本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種柔性多維力傳感器。

背景技術(shù)：

軟體機器人在某些方面有著傳統(tǒng)剛性機器人不可比擬的一些優(yōu)勢，已成為目前機器人技術(shù)之中熱門的研究方向之一。力位傳感器技術(shù)被廣泛的應用在機器人的檢測之中，用于檢測機器人的受力及運動情況，反饋需要的信息，進行監(jiān)控或進行控制。然而傳統(tǒng)的傳感器往往采用剛性結(jié)構(gòu)，在應用時會限制軟體機器人的主要性能，因此，軟體機器人技術(shù)的發(fā)展也同樣需要柔性傳感器技術(shù)的跟進和發(fā)展。

在柔性傳感器的研究上，通常采用大柔性金屬材料，或者硅基基底材料，或者柔性布料材料等利用光、電、磁等物理現(xiàn)象進行研發(fā)，但其大多柔性不夠或只能檢測單維力，另外還存在結(jié)構(gòu)復雜、工藝繁瑣、標定困難等問題。在多維力傳感器的研究方面，主要集中于平面類構(gòu)型的設(shè)計，延展性有限，且均存在一定的解耦問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種可嵌入軟體機器人內(nèi)部進行隨動的全柔性傳感器，以改善柔性多維力傳感器延展性不足、解耦性差等問題。

本發(fā)明目的通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種可嵌入式全柔性多維力傳感器，包括傳感器柔性基體，在傳感器柔性基體內(nèi)部設(shè)有呈條形布置的上層微通道和下層微通道，上、下兩層微通道結(jié)構(gòu)相同且呈z字型分別首尾連接成一根通道，微通道內(nèi)注入液態(tài)金屬鎵銦錫合金導體作為傳感器的敏感元件，其中下層微通道頭部和尾部分別引出接引線a和接引線b，上層微通道頭部和尾部分別引出接引線c、接引線d和中間接引線e，接出的各接引線用于連接外部采集系統(tǒng)，以檢測微通道中電阻的變化；使用時，所述傳感器可嵌入任何待測力環(huán)節(jié)中，其形狀和柔度可根據(jù)環(huán)境要求而設(shè)定，當施加拉彎載荷時，傳感器柔性基體內(nèi)部微通道電阻和兩端電壓發(fā)生變化，可根據(jù)四線制測電阻方法計算得出施加的三維力的各個分量，也可以通過受力和變形的關(guān)系求出傳感器變形。

本發(fā)明可以測得的三維力包括一個正應力及兩個彎矩，特點是可在發(fā)生大變形時，不損害傳感器的結(jié)構(gòu)及性能，同時也對待測體起到了一定的保護作用。此外，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，制作工藝簡便，易于后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作。

本發(fā)明可安裝于傳統(tǒng)機器人關(guān)節(jié)、軟體機器人和人機交互設(shè)備及其它需要檢測多維力的場合，其全柔性結(jié)構(gòu)對環(huán)境有著更強的適應性，能夠用于惡劣環(huán)境的測量。

與現(xiàn)有傳感器相比，本發(fā)明專利具有如下優(yōu)點：

采用的主體材料為柔性硅膠，形狀、尺寸和柔度可根據(jù)環(huán)境要求改變，并可以將其嵌入至某些軟體內(nèi)部進行力的測量；因硅膠抗酸堿，故其可用于各類酸堿、潮濕等特殊環(huán)境，能夠在惡劣環(huán)境中長期穩(wěn)定的工作；內(nèi)部微通道大小、長度可根據(jù)實際要求設(shè)計，方便其量程及靈敏度的調(diào)整；因硅膠質(zhì)地柔軟，內(nèi)部微通道內(nèi)注入液態(tài)金屬溶液，故該傳感器允許大尺度扭曲而不損傷檢測元件，恢復形狀后不影響使用性能，同時對待測體也起到緩沖減震的作用；傳感器內(nèi)部微通道分上下兩層，上層微通道又被等分為兩部分，通過檢測各部分電阻或兩端電壓即可得到各維力，具有高度的可解耦性，可準確的測量多個方向的力。

附圖說明

圖1為可嵌入式全柔性多維力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1所示傳感器中平行于xz平面的傳感器中間截面示意圖。

圖中：1-傳感器柔性基體、2-上層微通道、3-下層微通道、4-接引線c、5-接引線a、6-接引線b、7-接引線d、8-接引線e。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步說明：

如圖1和圖2所示，本發(fā)明實施例的可嵌入式條狀全柔性多維力傳感器，包括由柔性硅膠組成的傳感器柔性基體1，在傳感器柔性基體內(nèi)部設(shè)有呈條狀布置的上層微通道2和下層微通道3，上、下兩層微通道結(jié)構(gòu)相同且呈z字型分別首尾連接成一根通道，微通道內(nèi)注入液態(tài)金屬鎵銦錫合金導體作為傳感器敏感元件，其中下層微通道頭部和尾部分別引出接引線a5和接引線b6，上層微通道頭部和尾部分別引出接引線c4、接引線d7和中間接引線e8。在傳感器上表面建立坐標系，垂直上表面向上為z軸，在上表面上垂直z軸向左為x軸，垂直xz平面向前為y軸。

該傳感器通過四線制測電阻方法在接引線a5和接引線b6、接引線c4和接引線d7兩端通入恒流電源，并接入數(shù)據(jù)采集板卡可測得各電阻所對應的電壓值，記初始狀態(tài)接引線a5和接引線b6、接引線c4和接引線d7兩端電壓為u0，施加載荷后接引線a5和接引線b6兩端電壓為uab，接引線c4和接引線d7兩端電壓為ucd，接引線c4和接引線e8兩端電壓為uce，接引線d7和接引線e8兩端電壓為ude。

當傳感器只受到沿y軸拉伸載荷fy時，上下兩層微通道電阻變化相同即uab＝ucd，可得fy＝k1(uab-u0)。當傳感器只受到繞x軸彎矩mx時，上下微通道電阻會有電阻差，相應會有電壓差，可得mx＝k2(ucd-uab)，由于ucd＝uce+ude，所以mx＝k2(uce+ude-uab)。當傳感器只受到繞z軸的彎矩時，上下兩層微通道電阻變化相同即uab＝ucd，但uce≠ude，可得mz＝k3(uce-ude)。經(jīng)分析可得，獨立的輸入變量共三個，分別為uab、uce和ude，整理計算可得：

寫成輸入和輸出的關(guān)系式可得：

其中k1、k2、k3為電壓協(xié)調(diào)系數(shù)，k1、k2、k3和u0可通過實驗標定獲取。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種可嵌入式條狀全柔性多維力傳感器，包括傳感器柔性基體，在傳感器柔性基體內(nèi)部設(shè)有呈條狀布置的上層微通道和下層微通道，上下兩層微通道結(jié)構(gòu)相同且呈Z字型分別首尾連接成一根通道，微通道內(nèi)注入液態(tài)金屬鎵銦錫合金導體作為傳感器敏感零件，其中下層微通道頭部和尾部分別引出1條接引線，上層微通道頭部、尾部及中間位置分別引出1條接引線，引出的接引線用于連接外部采集系統(tǒng)，通過檢測微通道中電阻的變化，經(jīng)計算獲得傳感器的受力情況。本發(fā)明可嵌入至軟體機器人內(nèi)部，與其隨動測量，能夠檢測到三個方向上的力。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，制作工藝簡便，易于后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作，其全柔性結(jié)構(gòu)對環(huán)境的適應性更強，能夠用于惡劣環(huán)境下的測量。

技術(shù)研發(fā)人員：姚建濤;張弘;陳俊濤;勾栓栓;許允斗;趙永生
受保護的技術(shù)使用者：燕山大學
技術(shù)研發(fā)日：2017.06.09
技術(shù)公布日：2017.09.08