本發(fā)明涉及一種復(fù)合傳感陣列，尤其是涉及機(jī)器人柔性觸覺傳感器領(lǐng)域的一種基于壓敏導(dǎo)電橡膠的柔性觸滑覺復(fù)合傳感陣列。

背景技術(shù)：
柔性觸覺傳感器是人工智能假肢或機(jī)器人手獲取外界接觸信息不可缺少的手段，根據(jù)觸覺傳感器提供的信息，智能假肢或機(jī)器人手可對目標(biāo)物體的大小、形狀、重量、軟硬及表面粗糙度等物理特性進(jìn)行感知，以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的穩(wěn)定抓取。物體在觸覺傳感器上的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致高頻率低振幅的振動(dòng)被建立起來，它可以檢測和解釋物體的滑移。由于大多數(shù)基于壓敏材料的點(diǎn)接觸式觸覺觸感器只能檢測正向接觸力，不能準(zhǔn)確檢測切向力，也不能辨別出相對運(yùn)動(dòng)與力的不同，從而無法識別物體抓取過程中的高頻率低振幅的滑移信號。因此，研究具有高靈敏度和高分辨率的分布式柔性觸滑覺復(fù)合傳感器，使其能便捷裝載在假肢或者機(jī)器人手非規(guī)則曲面的本體上，同時(shí)能準(zhǔn)確檢測三維接觸力和高頻率低振幅的滑移信號，是機(jī)器人智能化研究的關(guān)鍵技術(shù)，對康復(fù)工程領(lǐng)域具有重要意義?，F(xiàn)有技術(shù)中的傳感器采用壓敏導(dǎo)電橡膠，具有一定柔性，可以檢測三維力，但是有提出的四電極結(jié)構(gòu)，其后續(xù)數(shù)據(jù)處理方法比較麻煩，而且導(dǎo)電橡膠陣列未做填充柔性物的處理，在彎曲面上受力時(shí)容易破壞傳感器結(jié)構(gòu)。中國國家發(fā)明專利（公開號CN201210193314.9）公開了一種仿人型機(jī)器人多手指柔性三維力觸覺傳感器及其三維力檢測系統(tǒng)。該傳感器采用具有量子隧道效應(yīng)的壓敏復(fù)合材料QuantumTunnelingComposites（QTC），當(dāng)QTC不受外力施壓時(shí)，其本體為絕緣體，電阻阻值高達(dá)1k?；當(dāng)QTC受到外力施壓時(shí)，本體發(fā)生壓縮形變，QTC呈現(xiàn)導(dǎo)電特性，電阻阻值隨著壓力的增大而逐漸變小。該傳感器整體具有柔性，可以檢測三維力。但是該傳感器電極電路分為上下兩層，在長期受力過程中容易毀壞電路，而且未體現(xiàn)檢測滑移信號的功能，難以滿足智能假肢或機(jī)器人手運(yùn)動(dòng)反饋控制的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對多數(shù)觸覺傳感器只能進(jìn)行正向力檢測而無法同時(shí)檢測滑移的問題，本發(fā)明的目的是提出一種基于壓敏導(dǎo)電橡膠的柔性觸滑覺復(fù)合傳感陣列，也是一種能同時(shí)檢測三維力與滑移的分布式柔性觸滑覺復(fù)合傳感陣列，解決了多數(shù)觸覺傳感器不能同時(shí)檢測接觸力和滑移信號的問題，能夠便捷裝載在智能假肢或機(jī)器人手的非規(guī)則曲面上，用于三維接觸力和滑移信號的檢測。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：本發(fā)明包括從下至上緊密貼合的底層的柔性電極層、中間層和頂層的PDMS凸起層；中間層包括導(dǎo)電橡膠陣列與填充在導(dǎo)電橡膠陣列周圍的柔性填充物，導(dǎo)電橡膠陣列是由導(dǎo)電橡膠單元排列而成的陣列；導(dǎo)電橡膠單元正下方的柔性電極層上設(shè)有測試電極組，測試電極組與導(dǎo)電橡膠單元的陣列分布方式相同，導(dǎo)電橡膠單元與柔性電極層上的一組測試電極組的邊長相同；PDMS凸起層上設(shè)有與每個(gè)導(dǎo)電橡膠單元對應(yīng)的3×3陣列式均勻分布的九個(gè)微型凸臺結(jié)構(gòu)，九個(gè)微型凸臺結(jié)構(gòu)形成的陣列單元位于各自對應(yīng)的導(dǎo)電橡膠單元正上方。所述的導(dǎo)電橡膠單元為正方形導(dǎo)電橡膠片。所述的導(dǎo)電橡膠陣列通過常溫固化的柔性填充物粘結(jié)在一起形成。所述的導(dǎo)電橡膠陣列為2×2以上的陣列。所述的柔性電極層的測試電極組呈2×2以上的陣列分布。所述的測試電極組的組數(shù)與導(dǎo)電橡膠陣列的導(dǎo)電橡膠單元個(gè)數(shù)相同。所述的每組測試電極組均為呈正方形形狀的五電極結(jié)構(gòu)，五電極結(jié)構(gòu)由均勻分布在四角的四個(gè)直角三角形電極及其中心的正方形電極組成，處于中心的正方形電極作為公用電極；每行測試電極組的所有正方形電極通過并行布線方式的引線串聯(lián)連接后引出管腳，位于同一列上的測試電極組中位置相同的直角三角形電極通過并行布線方式的引線串聯(lián)連接后引出管腳，M行測試電極組由正方形電極引出M個(gè)管腳，N列測試電極組由直角三角形電極引出4N個(gè)管腳。所述的導(dǎo)電橡膠陣列采用日本INABA公司生產(chǎn)的Inastomer導(dǎo)電橡膠。所述的柔性電極層為雙面柔性電路板，采用聚酰亞胺薄膜作為基材。本發(fā)明的有益效果是：（1）本發(fā)明的基于壓敏導(dǎo)電橡膠的柔性觸滑覺復(fù)合傳感陣列可以檢測三維接觸力。此外，采用Inastomer導(dǎo)電橡膠，具有優(yōu)良的壓阻特性、遲滯性能、及線性度，對輕微振動(dòng)有良好的壓力敏感效應(yīng)，可以檢測高頻率低振幅的滑移信號。（2）PDMS凸起層位于觸滑覺復(fù)合傳感陣列的最外層，表面具有微型凸起結(jié)構(gòu)，而且在導(dǎo)電橡膠陣列四周填充有柔性填充物，該種設(shè)計(jì)能有效提高柔性觸滑覺復(fù)合傳感陣列的檢測靈敏度，且保護(hù)復(fù)合傳感陣列內(nèi)部的電極和引線。（3）壓敏導(dǎo)電橡膠陣列與柔性電極層均為單面接觸，較之“雙面接觸”的機(jī)構(gòu)形式，制造工藝大為簡化，接觸壓力面為壓敏導(dǎo)電橡膠面，可以有效地保護(hù)電極層，有效提高復(fù)合傳感陣列的工作穩(wěn)定性能。（4）本發(fā)明中柔性電極層上測試電極組的五電極分布結(jié)構(gòu)，較之現(xiàn)有技術(shù)中提出的“四電極結(jié)構(gòu)”，在信號采集后的數(shù)據(jù)處理中方法更加簡單。（5）本發(fā)明中柔性電極層上的電極采用分組串聯(lián)引線的方式，有效降低了觸覺傳感器的外接管腳數(shù)量，設(shè)計(jì)的導(dǎo)電橡膠單元為正方形形狀，結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，工藝更加簡單。附圖說明圖1是本發(fā)明的俯視圖。圖2是本發(fā)明的觸滑覺復(fù)合傳感陣列截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的柔性電極層示意圖。圖4是本發(fā)明的周圍填充有柔性填充物的導(dǎo)電橡膠陣列示意圖。圖5是本發(fā)明的觸滑覺復(fù)合傳感陣列單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本發(fā)明的測試電極示意圖。圖7是本發(fā)明的觸滑覺復(fù)合傳感陣列單元的測試原理示意圖。圖8是本發(fā)明的PDMS凸起層示意圖。圖中：1.PDMS凸起層，2.導(dǎo)電橡膠陣列，3.柔性填充物，4.柔性電極層，5.微型凸臺結(jié)構(gòu)，6.導(dǎo)電橡膠單元，7.測試電極。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1和圖2所示，本發(fā)明包括從下至上緊密貼合的底層的柔性電極層4、中間層和頂層的PDMS凸起層1；如圖3和圖5所示，導(dǎo)電橡膠單元6正下方的柔性電極層4上設(shè)有測試電極組7，測試電極組7與導(dǎo)電橡膠單元6的陣列分布方式相同，導(dǎo)電橡膠單元6與柔性電極層4上的一組測試電極組7的邊長相同；如圖4所示，中間層包括導(dǎo)電橡膠陣列2與填充在導(dǎo)電橡膠陣列2周圍的柔性填充物3，導(dǎo)電橡膠陣列2是由導(dǎo)電橡膠單元6排列而成的陣列；如圖5和圖8所示，PDMS凸起層1上設(shè)有與每個(gè)導(dǎo)電橡膠單元6對應(yīng)的3×3陣列式均勻分布的九個(gè)微型凸臺結(jié)構(gòu)5，九個(gè)微型凸臺結(jié)構(gòu)5形成的陣列單元位于各自對應(yīng)的導(dǎo)電橡膠單元6正上方。導(dǎo)電橡膠單元6為正方形導(dǎo)電橡膠片。四周填充有柔性填充物3的導(dǎo)電橡膠陣列2，由2×2以上具有相同的優(yōu)良壓敏特性的正方形導(dǎo)電橡膠片構(gòu)成，導(dǎo)電橡膠陣列2通過常溫固化的柔性填充物3粘結(jié)在一起形成。導(dǎo)電橡膠陣列2為2×2以上的陣列。柔性電極層4的測試電極組7呈2×2以上的陣列分布。測試電極組7的組數(shù)與導(dǎo)電橡膠陣列2的導(dǎo)電橡膠單元6個(gè)數(shù)相同。如圖6和圖7所示，測試電極組7：每組測試電極組7結(jié)構(gòu)相同，均為呈正方形形狀的五電極結(jié)構(gòu)，五電極結(jié)構(gòu)由均勻分布在四角的四個(gè)直角三角形電極及其中心的正方形電極組成，處于中心的正方形電極作為公用電極；每行測試電極組7的所有正方形電極通過并行布線方式的引線串聯(lián)連接后引出管腳，位于同一列上的測試電極組7中位置相同的直角三角形電極通過并行布線方式的引線串聯(lián)連接后引出管腳，M行測試電極組7由正方形電極引出M個(gè)管腳，N列測試電極組7由直角三角形電極引出4N個(gè)管腳，即柔性電極層4上共有M+4N個(gè)管腳。導(dǎo)電橡膠陣列2優(yōu)選采用日本INABA公司生產(chǎn)的Inastomer導(dǎo)電橡膠。本發(fā)明采用的壓敏材料的Inastomer導(dǎo)電橡膠，具有優(yōu)良的壓阻特性、遲滯性能、及線性度，對輕微振動(dòng)有良好的壓敏效應(yīng)，可檢測出高頻率低振幅的滑移信號。其的工作原理為：不受力時(shí)，導(dǎo)電橡膠其本體為絕緣體，電阻阻值高達(dá)數(shù)兆歐姆；當(dāng)受到外界壓力作用時(shí)，導(dǎo)電橡膠發(fā)生壓縮形變，由于壓阻效應(yīng)，壓縮區(qū)域的導(dǎo)電粒子彼此接近并在外界施加的電場力的作用下產(chǎn)生隧道電流；隨外界壓力的不斷增大而電阻值逐漸減小到幾歐姆。柔性電極層4為雙面柔性電路板，采用聚酰亞胺薄膜作為基材。本發(fā)明的實(shí)施例如下：根據(jù)特定應(yīng)用場合的需求，如要求的空間分辨率、三維力的量程、傳感器靈敏度、檢測精度、要求彎曲變形的程度等指標(biāo)，確定柔性觸滑覺復(fù)合傳感陣列的尺寸大小、觸滑覺復(fù)合傳感陣列傳感單元的尺寸大小以及單元間的間距。三維力的量程及靈敏度由觸滑覺復(fù)合傳感陣列傳感單元中導(dǎo)電橡膠片的大小以及五電極正方形結(jié)構(gòu)的大小和間距決定。如圖3所示，實(shí)施例的柔性電極層4的測試電極組7采用3×3的陣列分布，即柔性電極層4包含九組測試電極組7和十五個(gè)引線管腳，采用雙面柔性電路板避免引線的交叉。其中，每組測試電極組7為五電極結(jié)構(gòu)，整體呈正方形形狀，處于中心的正方形電極作為公用電極，四個(gè)直角三角形電極與中心的正方形電極的中心點(diǎn)連線互成90°，均勻分布在正方形電極的四角。柔性電極層4的引線分別將三行的中心電極串聯(lián)連接，引出對應(yīng)三行的縱向分布的三個(gè)管腳；柔性電極層4的引線分別將位于同一列上的三組測試電極組7中位置相同的直角三角形電極串聯(lián)連接，引出對應(yīng)三列的縱向分布的十二個(gè)管腳；柔性電極層4上共有十五個(gè)管腳。柔性電極層4中各電極與各管腳引線連接的布線方式采用并行布線方式。如圖4所示，實(shí)施例采用具有壓敏特性的正方形導(dǎo)電橡膠片呈3x3陣列式分布。實(shí)施例的PDMS凸起層1上的微型凸臺結(jié)構(gòu)5與導(dǎo)電橡膠單元6的個(gè)數(shù)比例為9:1，形成如圖8所示的每個(gè)導(dǎo)電橡膠單元6上對應(yīng)3x3陣列式均勻分布的九個(gè)微型凸臺結(jié)構(gòu)5。制造本發(fā)明柔性觸滑覺復(fù)合傳感陣列，首先通過柔性電路印刷技術(shù)制造柔性電極層4，利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)將高純度導(dǎo)電銀膠規(guī)則地旋涂在柔性電極層4的正方形電極上；然后將正方形導(dǎo)電橡膠片粘貼在正方形電極上；接著將柔性填充物3填充到柔性電極層4的空白部位，常溫固化成型；最后將通過模具壓印出來的PDMS凸起層1粘結(jié)在四周填充有柔性填充物3的導(dǎo)電橡膠陣列2上。這樣，就得到如圖1和圖2所示的柔性觸滑覺復(fù)合傳感陣列。本發(fā)明的三維接觸力和滑移檢測原理如下：如圖5、圖6和圖7所示，任意方向的三維力通過柔性凸起層的微型凸臺結(jié)構(gòu)5將力傳導(dǎo)給導(dǎo)電橡膠單元6，四周的柔性填充物3的彈性變形比導(dǎo)電橡膠單元6大。由于導(dǎo)電橡膠單元6的壓阻效應(yīng)以及導(dǎo)電橡膠陣列2與柔性電極層4之間的接觸電阻，存在有四個(gè)等效電阻R1、R2、R3、R4。當(dāng)導(dǎo)電橡膠單元6發(fā)生應(yīng)變時(shí)，電阻阻值將發(fā)生變化。四個(gè)電阻分別經(jīng)各自的檢測電路輸出與之對應(yīng)的電壓信號，通過以下原理轉(zhuǎn)化為對三維力Fx、Fy、Fz的測量，從而得到任意三維力。當(dāng)僅Fx作用時(shí)，因?yàn)槭艿酵瘸潭鹊膲簯?yīng)變，電阻R1、R4減??；因?yàn)槭艿酵瘸潭鹊睦瓚?yīng)力，電阻R2、R3增大，且電阻R2、R3增大幅度和電阻R1、R4減小幅度相同。即當(dāng)僅Fy作用時(shí)，因?yàn)槭艿酵瘸潭鹊膲簯?yīng)變，電阻R1、R2減?。灰?yàn)槭艿酵瘸潭鹊睦瓚?yīng)力，電阻R3、R4增大，且電阻R3、R4增大幅度和電阻R1、R2減小幅度相同。當(dāng)僅Fz作用時(shí)，因?yàn)槭艿酵瘸潭鹊膲簯?yīng)變，電阻R1、R2、R3、R4減小，且減少幅度相同。根據(jù)上述分析，可以推導(dǎo)出三維力與四個(gè)壓敏電阻阻值變化之間的關(guān)系。多次試驗(yàn)獲取三維力與四個(gè)壓敏電阻的阻值變化數(shù)據(jù)，經(jīng)過線性解耦得到三維方向的受力與四個(gè)壓敏電阻的阻值變化的線性關(guān)系，從而可以精確測量實(shí)際的三維力。此外，由于本發(fā)明采用的Inastomer導(dǎo)電橡膠具有優(yōu)良的壓阻效應(yīng)，遲滯性能低，線性度高，可以識別高頻率低振幅的滑移信號。測出三維力后，通過信號處理分析水平切向力，利用小波分析提取水平方向的高頻率低振幅的滑移突變信號，可以快速判定是否發(fā)生滑移，適用于機(jī)器人手抓取物品過程中調(diào)節(jié)握緊力的大小，實(shí)現(xiàn)握緊力動(dòng)態(tài)平衡。與現(xiàn)有基于導(dǎo)電橡膠的三維力傳感器比較，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的傳感器在測量三維力的靈敏度和精確度均提高了10%以上。上述具體實(shí)施方式用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。