理主要分为压阻式，电容式，和压电式三种。此外磁感应式和光电式触觉传感器也有研究。目前利用触觉传感器来检测垂直于传感器表面的作用力很容易，在这方面的研究已经相当成熟，但是分布式柔性力触觉传感器技术还具有一定难度。柔性三维指的是触觉传感器从物理特性上具有类似于人类皮肤一样的柔性,可以覆盖在任意的载体表面测量三维力信息,从而感知目标对象的性质特征。触觉传感器是智能机器人与外界环境直接交互的重要媒介，实现具有柔性的触觉三维传感器是智能机器人的关键。
薄膜压力传感器(Force Sensing Resistor，FSR)是对压力敏感的高聚物，简称FSR。FSR薄膜传感器的压力与电阻值呈线性关系，从而可以通过测量电阻值获得压力信息，其体积小，重量轻，价格低，具有柔性，可部署于机械夹持器末端感测夹持物品，仿生机器人足下地面感测，哺乳类动物咬力测试生物实验，应用范围及其广泛。
实用新型内容
本实用新型提供了一种柔性三维触觉传感器的设计与制造方案，根据机械手仿人抓取特性，设计具有多接触面(底、左、右三面)、轻量，小型、可佩戴于机械手或机械夹持器等指端的分布式柔性三维触觉传感器。可应用于(但不限于)机械手针对不同物体形状和不同物体材质下抓取任务的多点触觉力信号采集。
本实用新型的技术方案：
面向仿人抓取的柔性三维触觉传感器，采用双面布线的方式，分为五层，第一层为上柔性非导电材料层(例如PET聚酯薄膜)；第二层为上电极层，例如采用导电银浆以喷墨打印方式在柔性非导电材料层上印刷4行导线和28个圆形电极；中间层是力敏材料层(例如石墨烯力敏油墨)，仅印刷于圆形电极处；第四层为电极层，例如采用导电银浆以喷墨打印方式在PET聚酯薄膜上印刷7列导线和28个圆形电极；最下层也是下柔性非导电材料层(例如PET聚酯薄膜)，第四层的导电银浆印刷其上。第二层和第四层可以互换。因此，传感器共有4行7列，28个传感单元，有11条输出导线，分别代表4行和7列，由此定位每个感应点。
同时，为了更好的贴合机械手，在传感器表面设有引导线，可按引导线进行弯折。另外考虑弯折处应力产生的测量误差，在弯折引导线附近对基材做镂空设计，信号采集的电极线向远离弯折线的方向避让。
使用时，力敏材料在外力作用下发生形变，使两层电极间的阻值发生改变。通过测量电阻的改变量，进而求出作用在单元上方一维力的大小。多个单元构成触觉感知阵列，通过获取多个单元电阻的变化计算出整个阵列的三维合力大小。
本传感器的示例制造过程如下：
本柔性三维传感器采用了以下材料：电极材料为导电银浆；力敏材料为石墨烯力敏油墨；基材为PET聚酯薄膜。
150°预缩PET聚酯薄膜，作为双面基底，每层厚度为50um，一层喷墨印刷28个圆形电极和4行RX-8003L导电银浆布置电路，厚度为5um，一层喷墨印刷28个圆形电极和7列RX-8003L导电银浆布置电路，厚度为5um。两层圆形电极中间喷墨印刷LMGH20-7石墨烯力敏油墨，厚度为20um。共有4行7列28个传感单元，除中间有引导线的列之间，每列传感单元圆心距7mm，有引导线传感单元圆心距8mm，最后进行整体粘合，传感器成品整体厚度为130um，传感器长58mm,列宽32mm。
本实用新型的有益效果在于：
(1)传统的单测点触觉传感器只能在一维对力的大小进行测量，本装置采用分布式、多传感单元设计方案，不仅可以测量二维平面上各点的触觉力信息，而且可以反馈受力的位置信息。
(2)根据机械手仿人抓取的特点，设计了4行7列三维传感阵列，不仅可用于机械夹持器正面抓取受力测量，而且可用于机械手仿人抓取时，测量不同姿态下指端的正面和侧面受力情况。
附图说明
图1为柔性传感器部署示意图。
图2为传感器布线与结构图。
图中：1上柔性非导电材料层；2上电极层；3力敏材料层；4下电极层；5下柔性非导电材料层。
图3为等效电阻示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施做进一步详述：
如图1柔性传感器部署示意图所示，按照引导线进行折叠，可以实现多接触面(底、左、右三面)，同时轻量，小型，可以佩戴于机械手或机械夹持器等指端，测量范围为0到50N，精度达到0.1N。
图2是传感器布线与传感器分层结构图，首先第一层是上柔性非导电材料层，例如PET聚酯薄膜。第二层是导电的上电极层，此处采用喷墨印刷导电银浆的方式构建电极层。第三层是力敏传感器层，此处以喷墨打印石墨烯力敏油墨的方式打印石力敏传感器层，第四层同第二层一样，喷墨打印导电银浆构成电极层，第五层同第一层。
图3是传感器传感单元等效电阻示意图，每个传感单元受到法向或切向压力时，上层电极和下层电极中间的力敏材料(此处是石墨烯)发生形变，从而导致传感器的等效电阻值发生变化，通过计算上下两层电极间电阻的改变量，即可得到单元上作用力的大小。多个传感单元构成触觉感知阵列，通过获取多个单元的电阻变化，计算出作用在整个感知阵列上的三维力的大小。
