触觉传感器.pdf

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010183532.9 (22)申请日 2020.03.16 (71)申请人 吉林大学 地址 130022 吉林省长春市南关区人民大 街5988号 (72)发明人 韩志武张昌超张俊秋牛士超 孟宪存刘林鹏薛浩李玉姣 王大凯孙涛 (74)专利代理机构 深圳市君胜知识产权代理事 务所(普通合伙) 44268 代理人 陈专朱阳波 (51)Int.Cl. G01L 1/20(2006.01) G01K 7/00(2006.01) (54)发明名称 一种触觉传感器 (57)摘要 本发明

2、公开了一种触觉传感器， 包括： 悬臂 平台， 所述悬臂平台上固定连接有悬臂， 所述悬 臂包括内悬臂和外悬臂， 所述内悬臂具有导电 性， 所述内悬臂内部设置有多个裂缝， 所述内悬 臂与设置在所述悬臂平台上的应力信号接收装 置电连接； 所述内悬臂和所述外悬臂固定连接， 所述内悬臂的弹性模量小于所述外悬臂的弹性 模量， 所述外悬臂远离所述内悬臂的一端设置有 接触层。 由于外悬臂的弹性模量高， 在受到应力 时产生偏转， 对于细微的应力变化也可以集中完 全地传递至内悬臂， 而内悬臂内的多个裂缝使得 内悬臂在产生微小的形变时就能够产生较大的 电阻变化， 提升了触觉传感器的感知灵敏度。 权利要求书1页 说明

3、书5页 附图3页 CN 111473895 A 2020.07.31 CN 111473895 A 1.一种触觉传感器， 其特征在于， 所述触觉传感器包括： 悬臂平台， 所述悬臂平台上固 定连接有悬臂， 所述悬臂包括内悬臂和外悬臂， 所述内悬臂具有导电性， 所述内悬臂内部设 置有多个裂缝， 所述内悬臂与设置在所述悬臂平台上的应力信号接收装置电连接； 所述内 悬臂和所述外悬臂固定连接， 所述内悬臂的弹性模量小于所述外悬臂的弹性模量， 所述外 悬臂远离所述内悬臂的一端设置有接触层。 2.根据权利要求1所述的触觉传感器， 其特征在于， 所述接触曾包括至少一个凸起， 所 述凸起为锥形。 3.根据权利要

4、求1所述的触觉传感器， 其特征在于， 所述裂缝包括多个横向裂缝和多个 竖向裂缝， 所述横向裂缝和所述竖向裂缝交错排布。 4.根据权利要求3所述的触觉传感器， 其特征在于， 所述裂缝位于所述内悬臂的中心位 置， 所述内悬臂的弹性模量由内到外逐渐增大。 5.根据权利要求1所述的触觉传感器， 其特征在于， 所述悬臂还包括过渡悬臂， 所述内 悬臂和所述外悬臂通过所述过渡悬臂连接， 所述过渡悬臂的两端分别与所述内悬臂和所述 外悬臂固定连接， 所述过渡悬臂的弹性模量小于所述外悬臂的弹性模量且大于所述内悬臂 的弹性模量。 6.根据权利要求1所述的触觉传感器， 其特征在于， 所述外悬臂上还设置有温度传感结 构

5、， 所述温度传感结构包括与所述外悬臂固定连接的支撑体以及固定在所述支撑体内部的 温度传感层， 所述悬臂平台上还设置有温度信号接收装置， 所述温度传感层和所述温度信 号接收装置电连接。 7.根据权利要求6所述的触觉传感器， 其特征在于， 所述温度传感结构还包括疏水层， 所述疏水层设置在所述支撑体远离所述外悬臂的一侧， 所述疏水层的材质为疏水材质。 8.根据权利要求6所述的触觉传感器， 其特征在于， 所述温度传感层包括两层带有金属 导电层的薄膜， 所述两层薄膜的金属导电层相对设置， 所述两层薄膜之间存在间距。 9.根据权利要求8所述的触觉传感器， 其特征在于， 所述支撑体为刚性物体。 10.根据权

6、利要求8所述的触觉传感器， 其特征在于， 所述温度传感结构设置在所述接 触层和所述外悬臂之间， 所述接触层为刚性物体。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111473895 A 2 一种触觉传感器 技术领域 0001 本发明涉及触觉传感领域， 尤其涉及一种触觉传感器。 背景技术 0002 随着智能机器的快速发展， 触觉传感也成为了智能机器的重要研究方向， 对物体 表面纹理的精准检测是机器触觉感知一直努力追求的目标， 但是， 在现有技术中， 触觉传感 器的灵敏度普遍较低， 尤其对于物体表面细小纹理的感知困难。 0003 因此， 现有技术还有待改进和提高。 发明内容 0004 本发明要解决的技术问

7、题在于， 针对现有技术的上述缺陷， 提供一种触觉传感器， 旨在解决现有技术中触觉传感器的灵敏度低的问题。 0005 为了解决上述技术问题， 本发明所采用的技术方案如下： 0006 一种触觉传感器， 所述触觉传感器包括： 悬臂平台， 所述悬臂平台上固定连接有悬 臂， 所述悬臂包括内悬臂和外悬臂， 所述内悬臂具有导电性， 所述内悬臂内部设置有多个裂 缝， 所述内悬臂与设置在所述悬臂平台上的应力信号接收装置电连接； 所述内悬臂和所述 外悬臂固定连接， 所述内悬臂的弹性模量小于所述外悬臂的弹性模量， 所述外悬臂远离所 述内悬臂的一端设置有接触层。 0007 所述的触觉传感器， 其中， 所述接触曾包括至

8、少一个凸起， 所述凸起为锥形。 0008 所述的触觉传感器， 其中， 所述裂缝包括多个横向裂缝和多个竖向裂缝， 所述横向 裂缝和所述竖向裂缝交错排布。 0009 所述的触觉传感器， 其中， 所述裂缝位于所述内悬臂的中心位置， 所述内悬臂的弹 性模量由内到外逐渐增大。 0010 所述的触觉传感器， 其中， 所述悬臂还包括过渡悬臂， 所述内悬臂和所述外悬臂通 过所述过渡悬臂连接， 所述过渡悬臂的两端分别与所述内悬臂和所述外悬臂固定连接， 所 述过渡悬臂的弹性模量小于所述外悬臂的弹性模量且大于所述内悬臂的弹性模量。 0011 所述的触觉传感器， 其中， 所述外悬臂上还设置有温度传感结构， 所述温度传

9、感结 构包括于所述外悬臂固定连接的支撑体以及固定在所述支撑体内部的温度传感层， 所述悬 臂平台上还设置有温度信号接收装置， 所述温度传感层和所述温度信号接收装置电连接。 0012 所述的触觉传感器， 其中， 所述温度传感结构还包括疏水层， 所述疏水层设置在所 述支撑体远离所述外悬臂的一侧， 所述疏水层的材质为疏水材质。 0013 所述的触觉传感器， 其中， 所述温度传感层包括两层带有金属导电层的薄膜， 所述 两层薄膜的金属导电层相对设置， 所述两层薄膜之间存在间距。 0014 所述的触觉传感器， 其中， 所述支撑体为刚性物体。 0015 所述的触觉传感器， 其中， 所述温度传感结构设置在所述接

10、触层和所述外悬臂之 间， 所述接触层为刚性物体。 说明书 1/5 页 3 CN 111473895 A 3 0016 有益效果： 与现有技术相比， 本发明提供了一种触觉传感器， 通过悬臂来传递悬臂 末端产生的应力变化， 并设置悬臂包括弹性模量高的外悬臂和弹性模量低的内悬臂， 外悬 臂在接触物体时， 由于物体表面的纹理而受到应力时， 将受到的应力传递给内悬臂， 内悬臂 的弹性模量低且具有导电性， 在受到应力时产生弯曲变形， 使得内悬臂内部的裂缝产生张 合的变化， 从而将内悬臂的内部进行分割， 产生电阻变化， 实现了将外悬臂受到的应力变化 转化为电信号， 由于外悬臂的弹性模量高， 在受到应力时不易

11、产生变形， 而是产生偏转， 对 于细微的应力变化也可以集中完全地传递至内悬臂， 而内悬臂内的多个裂缝使得内悬臂在 产生微小的形变时就能够产生较大的电阻变化， 提升了触觉传感器的感知灵敏度。 附图说明 0017 图1为本发明提供的一种触觉传感器的整体结构示意图； 0018 图2为图1中A处的另一角度放大图； 0019 图3为本发明提供的一种触觉传感器的内悬臂内的裂缝分布示意图； 0020 图4为本发明提供的一种触觉传感器中温度传感结构的整体结构示意图； 0021 图5为图4中B处的另一角度放大图。 具体实施方式 0022 为使本发明的目的、 技术方案及效果更加清楚、 明确， 以下参照附图并举实施

12、例对 本发明进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明， 并不用于 限定本发明。 0023 请参照图1-2所示， 图1为本发明提供的触觉传感器的一种实施例的整体结构示意 图， 图2为图1中A处的放大图， 所述触觉传感器包括悬臂平台100、 所述悬臂平台100上固定 连接有悬臂200， 具体地， 所述悬臂平台100上可以设置有悬臂连接架110， 所述悬臂连接架 110通过螺钉120固定在所述悬臂平台100上， 所述悬臂连接架110也可以是与所述悬臂平台 100一体式设置， 所述悬臂200与所述悬臂连接架110固定连接， 所述悬臂200包括内悬臂210 和外悬臂220，

13、所述内悬臂210和所述外悬臂220固定连接， 所述外悬臂220远离所述内悬臂 210的一端设置有接触层221， 所述接触层221用于接触待检测的物体。 0024 所述外悬臂220的弹性模量大于所述内悬臂210的弹性模量， 由于所述外悬臂220 的弹性模量较大， 所述外悬臂220由高弹性模量的材料制成， 如聚对苯二甲酸二醇酯等， 所 述外悬臂220在受到外界应力作用时不易发生变形， 所述外悬臂220可以为刚性物体； 而所 述内悬臂210的弹性模量较小， 所述内悬臂210在受到外界应力作用时易发生变形， 为柔性 物体， 所述内悬臂210具有导电性， 所述内悬臂210可以由低弹性模量的材料(如硅胶等

14、柔性 材料)与导电材料(如碳纳米管等)以及固化剂混合固化制成， 所述内悬臂210内部设置有多 个裂缝211(如图3所示)， 当所述内悬臂210产生弯曲或扭曲等形变时， 所述多个裂缝211会 随着所述内悬臂210的形变会张开或闭合， 将所述内悬臂210的内部进行分割， 使得所述内 悬臂210的电阻产生变化， 所述悬臂平台100上还设置有应力信号接收装置130， 所述应力信 号接收装置130与所述内悬臂210电连接， 接收所述内悬臂210由于电阻变化产生的电信号。 0025 如图1所示， 在使用所述触觉传感器时， 通过所述接触层221接触物体001， 在所述 物体001上划动， 当所述物体001上

15、存在纹理时， 所述接触层221上会产生上下跳动， 所述外 说明书 2/5 页 4 CN 111473895 A 4 悬臂220受到应力作用， 而由于所述外悬臂220弹性模量大， 不易产生变形， 所述外悬臂220 受到的应力不会使得所述外悬臂220产生弯曲等形变， 而是会产生偏转， 所述接触层221一 端的应力会完全集中传递至所述外悬臂220的另一端， 进而传递至于所述外悬臂220固定连 接的内悬臂210上， 而所述内悬臂210在受到应力后形变产生弯曲或扭曲， 进而使得所述内 悬臂210内部的所述多个裂缝211张开或闭合， 使得所述内悬臂210的电阻产生变化， 输出相 应的电信号至所述应力信号接

16、收装置130， 通过对接收到的电信号进行分析处理， 即可以获 取到所述外悬臂220受到的应力的情况， 进而知晓所述接触层221接触的物体的表面纹理情 况。 0026 在一种可能的实现方式中， 为了使得所述接触层221对于接触到的物体表面的反 应更灵敏， 所述接触层221包括至少一个凸起， 所述凸起可以为锥形， 即， 接触物体的一端为 尖锐端， 可以检测到更细小的纹理。 所述接触层221的弹性模量与所述外悬臂220一致或大 于所述外悬臂220， 所述接触层221可以为刚性物体， 也就是说， 所述接触层221在受到外界 应力时也不易产生形变， 这样， 当接触到物体时， 物体表面的纹理变化只会使得所

17、述接触层 221产生跳动而不会产生形变造成部分引力被形变吸收。 0027 所述外悬臂220可以为长条形， 这样， 由于杠杆效应可以对传递至所述内悬臂210 上的应力进行放大， 进一步提升所述触觉传感器的灵敏度。 0028 如图3所示， 所述内悬臂210内部的裂缝211可以包括多个纵向裂缝2111和多个横 向裂缝2112， 所述纵向裂缝2111和所述横向裂缝2112交错排布， 相对于单一方向的裂缝排 布， 所述纵向裂缝2111和所述横向裂缝2112立体式分布， 可以检测所述内悬臂210产生的横 向形变和纵向形变， 进而实现应力的三维检测， 可以更准确地判断出应力的方向， 进而提升 所述触觉传感器

18、对于物体表面问题的感应精度。 0029 更进一步地， 为了防止在使用所述触觉传感器的过程中， 所述裂缝211发生拓展， 对所述内悬臂210的强度产生影响， 对所述内悬臂210产生破坏， 所述裂缝211位于所述内悬 臂210的中心位置， 所述内悬臂210的弹性模量由内到外逐渐增大， 也就是说， 所述内悬臂 210的外表面的弹性模量大于中心位置的弹性模量， 由于弹性模量高的物质不易产生变形， 因此， 处在所述内悬臂210外表面的高弹性模量的部分会阻止处在所述内悬臂210的中心位 置的所述裂缝211进一步拓展， 破坏所述内悬臂210。 0030 在一种可能的实现方式中， 所述悬臂200还包括过渡悬臂

19、230， 所述内悬臂210和所 述外悬臂220通过所述过渡悬臂230连接， 所述过渡悬臂230的两端分别于所述内悬臂210和 所述外悬臂220固定连接， 所述过渡悬臂230的弹性模量低于所述外悬臂220的弹性模量且 大于所述内悬臂210的弹性模量， 使得所述内悬臂210和所述外悬臂220的连接之间存在弹 性模量过渡部分， 防止所述外悬臂220与所述内悬臂210之间的弹性模量相差过大导致所述 外悬臂220与所述内悬臂210产生破损或连接断裂的情况。 进一步地， 所述过渡悬臂230的弹 性模量可以从与所述内悬臂210连接的一侧至于所述外悬臂220连接的一侧逐渐升高， 使得 所述内悬臂210和所述外

20、悬臂220之间的弹性模量过渡更加平滑。 0031 在一种可能的实施方式中， 本发明提供的一种触觉传感器还具备温度感应功能， 具体地， 如图1-2所示， 所述外悬臂220上还设置有温度传感结构240， 所述温度传感结构240 可以单独设置在所述外悬臂220上， 也可以是设置在所述接触层221和所述外悬臂220之间 (图1-2示出的是所述温度传感结构240设置在所述接触层221和所述外悬臂220之间的情 说明书 3/5 页 5 CN 111473895 A 5 况)。 如图4-5所示， 图4为所述温度传感结构240的整体结构示意图， 图5为图4中B处的放大 图， 所述温度传感结构240包括与所述外

21、悬臂220固定连接的支撑体241以及固定在所述支 撑体241内部的温度传感层242， 如图1所示， 所述悬臂平台100上还设置有温度信号接收装 置140， 所述温度信号接收装置140与所述温度传感层242电连接， 接收所述温度传感层242 发出的信号。 0032 具体地， 所述温度传感层242可以是镶嵌在所述支撑体241内部， 或者， 所述支撑体 241内部可以设置有凹陷部， 所述温度传感层242设置在所述凹陷部内。 0033 为了使得所述触觉传感器能够检测潮湿物体的温度或在潮湿环境下正常工作， 所 述温度传感结构240还包括疏水层243， 所述疏水层243设置在所述支撑体241远离所述外悬

22、臂的一侧， 也就是说， 所述疏水层243将所述温度传感层242封闭在所述支撑体241内部， 所 述疏水层243的材质为疏水材质， 例如， 所述疏水层243可以由环氧树脂、 聚二甲基硅氧烷、 二氧化硅颗粒等混合固化而成， 所述疏水层243防止外界的水分进入到所述支撑体241内 部， 使得所述温度传感层231能够在潮湿的环境下正常工作。 0034 所述温度传感层242可以为现有的温度传感器， 在一种可能的实现方式中， 所述温 度传感层242包括两层薄膜245， 所述薄膜245带有金属导电层2451， 所述两层薄膜245的金 属导电层2451相对设置， 所述两层薄膜245之间存在间距， 这样， 两个

23、所述金属导电层2451 之间产生电势， 当所述温度传感层周围的环境温度发生变化时， 所述薄膜之间的间距产生 变化， 所述金属导电层2451之间的电势也会产生变化， 进而产生相应的信号， 产生的信号传 入与所述温度传感层242电连接的所述温度信号接收装置140， 通过分析所述温度传感层 242产生的电势变化产生的信号可以获取所述温度传感层242的环境温度， 实现通过所述触 觉传感器检测温度。 所述薄膜245可以为聚氯乙烯薄膜， 所述薄膜243之间的间距可以为 100-500微米， 所述金属导电层2451可以是通过在所述薄膜上镀金属颗粒(如金颗粒或银颗 粒)制成， 当然， 以上只是举例而已， 本领

24、域技术人员可以根据前面说明的温度传感层242的 工作原理选取不同的材料或参数制成所述温度传感层242。 0035 由于所述温度传感层242是根据所述薄膜245之间的间距变化检测温度的， 因此， 优选地， 所述支撑体241为刚性物体， 防止所述触觉传感器在接触到物体后， 产生的应力使 得所述支撑体241产生形变， 影响所述薄膜245之间的间距， 造成温度检测结果不准确。 同样 地， 当所述温度传感结构240是设置在所述接触层221与所述外悬臂220之间时， 所述接触层 221也优选为刚性物体， 防止所述接触层221由于应力变化产生的形变影响温度检测结果的 精确性。 0036 综上所述， 本实施例

25、提供一种触觉传感器， 通过悬臂来传递悬臂末端产生的应力 变化， 并设置悬臂包括弹性模量高的外悬臂和弹性模量低的内悬臂， 外悬臂在接触物体时， 由于物体表面的纹理而受到应力时， 将受到的应力传递给内悬臂， 内悬臂的弹性模量低且 具有导电性， 在受到应力时产生弯曲变形， 使得内悬臂内部的裂缝产生张合的变化， 从而将 内悬臂的内部进行分割， 产生电阻变化， 实现了将外悬臂受到的应力变化转化为电信号， 由 于外悬臂的弹性模量高， 在受到应力时不易产生变形， 而是产生偏转， 对于细微的应力变化 也可以集中完全地传递至内悬臂， 而内悬臂内的多个裂缝使得内悬臂在产生微小的形变时 就能够产生较大的电阻变化，

26、提升了触觉传感器的感知灵敏度。 0037 最后应说明的是： 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案， 而非对其限制； 尽管 说明书 4/5 页 6 CN 111473895 A 6 参照前述实施例对本发明进行了详细的说明， 本领域的普通技术人员应当理解： 其依然可 以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分技术特征进行等同替换； 而这些修改或者替换， 并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和 范围。 说明书 5/5 页 7 CN 111473895 A 7 图1 图2 说明书附图 1/3 页 8 CN 111473895 A 8 图3 图4 说明书附图 2/3 页 9 CN 111473895 A 9 图5 说明书附图 3/3 页 10 CN 111473895 A 10