CN110196125B - 一种基于多孔结构的岛桥式柔性传感阵列装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多孔结构的岛桥式柔性传感阵列装置。包含柔性感知层和柔性基底；柔性基底包括外框壳和镂空屈曲结构，镂空屈曲结构包括岛和屈曲臂，多个岛间隔阵列均布布置在外框壳内部，每相邻两个岛之间以及岛与其邻近的外框壳的内边缘之间通过屈曲臂连接，岛中心设有安装孔；柔性感知层中，柔性传感单元过盈配合装配入柔性基底的安装孔中；所有柔性传感单元两端串接后引出两个输出端作为电学信号传输通道。本发明具有岛桥结构形变量大、易适应安装表面几何特性的优点，具有较大的可变动量，能够安装到不规则的立体形状表面；也具有多孔柔性结构安全、缓冲、吸能的优势，还具有可更换，个性化安装的特点。
Description
技术领域
本发明涉及了一种传感装置，特别是涉及了一种基于多孔结构的岛桥式柔性传感阵列装置。
背景技术
目前，随着现代科技的发展以及自动化水平的提高，在很多职业或岗位上机器人正在或已经慢慢地取代人类。那么，人类在生活或工作中不可避免的要接触到机器人。
在人与机器人进行交互的过程中，安全性是人与机器人交互过程中考虑的首要条件。在安全性考虑中，碰撞为一个不可忽视的关键问题。能够真正融入人类生活的机器人一定具有在多元复杂的环境下完成预期动作、进行人与机器人安全交互的能力。这种复杂环境下，机器人会面临各种类型的碰撞。机器人的敏感电子皮肤是解决该问题的方法之一，其通常由成千上万个传感器组成，需要安装在机器人的关键位置。
目前，被广泛使用的柔性传感阵列装置多依靠材料的性质来实现柔性化形变，少有依靠几何结构来实现柔性化形变的柔性传感阵列。现有的柔性传感阵列装置安装往往受多孔基底材料本身的物理性质所限制，拉伸形变量与扭转形变量都由材料性质决定。
发明内容
为了解决现有的柔性传感阵列装置安装往往受基底材料本身的物理性质所限制，拉伸形变量与扭转形变量都由材料性质决定的问题。本发明提出了一种基于多孔结构的岛桥式柔性传感阵列装置，可以应用于人机交互中的安全防撞电子皮肤。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：
本发明包含等距离阵列排布的可拆卸的柔性感知层和具有镂空屈曲形状的柔性基底紧密组装构成的柔性传感阵列；柔性感知层与柔性基底应均为柔性多孔材料。柔性基底包括外框壳和布置在外框壳内部的镂空屈曲结构，镂空屈曲结构包括岛和屈曲臂，多个岛间隔阵列均布布置在外框壳内部，每相邻两个岛之间以及岛与其邻近的外框壳的内边缘之间通过屈曲臂连接，屈曲臂为S形，岛的中心开设有用于装配柔性感知单元的安装孔；柔性感知层主要由多孔结构的柔性传感单元间隔阵列排布组成，柔性传感单元形状尺寸大小略大于安装孔的形状尺寸，使得柔性传感单元通过过盈配合的方式装配入柔性基底的安装孔中；所有柔性传感单元的两端分别通过电线串接后引出两个输出端作为电学信号传输通道与外部的分析电路相连接：对于其中任一端来说具体为，每相邻两个岛上的柔性传感单元同一侧端部之间通过电线连接，且与外框壳的内边缘相邻的所有柔性传感单元同一侧端部通过电线引出连接到同一输出端。
所述的柔性传感单元是通过将包括但不限于成型好的三聚氰胺海绵浸泡入包括但不限于碳纳米管等含敏感导电材料的溶液中再取出，或将碳纳米管等含敏感导电材料的溶液滴在三聚氰胺海绵上；然后烘干，再用正己烷溶液进行清洗，然后再烘干制成获得。制备获得的柔性传感单元具有多孔结构，内部形成了微观丝状导电通路。
所述的柔性基底的外框壳呈方形但不仅限于方形。
所述柔性基底采用多孔材料，包括但不限于三聚氰胺海绵。
所述的柔性基底作为柔性感知层的载体，底面贴合到安装表面，将本发明岛桥式柔性传感阵列装置安装在目标表面。
所述柔性感知层为包括但不仅限于柔性多传感单元所组成的8×8排布阵列。
所述的柔性基底的安装孔呈圆柱体孔但不仅限于圆柱体孔。
所述的柔性传感单元的形状呈圆柱体但不仅限于圆柱体，其与柔性基底的安装孔的形状相吻合。
所述的柔性多传感单元在受到外界压力作用时，内部发生形变，从而导致柔性多传感单元内部的微观丝状导电通路数目发生改变，进而电阻值发生变化，进而通过监测柔性多传感单元电学参数电阻值的大小可用于检测外力大小。
本发明的岛桥式是体现在通过将柔性基底加工为具有镂空屈曲形状的岛桥结构阵列的形式。从机械结构方面，在相同外力作用下，岛桥结构具有比普通平面结构形变量大、在大形变量的情况下仍能保持传感功能、易适应安装表面几何特性的优点，能够安装到不规则的立体形状表面。在安装到不规则立体几何表面时，镂空屈曲结构可产生拉伸、压缩、扭转等形变，以适应外界环境。同时，基底对柔性传感单元的约束更少，其柔性传感单元相对于柔性基底的位置也更加灵活。
而在本发明中，相同外力作用的情况下，岛桥结构具有比普通平面结构形变量大、在大形变量的情况下仍能保持传感功能、易适应安装表面几何特性的优点，能够安装到不规则的立体形状表面。而且在满足强度条件的前提下，岛桥结构使得柔性传感阵列装置质量更轻。
本发明与传统整体平面阵列相比，整体平面阵列中柔性多传感单元相对于柔性基底的位置相对固定，安装到不规则立体形状表面时，容易产生柔性多传感单元分布过于固定化的问题。而本发明中的岛桥结构基底对柔性多传感单元的仅含四个方向的约束，所以其柔性多传感单元相对于柔性基底的位置也更加灵活，可以在柔性基底安装到不规则的立体形状之后，对每个柔性多传感单元的位置依据传感需求进行较大范围的位置调整，以达到个性化位置分布的目的。
同时，本传感阵列中，各个柔性可拆卸传感单元与柔性基底是相互分离的，可拆装卸的，因此本柔性传感阵列上的柔性多传感单元可更换，可以根据不同的应用场景，更换不同性能的柔性传感单元，如不同杨氏弹性模量、灵敏度等，有效扩展该种柔性传感装置的应用范围，降低了柔性基底的更换成本。
本发明其有益效果为：
本柔性传感阵列的独特的镂空屈曲形状岛桥结构，较易发生拉伸、压缩、扭转等变形。在相同外力作用的情况下，其具有比普通平面结构形变量大、在大形变量的情况下仍能保持传感功能、易适应安装表面几何特性的优点，能够安装到不规则的立体形状表面。而且在满足强度条件的前提下，本发明中的岛桥结构使得柔性传感阵列装置质量更轻。
本发明与传统整体平面阵列相比，整体平面阵列中柔性多传感单元相对于柔性基底的位置相对固定，安装到不规则立体形状表面时，容易产生柔性多传感单元分布过于固定化的问题。而本发明中的岛桥结构基底对柔性多传感单元的仅含四个方向的约束，所以其柔性多传感单元相对于柔性基底的位置也更加灵活，可以在柔性基底安装到不规则的立体形状之后，对每个柔性多传感单元的位置依据传感需求进行较大范围的位置调整，以达到个性化位置分布的目的。
相较于传统柔性压力传感器，本发明还具有多孔柔性结构安全、缓冲、吸能的优势，能有效缓冲物体(譬如人体)与传感装置的接触，可以在碰撞等情况发生时降低损害。
同时，本传感阵列中，各个柔性多传感单元与柔性基底是相互分离的，可拆装卸的，因此本柔性传感阵列上的柔性多传感单元可更换，可以有效降低该种柔性传感装置的使用与更换成本。
附图说明
图1为本发明岛桥式柔性传感阵列装置的结构示意图；
图2为本发明岛桥式柔性传感阵列装置的俯视图；
图3为本发明岛桥式柔性传感阵列装置的传感单元的平面位置具有较大自由度示意图；
图4为本发明岛桥式柔性传感阵列装置岛桥结构细节示意图；
图中：柔性感知层(1)、柔性基底(2)、柔性多孔压力传感单元(101)、安装孔(201)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明具体实施包含柔性基底2、排布在柔性基底2内部的柔性多传感单元101，柔性多传感单元101在柔性基底2内部呈等间隔阵列排布，形成柔性多孔压力传感阵列1。具体地，包含等距离阵列排布的可拆卸的柔性感知层1和具有镂空屈曲形状的柔性基底2紧密组装构成的柔性传感阵列；柔性基底2包括外框壳和布置在外框壳内部的镂空屈曲结构，镂空屈曲结构包括岛和屈曲臂，多个岛间隔阵列均布布置在外框壳内部，每相邻两个岛之间以及岛与其邻近的外框壳的内边缘之间通过屈曲臂连接，屈曲臂为S形，岛的中心开设有用于装配柔性感知单元101的安装孔201；实质可看作四根屈曲臂在曲线交点处汇合构成岛桥结构中的“岛”，岛上具有可以装配柔性感知单元的安装孔201。
如图1所示，柔性感知层1主要由多孔结构的柔性传感单元101间隔阵列排布组成，柔性传感单元101形状尺寸大小略大于安装孔201的形状尺寸，使得柔性传感单元101通过过盈配合的方式装配入柔性基底2的安装孔201中；所有柔性传感单元101的两端分别通过电线串接后引出两个输出端作为电学信号传输通道与外部的分析电路相连接：对于其中任一端来说具体为，每相邻两个岛上的柔性传感单元101同一侧端部之间通过电线连接，且与外框壳的内边缘相邻的所有柔性传感单元101同一侧端部通过电线引出连接到同一输出端；另一端同样如此。
在使用时，将电源信号传输线安装至柔性基底2表面的安装信号线狭缝202中，电源信号传输线可利用但不仅限于漆包线。电源信号传输线与外部分析电路相连接。
由于外力的作用会使得柔性多传感单元101发生几何形变，从而导致柔性多传感单元101内部的导电通路数目发生改变，进而电阻值发生变化。通过监测柔性多传感单元101电学参数电阻值的大小可用于检测外力大小。
柔性多传感单元101呈圆柱状结构，但不仅限于圆柱状结构。柔性多传感单元101可以通过过盈配合的方式装配进入柔性基底2的安装孔中201，使柔性多传感单元101与柔性基底2上的电源信号传输导线相接触。利用摩擦力使柔性多传感单元101固定在柔性基底2内部。柔性多传感单元101的轴线与柔性基底上的安装孔201平行；装配完成后，柔性多传感单元101与电源信号传输导线接触。
电源信号传输导线连接外部的单片机于分析电路，通过欧姆定律监测柔性多传感单元101的阻值。然后将信号发送至外部的计算机分析设备，从而进行反馈和相应安全策略的实施。
安装后非按压情况下，柔性多传感单元101保持原有形状；
按压下，柔性多传感单元101发生弹性形变，受按压力作用向按压力的方向发生压缩，柔性多传感单元101内部导电通路数目发生改变，引发两电极之间的阻值发生变化。
可拉伸变形的柔性传感阵列装置的柔性基底2上的安装孔201是通过包括但不限于激光切割的方式加工而成。
具体实施的柔性传感单元101是通过将包括但不限于成型好的三聚氰胺海绵浸泡入包括但不限于碳纳米管等含敏感导电材料的溶液中再取出，或将碳纳米管等含敏感导电材料的溶液滴在三聚氰胺海绵上；然后烘干，再用正己烷溶液进行清洗，然后再烘干制成获得。
使用本装置时，柔性基底2不明确区分上下表面，选择任意一个表面，贴合待检测区域，基于多孔结构的岛桥式柔性传感阵列装置可感知外力的大小。
柔性多传感单元101可以通过过盈配合的方式装配进入柔性基底的安装孔201中，使柔性多传感单元101与柔性基底2上的电源信号传输导线相接触。利用摩擦力使柔性多传感单元101过盈配合地嵌装到柔性基底2内部并可拆卸，使得仅更换传感单元即可。由于装配关系选用可拆卸的方式，所以当部分柔性多传感单元101失效的情况下，可以将失效部分柔性多传感单元101拆下，而保留原有的柔性基底2上的电源信号传输导线以及未失效的柔性多传感单元101，更换新的柔性多传感单元101。
当部分柔性多传感单元101失效的情况下，可以将失效的柔性多传感单元101拆下，而保留原有的柔性基底2上的电源信号传输导线以及未失效柔性多传感单元101，在失效部分的柔性多传感单元101位置处安装上新的柔性多传感单元101即可。
具体实施的岛桥式柔性传感阵列装置上的柔性多传感单元布置方式为包括但不限于4×4阵列，更高阶阵列结构形式相同。更高阶的阵列结构具有更加多的柔性多传感单元101，可以实现更高精度的压力传感。
制成柔性基底2的材料均为柔性材料，外框壳、岛和屈曲臂均为柔性，柔性材料包括但不限于三聚氰胺；柔性多传感单元101的材料包括但不限于三聚氰胺；敏感导电材料包括但不仅限于碳纳米管。
如图2所示，通过一种基于多孔结构的岛桥式柔性传感阵列装置的俯视图可以明显的看出柔性基底2呈镂空状屈曲形的岛桥结构，柔性多传感单元101阵列分布在岛桥结构中的“岛”上。
如图3所示，实线部分为原有的未变形的岛桥式柔性传感阵列装置，当外力施加在岛桥结构上时，该结构中的屈曲连接结构，即岛桥结构的“桥”，可以轻易的发生拉伸，压缩，扭转等形变；该结构中的镂空屈曲形状连接结构汇交处，即岛桥结构的“岛”的位置可以在空间中有较大的变化。
如图4所示，本发明中的岛桥结构，该结构中的曲线连接结构，即岛桥结构的“桥”，包括但不仅限于该类屈曲形状，其包含各式可拉伸等变形的屈曲形状；该结构中的镂空屈曲形状汇交处，即岛桥结构的“岛”的形状也不仅限于图中所示的形状。
由此实施可见，本发明具有岛桥结构形变量大、易适应安装表面几何特性的优点，而且本发明中柔性基底对柔性多传感单元的约束较少，使得柔性多传感单元的位置具有较大的可变动量，能够安装到不规则的立体形状表面；也具有多孔柔性结构安全、缓冲、吸能的优势；同时本发明中的柔性多传感单元还具有可更换，个性化安装的特点。
Claims (8)
1.一种基于多孔结构的岛桥式柔性传感阵列装置，其特征在于：包含等距离阵列排布的可拆卸的柔性感知层(1)和具有镂空屈曲形状的柔性基底(2)紧密组装构成的柔性传感阵列；柔性基底(2)包括外框壳和布置在外框壳内部的镂空屈曲结构，镂空屈曲结构包括岛和屈曲臂，多个岛间隔阵列均布布置在外框壳内部，每相邻两个岛之间以及岛与其邻近的外框壳的内边缘之间通过屈曲臂连接，屈曲臂为S形，岛的中心开设有用于装配柔性传感单元(101)的安装孔(201)；柔性感知层(1)由多孔结构的柔性传感单元(101)间隔阵列排布组成，柔性传感单元(101)形状尺寸大小略大于安装孔(201)的形状尺寸，使得柔性传感单元(101)通过过盈配合的方式装配入柔性基底(2)的安装孔(201)中；所有柔性传感单元(101)的两端分别通过电线串接后引出两个输出端作为电学信号传输通道与外部的分析电路相连接：对于其中任一端来说具体为，每相邻两个岛上的柔性传感单元(101)同一侧端部之间通过电线连接，且与外框壳的内边缘相邻的所有柔性传感单元(101)同一侧端部通过电线引出连接到同一输出端；
所述的柔性传感单元在受到外界压力作用时，内部发生形变，从而导致柔性传感单元内部的微观丝状导电通路数目发生改变，进而电阻值发生变化，进而通过监测柔性传感单元电学参数电阻值的大小可用于检测外力大小。
2.根据权利要求1所述的一种基于多孔结构的岛桥式柔性传感阵列装置，其特征在于：所述的柔性传感单元(101)是通过将包括成型好的三聚氰胺海绵浸泡入包括含敏感导电材料的溶液中再取出，或将碳纳米管等含敏感导电材料的溶液滴在三聚氰胺海绵上；然后烘干，再用正己烷溶液进行清洗，然后再烘干制成获得。
3.根据权利要求1所述的一种基于多孔结构的岛桥式柔性传感阵列装置，其特征在于：所述的柔性基底(2)的外框壳呈方形。
4.根据权利要求1所述的一种基于多孔结构的岛桥式柔性传感阵列装置，其特征在于：所述柔性基底(2)采用多孔材料，包括三聚氰胺海绵。
5.根据权利要求1所述的一种基于多孔结构的岛桥式柔性传感阵列装置，其特征在于：所述的柔性基底(2)作为柔性感知层(1)的载体，底面贴合到安装表面。
6.根据权利要求1所述的一种基于多孔结构的岛桥式柔性传感阵列装置，其特征在于：所述柔性感知层(1)为包括柔性传感单元(101)所组成的8×8排布阵列。
7.根据权利要求1所述的一种基于多孔结构的岛桥式柔性传感阵列装置，其特征在于：所述的柔性基底(2)的安装孔(201)呈圆柱体孔。
8.根据权利要求5所述的一种基于多孔结构的岛桥式柔性传感阵列装置，其特征在于：所述的柔性传感单元(101)的形状呈圆柱体，其与柔性基底的安装孔(201)的形状相吻合。
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