本發(fā)明屬于傳感器，具體涉及一種柔性離電式三維力傳感器和傳感陣列。

背景技術(shù)：

1、目前，智能裝配已成為現(xiàn)代制造業(yè)的主流發(fā)展方向。在智能裝配過程中需要依托機(jī)械手及傳感器實(shí)現(xiàn)高精度、高靈敏度操作，以應(yīng)對日益復(fù)雜化的工作任務(wù)。機(jī)械手作為智能裝配系統(tǒng)的執(zhí)行單元，憑借其強(qiáng)大的可編程性和精確的運(yùn)動控制能力，能夠執(zhí)行從簡單搬運(yùn)到復(fù)雜裝配的一系列任務(wù)。而傳感器，作為感知外界環(huán)境信息的“觸角”，則負(fù)責(zé)實(shí)時采集并處理機(jī)械手工作過程中的各種物理量，如位置、速度、力等，為決策提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。特別是在三維力感知方面，高精度的傳感器能夠捕捉到裝配過程中微妙的力變化，確保每一個動作都恰到好處，避免因力度不當(dāng)造成損壞或裝配失敗。

2、然而，面對日益增長的智能制造需求，傳統(tǒng)傳感器在智能裝配領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸顯露出其局限性。靈敏度不足的問題限制了傳感器對細(xì)微力變化的捕捉能力，使得在精密裝配中難以達(dá)到理想的控制精度；量程窄則意味著傳感器在應(yīng)對大范圍力變化時顯得力不從心，限制了其應(yīng)用范圍；而干擾過大則進(jìn)一步加劇了數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性，影響了裝配操作的穩(wěn)定性和可靠性。這些問題共同作用下，不僅增加了裝配過程中的不確定性，也降低了整體生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，從而在一定程度上制約了智能裝配技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和普及。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服傳感器量程窄且靈敏度不足導(dǎo)致不能實(shí)現(xiàn)多種工況下智能裝配的問題，提出了一種柔性離電式三維力傳感器和傳感陣列。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種柔性離電式三維力傳感器，包括穹頂結(jié)構(gòu)、柔性基底、電極、絕緣間隔層和三維力敏感層，柔性基底包括第一柔性基底和第二柔性基底，電極包括第一電極和第二電極，穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)置凸起和基底，凸起的一端與基底的一面貼合，基底的另一面與第一柔性基底的一面貼合，第一柔性基底的另一面與第一電極的一面貼合，第一電極的另一面與絕緣間隔層的一面貼合，絕緣間隔層的另一面與三維力敏感層的一面貼合，三維力敏感層的一面具有分級非穩(wěn)定微結(jié)構(gòu)，三維力敏感層的另一面與第二電極的一面貼合，第二電極的另一面與第二柔性基底的一面貼合，三維力敏感層摻雜有導(dǎo)電填充物，導(dǎo)電填充物由離子液和導(dǎo)電粒子組成，電極表面噴涂微納米導(dǎo)電材料和粘結(jié)劑混合物，電極和三維力敏感層均為等分為扇形的圓形。

4、一種柔性離電式三維力傳感器的制備方法，制得所述的一種柔性離電式三維力傳感器，包括以下步驟：將穹頂結(jié)構(gòu)、柔性基底、電極、絕緣間隔層和三維力敏感層按照凸起、基底、第一柔性基底、第一電極、絕緣間隔層、三維力敏感層、第二電極和第二柔性基底的順序依次貼合；

5、凸起采用摻雜無機(jī)材料的柔性高分子聚合物材料；

6、基底采用柔性高分子聚合物材料；

7、柔性基底采用柔性高分子聚合物彈性體薄膜；

8、電極采用表面覆有微納米導(dǎo)電材料的高分子聚合物薄膜，電極的制備方式具體為：微納米導(dǎo)電材料與粘結(jié)劑混合均勻后噴涂于高分子聚合物薄膜表面；

9、三維力敏感層采用摻雜導(dǎo)電填充物的彈性體復(fù)合薄膜，摻雜導(dǎo)電填充物的彈性體復(fù)合薄膜中的導(dǎo)電填充物和彈性體的混合方式為溶劑分散。

10、進(jìn)一步地，所述基底的另一面與第一柔性基底的一面貼合采用點(diǎn)膠，所述第一柔性基底的另一面與第一電極的一面貼合及所述第二電極的另一面與第二柔性基底的一面貼合采用熱壓或點(diǎn)膠。

11、進(jìn)一步地，所述摻雜無機(jī)材料的柔性高分子聚合物材料中的無機(jī)材料選自納米二氧化硅、六方氮化硼中的一種或多種；

12、所述柔性高分子聚合物材料選自熱塑性聚氨酯類彈性體、聚二甲基硅氧烷類彈性體及聚烯烴類彈性體中的一種或多種；

13、所述柔性高分子聚合物彈性體薄膜選自熱塑性聚氨酯類彈性體、聚二甲基硅氧烷類彈性體及聚烯烴類彈性體中的一種或多種；

14、所述表面覆有微納米導(dǎo)電材料的高分子聚合物薄膜中的微納米導(dǎo)電材料選自碳基導(dǎo)電物、具有金屬導(dǎo)電性的二維無機(jī)化合物中的一種或多種；

15、所述表面覆有微納米導(dǎo)電材料的高分子聚合物薄膜中的高分子聚合物薄膜選自聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜；

16、所述粘結(jié)劑采用丁苯橡膠；

17、所述摻雜導(dǎo)電填充物的彈性體復(fù)合薄膜中的導(dǎo)電填充物由離子液和導(dǎo)電粒子組成；

18、所述摻雜導(dǎo)電填充物的彈性體復(fù)合薄膜中的彈性體選自熱塑性聚氨酯類彈性體、聚二甲基硅氧烷類彈性體及聚烯烴類彈性體中的一種或多種。

19、進(jìn)一步地，所述碳基導(dǎo)電物選自單層石墨烯、多層石墨烯、炭黑、單壁碳納米管和多壁碳納米管中的一種或多種；

20、所述具有金屬導(dǎo)電性的二維無機(jī)化合物采用mxene；

21、所述導(dǎo)電粒子采用mxene、石墨烯、碳納米管中的一種或多種；

22、所述離子液選自聚(3,4-乙撐二氧噻吩)、聚苯乙烯磺酸、1-乙基-3-甲基咪唑啉雙(三氟甲基磺酰基)亞胺中的一種或多種。

23、一種柔性離電式三維力傳感陣列，包括穹頂結(jié)構(gòu)陣列、柔性基底、電極陣列、絕緣間隔層陣列和三維力敏感層陣列，柔性基底包括第一柔性基底部分和第二柔性基底部分，電極陣列包括第一電極陣列和第二電極陣列，穹頂結(jié)構(gòu)陣列設(shè)置凸起陣列和穹頂基底，凸起陣列的一面與穹頂基底的一面貼合，穹頂基底的另一面與第一柔性基底的一面貼合，第一柔性基底部分的另一面與第一電極陣列的一面貼合，第一電極陣列的另一面與絕緣間隔層陣列的一面貼合，絕緣間隔層陣列的另一面與三維力敏感層陣列的一面貼合，三維力敏感層陣列的一面具有分級非穩(wěn)定微結(jié)構(gòu)，三維力敏感層陣列的另一面與第二電極陣列的一面貼合，第二電極陣列的另一面與第二柔性基底部分的一面貼合，三維力敏感層陣列摻雜有導(dǎo)電填充物，導(dǎo)電填充物由離子液和導(dǎo)電粒子組成，電極陣列的表面噴涂微納米導(dǎo)電材料和粘結(jié)劑混合物。

24、一種柔性離電式三維力傳感陣列的制備方法，制得所述的一種柔性離電式三維力傳感陣列，包括以下步驟：將穹頂結(jié)構(gòu)陣列、柔性基底、電極陣列、絕緣間隔層陣列和三維力敏感層陣列按照凸起陣列、穹頂基底、第一柔性基底部分、第一電極陣列、絕緣間隔層陣列、三維力敏感層陣列、第二電極陣列和第二柔性基底部分的順序依次貼合；

25、凸起陣列采用摻雜無機(jī)材料的柔性高分子聚合物材料；

26、穹頂基底采用柔性高分子聚合物材料；

27、穹頂結(jié)構(gòu)陣列通過在穹頂結(jié)構(gòu)陣列模具中分批次刮涂摻雜無機(jī)材料的柔性高分子聚合物混合物與柔性高分子聚合物的方式制成；

28、柔性基底采用柔性高分子聚合物彈性體薄膜；

29、電極陣列采用表面覆有微納米導(dǎo)電材料的高分子聚合物薄膜，電極陣列的制備方式具體為：微納米導(dǎo)電材料與粘結(jié)劑混合均勻后噴涂于高分子聚合物薄膜表面，通過激光刻蝕將表面覆有微納米導(dǎo)電材料的高分子聚合物薄膜圖案切割得到電極陣列；

30、三維力敏感層陣列采用摻雜導(dǎo)電填充物的彈性體復(fù)合薄膜，三維力敏感層陣列的制備方式具體為：通過溶劑分散及倒模方式制備出摻雜導(dǎo)電填充物且具有分級非穩(wěn)定微結(jié)構(gòu)的彈性體復(fù)合薄膜并通過激光刻蝕切割得到三維力敏感層陣列。

31、進(jìn)一步地，所述穹頂基底的另一面與第一柔性基底部分的一面貼合采用點(diǎn)膠，所述第一柔性基底部分的另一面與第一電極陣列的一面貼合及所述第二電極陣列的另一面與第二柔性基底部分的一面貼合采用熱壓或點(diǎn)膠。

32、進(jìn)一步地，所述摻雜無機(jī)材料的柔性高分子聚合物材料中的無機(jī)材料選自納米二氧化硅、六方氮化硼中的一種或多種；

33、所述柔性高分子聚合物材料選自熱塑性聚氨酯類彈性體、聚二甲基硅氧烷類彈性體及聚烯烴類彈性體中的一種或多種；

34、所述柔性高分子聚合物彈性體薄膜選自熱塑性聚氨酯類彈性體、聚二甲基硅氧烷類彈性體及聚烯烴類彈性體中的一種或多種；

35、所述表面覆有微納米導(dǎo)電材料的高分子聚合物薄膜中的微納米導(dǎo)電材料選自碳基導(dǎo)電物、具有金屬導(dǎo)電性的二維無機(jī)化合物中的一種或多種；

36、所述表面覆有微納米導(dǎo)電材料的高分子聚合物薄膜中的高分子聚合物薄膜選自聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜；

37、所述粘結(jié)劑采用丁苯橡膠；

38、所述摻雜導(dǎo)電填充物的彈性體復(fù)合薄膜中的導(dǎo)電填充物由離子液和導(dǎo)電粒子組成；

39、所述摻雜導(dǎo)電填充物的彈性體復(fù)合薄膜中的彈性體選自熱塑性聚氨酯類彈性體、聚二甲基硅氧烷類彈性體及聚烯烴類彈性體中的一種或多種。

40、進(jìn)一步地，所述碳基導(dǎo)電物選自單層石墨烯、多層石墨烯、炭黑、單壁碳納米管和多壁碳納米管中的一種或多種；

41、所述具有金屬導(dǎo)電性的二維無機(jī)化合物采用mxene；

42、所述導(dǎo)電粒子采用mxene、石墨烯、碳納米管中的一種或多種；

43、所述離子液選自聚(3,4-乙撐二氧噻吩)、聚苯乙烯磺酸、1-乙基-3-甲基咪唑啉雙(三氟甲基磺?；?亞胺中的一種或多種。

44、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

45、本發(fā)明提出的一種柔性離電式三維力傳感器，電極表面噴涂微納米導(dǎo)電材料和粘結(jié)劑混合物使得電極表面具有不規(guī)則的微結(jié)構(gòu)可與三維力敏感層表面的分級非穩(wěn)定微結(jié)構(gòu)共同作用提高傳感器的靈敏度，分級非穩(wěn)定微結(jié)構(gòu)是與砂紙結(jié)構(gòu)相似的分布不均勻的一些不規(guī)則的凹凸結(jié)構(gòu)，分級指的是凹凸結(jié)構(gòu)的高度不一致，非穩(wěn)定指的是凸起部分是不均勻的，例如凸起的頭部相較于其根部直徑較大。三維力敏感層的一面具有分級非穩(wěn)定微結(jié)構(gòu)，可以使傳感器在寬壓力范圍內(nèi)仍能保持較大的變形，三維力敏感層中摻雜有由離子液和導(dǎo)電粒子組成的導(dǎo)電填充物，既提高傳感器的靈敏度又拓寬傳感器的量程；其中，導(dǎo)電粒子增大三維力敏感層的模量，拓寬柔性離電式三維力傳感器的量程，離子液提高柔性離電式三維力傳感器的靈敏度，但是離子液過多將導(dǎo)致離子膜塑性增大，不利于三維力敏感層的模量增大，進(jìn)而阻礙傳感器的量程拓寬；通過將離子液與導(dǎo)電粒子調(diào)節(jié)達(dá)到平衡狀態(tài)，即得高靈敏且寬量程的柔性離電式三維力傳感器。通過在三維力敏感層表面構(gòu)筑分級非穩(wěn)定微結(jié)構(gòu)、在三維力敏感層中摻雜導(dǎo)電填充物、在電極表面構(gòu)筑不規(guī)則微結(jié)構(gòu)、將三維力敏感層及電極等分為扇形的圓形的分塊化的方式達(dá)到寬量程、高靈敏、三維力感知的要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多種工況下智能裝配的應(yīng)用驗(yàn)證，為實(shí)現(xiàn)智能裝配向精細(xì)化、準(zhǔn)確化的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的理論和技術(shù)支撐。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明提供的柔性離電式三維力傳感器具有高靈敏和寬量程的優(yōu)點(diǎn)，其中，高靈敏：正壓力最高電容變化量約為12.5nf，切向力最高電容變化量約為10nf；寬量程：正壓力傳感范圍為0.2～13.05n，x切向力傳感范圍為0.02～2.14n，y切向力傳感范圍為0.0～2.5n。

46、本發(fā)明提出的一種柔性離電式三維力傳感器的制備方法，電極采用將微納米導(dǎo)電材料與粘結(jié)劑混合均勻后噴涂于高分子聚合物薄膜表面的方式得到，使得電極表面具有不規(guī)則的微結(jié)構(gòu)，能夠與三維力敏感層表面的分級非穩(wěn)定微結(jié)構(gòu)共同作用提高傳感器的靈敏度。利用本發(fā)明制備方法制得的一種柔性離電式三維力傳感器，柔韌性好、量程寬，受力條件下介電層與電極之間的接觸面積發(fā)生變化，靈敏度高，可用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在多工況下的精準(zhǔn)抓取操控和智能裝配操作。

47、本發(fā)明提出的一種柔性離電式三維力傳感陣列，引入間隔層能有效分散由材料的楊氏模量過大所產(chǎn)生的應(yīng)力耦合，從而降低離電式傳感陣列相鄰單元之間的串?dāng)_。

48、本發(fā)明提出的一種柔性離電式三維力傳感陣列，能夠良好貼附在機(jī)械手手指表面，對實(shí)現(xiàn)多種工況下智能裝配具有至關(guān)重要的作用。