假肢手穿戴式柔性觸覺傳感器及其觸覺檢測系統的制作方法與工藝

本發明涉及一種觸覺傳感器及其檢測系統，尤其涉及一種假肢手穿戴式柔性觸覺傳感器及其觸覺檢測系統。

背景技術：
觸覺傳感器是智能假肢手獲取接觸信息不可缺少的手段，根據觸覺傳感器提供的信息，智能假肢手可對目標物體進行可靠抓取,并可進一步感知它的大小、形狀、輕重、軟硬等物理特性。智能假肢手在抓取物體時由于不能獲得接觸信息而導致的抓取不可靠會帶來極大的危險。現有的應用于智能假肢手的觸覺傳感器大都只能檢測法向力，而不能檢測到切向力的大小。但切向力的檢測對抓取的可靠性有著很重要的作用。并且應用于智能假肢手的觸覺傳感器要求觸覺傳感器具有高度柔性和小型化，可以牢固貼服手指表面和集成在智能假肢手的手指中。有效的安裝方式對觸覺傳感器的可靠性同樣有著至關重要的作用。中國國家發明專利（公開號CN201210193314.9）公開了一種仿人型機器人多手指柔性三維力觸覺傳感器及其三維力檢測系統。該傳感器采用具有量子隧道效應的壓敏復合材料QuantumTunnelingComposites（QTC），當QTC不受外力施壓時，其本體為絕緣體，電阻阻值高達1k?；當QTC受到外力施壓時，本體發生壓縮形變，QTC呈現導電特性，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，而且未說明觸覺傳感器有效的安裝方式，影響觸覺傳感器的可靠性，難以滿足智能假肢手運動反饋控制的需求。

技術實現要素：
針對現有觸覺傳感器及其檢測系統在假肢手中的安裝不牢靠的問題，以及現有觸覺傳感器只是簡單的信號采集電路設計問題，本發明的目的在于提供一種假肢手穿戴式柔性觸覺傳感器及其觸覺檢測系統整體設計，解決了多數觸覺傳感器不能同時檢測三維接觸力和滑移信號的問題，能夠便利地綁定在智能假肢手的手指內部的支撐體的非規則曲面上，可用于三維接觸力和滑移信號的檢測。本發明采用的技術方案是：一、一種假肢手穿戴式柔性觸覺傳感器：從下至上緊密貼合柔性電極層、中間層以及PDMS凸起層；中間層包括具有壓敏效應的導電橡膠陣列與填充在導電橡膠陣列周圍的柔性填充物，導電橡膠陣列是由導電橡膠單元陣列排布而成，導電橡膠單元正下方的柔性電極層上設有測試電極組，測試電極組與導電橡膠單元的陣列分布方式相同，導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凸起層上設有與各個導電橡膠單元對應的微型凸臺結構，位于導電橡膠單元正上方；柔性電極層為“十”字形結構的柔性電路板，中間層以及PDMS凸起層覆蓋在“十”字形中部，測試電極組覆蓋在“十”字形中部和下側伸展邊，位于柔性電路板上側、左側和右側的伸展邊邊緣設有用于綁定傳感器的維可牢尼龍搭扣，以便穿戴在手指上。所述的每組測試電極組均為呈正方形形狀的五電極結構，五電極結構由均勻分布在四角的四個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連接后引出管腳，M行測試電極組由正方形電極引出M個管腳作為行電極，N列測試電極組由直角三角形電極引出4N個管腳作為列電極。所述的導電橡膠陣列通過常溫固化的柔性填充物粘結在一起。所述的導電橡膠陣列為3×3的陣列分布，導電橡膠單元為正方形導電橡膠片。所述的導電橡膠陣列采用日本INABA公司生產的Inastomer導電橡膠，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。二、一種假肢手穿戴式柔性觸覺檢測系統：包括所述的柔性觸覺傳感器和信號采集電路，信號采集電路包括電源轉換模塊、微處理器、運算放大電路和模擬多路選擇模塊，微處理器含有模數轉換模塊多通道ADC；所述的柔性觸覺傳感器的列電極引出的管腳分別與各自的運算放大電路的負相輸入端連接，參考電阻R兩端分別連接在運算放大電路的負相輸入端和輸出端上，運算放大電路的輸出端與微處理器中的ADC模擬信號輸入端連接；外電源連接到電源轉換模塊產生負3.3V電源電壓，模擬多路選擇模塊的多路開關輸入端與負3.3V電源電壓連接，所述柔性觸覺傳感器的行電極引出的管腳分別與模擬多路選擇模塊的各個信號輸出端連接；微處理器與模擬多路選擇模塊連接，控制其多路開關的選擇性通斷，微處理器向模擬多路選擇模塊發送通斷控制信號，將負3.3V電源電壓與所述的柔性觸覺傳感器的行電極引出的各個管腳依次先后選通；所述的柔性觸覺傳感器的列電極引出的管腳輸出電壓模擬信號，經運算放大電路放大后連接到微處理器進行AD采樣，得到電壓數字信號。所述的微處理器采用TI公司的TMS320F28069，其含有12位模數轉換器ADC，可雙采樣保持，最多有16通道信號同時采集。所述的模擬多路選擇模塊采用TI公司的TS5A3359單刀三擲常開型模擬開關。所述的運算放大電路采用TI公司的OPA656芯片。所述的電源轉換模塊采用由TI公司的TPS65135電源轉換芯片搭建而成的雙極性電源電路。本發明的有益效果是：（1）本發明的觸覺傳感器結構簡單、易于制作，有效地降低了傳感器的加工成本，并且可以同時檢測三維力和識別滑移。（2）本發明采用的觸覺傳感器具有整體的柔順彎曲性，在柔性電路板上采用維可牢尼龍搭扣結構設計，可以進行三個方向的綁定傳感器，牢靠便利地穿戴在手指表面或者手指內部的支撐體上。（3）本發明的觸覺傳感器及其檢測系統安裝在手指內部，并通過柔性PDMS凸起層與外部力接觸，能有效提高柔性觸覺傳感陣列的檢測靈敏度，且保護復合傳感陣列內部的電極和引線。（4）本發明中柔性電極層上的電極采用分組并聯引線的方式，有效降低了觸覺傳感器的外接管腳數量。其信號處理電路結構簡單、尺寸小。附圖說明圖1是本發明的俯視圖。圖2是本發明的觸覺傳感陣列截面結構示意圖。圖3是本發明的具有維可牢尼龍搭扣的柔性電極層示意圖。圖4是本發明的周圍填充有柔性填充物的導電橡膠陣列示意圖。圖5是本發明的PDMS凸起層。圖6是本發明的觸覺傳感陣列單元的結構示意圖。圖7是本發明的測試電極示意圖。圖8是本發明的觸覺傳感陣列單元的測試原理示意圖。圖9是本發明的安裝示意圖之一。圖10是本發明的安裝示意圖之二。圖11是本發明系統的連接結構示意圖。圖中：1.PDMS凸起層，2.導電橡膠陣列，3.柔性填充物，4.柔性電極層，5.微型凸臺結構，6.導電橡膠單元，7.測試電極組，8.維可牢尼龍搭扣，9.行電極，10.列電極。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。本發明的觸覺傳感器如圖1所示：如圖2所示，本發明包括從下至上緊密貼合柔性電極層4、中間層以及PDMS凸起層1；如圖3所示，柔性電極層4為“十”字形結構的柔性電路板，中間層以及PDMS凸起層1覆蓋在“十”字形中部，測試電極組7覆蓋在“十”字形中部和下側伸展邊，位于上側、左側和右側的伸展邊邊緣設有用于綁定傳感器的維可牢尼龍搭扣8，以便牢靠地穿戴在智能假肢手指表面上或者智能假肢手指內部的支撐體上；如圖4所示，中間層包括具有壓敏效應的導電橡膠陣列2與填充在導電橡膠陣列2周圍的柔性填充物3，導電橡膠陣列2是由導電橡膠單元6陣列排布而成；如圖5所示，PDMS凸起層1上設有與各個導電橡膠單元6對應的微型凸臺結構5；如圖6所示，微型凸臺結構5位于導電橡膠單元6正上方，導電橡膠單元6正下方的柔性電極層4上設有測試電極組7，測試電極組7與導電橡膠單元6的陣列分布方式相同，導電橡膠單元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9和圖10所示本發明的安裝示意圖。本發明的柔性電極層4為柔性電路板，一般常用的采用聚酰亞胺薄膜作為基材，柔性電極層除了下測的三個伸展邊上采用維可牢尼龍搭扣設計，維可牢尼龍搭扣結構由一面帶小勾子的織物，和另一面帶小毛絨絨圈的織物組成，兩面具有“一碰即粘合，一扯即可分開”的特性。傳感器通過維可牢尼龍搭扣8進行三個方向的綁定，可以牢靠便利地穿戴在在智能假肢手指表面上或者智能假肢手指內部的支撐體的非規則曲面上。如圖3所示，每組測試電極組7均為呈正方形形狀的五電極結構，五電極結構由均勻分布在四角的四個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個管腳作為行電極9，N列測試電極組7由直角三角形電極引出4N個管腳作為列電極10。如圖6所示，由一組測試電極組7及覆蓋在其上方的導電橡膠單元6和微型凸臺結構5組成了觸覺傳感陣列單元。四周填充有柔性填充物3的導電橡膠陣列2，可由3×3具有相同的壓敏特性的正方形導電橡膠片構成，導電橡膠陣列2通過常溫固化的柔性填充物3粘結在一起形成。測試電極組7的組數與導電橡膠陣列2的導電橡膠單元6個數相同，柔性電極層4的測試電極組7也呈3×3的陣列分布。導電橡膠陣列2采用日本INABA公司生產的Inastomer導電橡膠，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。根據特定應用場合的需求，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，確定柔性觸覺傳感陣列的尺寸大小、觸覺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覺傳感陣列傳感單元中導電橡膠片的大小以及五電極正方形結構的大小和間距決定。傳感器的制造過程如下所述：首先通過柔性電路印刷技術制造柔性電極層4，利用絲網印刷技術將高純度導電銀膠旋涂在柔性電極層4的測試電極組7上；然后將正方形導電橡膠片粘貼在測試電極組7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；最后將通過模具二次壓印出來的PDMS凸起層1粘結在四周填充有柔性填充物3的導電橡膠陣列2上。這樣，就得到如圖1和圖2所示的柔性觸覺傳感陣列。本發明的三維接觸力和滑移檢測原理如下：如圖6、圖7和圖8所示，任意方向的三維力通過PDMS凸起層1的微型凸臺結構5將力傳導給導電橡膠單元6，四周的柔性填充物3的彈性變形比導電橡膠單元6大。由于導電橡膠單元6的壓阻效應以及導電橡膠陣列2與柔性電極層4之間的接觸電阻，存在有四個等效電阻R1、R2、R3、R4。當導電橡膠單元6發生應變時，電阻阻值將發生變化。四個電阻分別經各自的檢測電路輸出與之對應的電壓信號，通過以下原理轉化為對三維力Fx、Fy、Fz的測量，從而得到任意三維力。當僅Fx作用時，因為受到同等程度的壓應變，電阻R1、R4減小；因為受到同等程度的拉應力，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。當僅Fy作用時，因為受到同等程度的壓應變，電阻R1、R2減小；因為受到同等程度的拉應力，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。當僅Fz作用時，因為受到同等程度的壓應變，電阻R1、R2、R3、R4減小，且減少幅度相同。根據上述分析，可以推導出三維力與四個壓敏電阻阻值變化之間的關系。多次試驗獲取三維力與四個壓敏電阻的阻值變化數據，經過線性解耦得到三維方向的受力與四個壓敏電阻的阻值變化的線性關系，從而可以精確測量實際的三維力。此外，由于本發明可采用Inastomer導電橡膠，其具有優良的壓阻效應，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生滑移，適用于機器人手抓取物品過程中調節握緊力的大小，實現握緊力動態平衡。如圖11所示，本發明的觸覺檢測系統包括所述的柔性觸覺傳感器和信號采集電路，信號采集電路包括電源轉換模塊、混合信號陣列式可編程的微處理器、運算放大電路和模擬多路選擇模塊，微處理器含有模數轉換模塊多通道ADC；柔性觸覺傳感器的列電極10引出的管腳分別與各自的運算放大電路的負相輸入端連接，參考電阻R兩端分別連接在運算放大電路的負相輸入端和輸出端上，運算放大電路的輸出端與微處理器中的ADC模擬信號輸入端連接；外電源連接到電源轉換模塊產生負3.3V電源電壓，模擬多路選擇模塊的多路開關輸入端與負3.3V電源電壓連接，柔性觸覺傳感器的行電極9引出的管腳分別與模擬多路選擇模塊的各個信號輸出端連接；微處理器與模擬多路選擇模塊連接，控制其多路開關的選擇性通斷，微處理器向模擬多路選擇模塊發送通斷控制信號，將負3.3V電源電壓與柔性觸覺傳感器的行電極9引出的各個管腳依次先后選通；柔性觸覺傳感器的列電極引出的管腳輸出電壓模擬信號，經運算放大電路放大后連接到微處理器進行AD采樣，得到電壓數字信號。本發明的實施例和實施工作過程如下：柔性電極層4采用雙面柔性電路板結構，采用聚酰亞胺薄膜作為基材。每組測試電極組7的五電極結構中引出管腳，3行測試電極組7由正方形電極引出3個管腳作為行電極9，3列測試電極組由直角三角形電極引出12個管腳作為列電極10。柔性觸覺傳感器的列電極10引出的12個管腳分別與12個運算放大電路的負相輸入端連接，柔性觸覺傳感器的行電極9引出的3個管腳分別與模擬多路選擇模塊的3個信號輸出端連接。混合信號陣列式可編程的微處理器含有16通道12位的模數轉換器ADC，可雙采樣保持，最多有16通道信號同時采集，并包含外部數據傳輸端口，所述外部數據傳輸端口是SP串行接口、I2C串行接口或UART串行接口，采用TI公司的TMS320F28069。模擬多路選擇模塊采用TI公司的TS5A3359單刀三擲常開型模擬開關。運算放大電路采用TI公司的OPA656芯片，其中可采用基于電流到電壓轉換法的測量方法。電源轉換模塊采用由TI公司的TPS65135電源轉換芯片搭建而成的雙極性電源電路。通過實際制造傳感器、性能標定與滑移檢測實驗，測得本發明的假肢手柔性觸覺傳感器及其檢測系統具有良好的壓敏特性，能敏感地檢測到三維力，其觸覺檢測系統性能穩定。與中國發明專利（CN201210193314.9）相比，所測傳感器三維力的靈敏度分別提高了10%，10%，15%。同時由于所選壓敏導電橡膠材料的特殊性，通過信號處理提取原始信號中出低幅值高頻率的滑移信號，有效識別出滑移，為假肢手的智能化應用提供了有力的保障，具有顯著的技術效果。上述具體實施方式用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護范圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護范圍。