柔性空间线曲率传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种柔性空间线曲率传感器。

背景技术

近年来，高精度传感器得到了充分的发展并且在低成本、大规模生产等方面也取得了巨大进步。但现实世界中仍有许多事物被证明难以用廉价、精确的设备所感知。描述形状，检测曲率这一发展需求出现在许多相关应用场景中。

曲率作为柔软变形体形态测量的重要参数，适用的曲率传感器的研究显得尤为关键。然而传统的传感器往往采用刚性结构，在应用时会限制软体机器人的主要性能，因此，将柔性空间线曲率传感器应用于软体机器人，对于改善软体机器人对外界的形状感知及复杂环境的适应性有着重要意义。

目前，曲率测量主要使用非接触式的光学方法，例如利用光纤光棚测量激光测距、激光干涉和图像分析等技术设计制作的传感器。此外，还有利用磁场定位原理的磁学测量法和声学测量法等方法，而这些方法大多数实现过程比较复杂，设计制作成本比较高，使用范围有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性空间线曲率传感器，将平面线曲率的测量延伸至空间线曲率的测量，以实现复杂多曲率变化的测量。

一种柔性空间线曲率传感器，其包括：第一圆柱套筒、第二圆柱套筒、底座、密封盖和若干个差分电容组；

所述第一圆柱套筒套设在所述第二圆柱套筒外侧，所述第一圆柱套筒与所述第二圆柱套筒之间构成储液腔，所述储液腔内填充有水；

所述密封盖用于对所述第一圆柱套筒的第一端和所述第二圆柱套筒的第一端进行固定，且所述密封盖用于对所述储液腔的第一端进行密封；

所述底座用于对所述第一圆柱套筒的第二端和所述第二圆柱套筒的第二端进行固定，且所述底座用于对所述储液腔的第二端进行密封；

若干个所述差分电容组沿所述第二圆柱套筒的轴线方向布设；所述差分电容组包括第一差分电容对、第二差分电容对和第三差分电容对；

所述第一差分电容对、所述第二差分电容对和所述第三差分电容对的结构相同；

所述第一差分电容对、所述第二差分电容对和所述第三差分电容对沿所述第二圆柱套筒的周向均匀分布；

所述第一差分电容对包括第一差分电容极板、第二差分电容极板和第三差分电容极板；

所述第二差分电容极板和所述第三差分电容极板沿所述第二圆柱套筒的轴线方向嵌入在所述第二圆柱套筒的外壁内；

所述第一差分电容极板嵌入在所述第二圆柱套筒的内壁内；

将所述第二差分电容极板和所述第三差分电容极板之间的中心弧线作为基准线，以所述基准线做所述第二圆柱套筒的基准横截面；所述第一差分电容极板的中心弧线位于所述基准横截面上；

所述第一差分电容极板、第二差分电容极板和所述第三差分电容极板通过微通道与外部测量电路连接；

所述微通道内注有液态金属导体。

可选地，选取当前的所述差分电容组中的所述第一差分电容对、所述第二差分电容对和所述第三差分电容对中的任意两个作为第一计算对和第二计算对；

根据所述第一计算对中的所述第二差分电容和所述第三差分电容之间的第一电容差值，得到第一相对滑移量；

计算公式如下：

ΔC

式中：ΔA

根据所述第二计算对中的所述第二差分电容和所述第三差分电容之间的第二电容差值，得到第二相对滑移量；

计算公式如下：

ΔC

式中：ΔA

所述根据所述第一相对滑移量和所述第二相对滑移量进行计算，得到当前所述差分电容组处的曲率，计算公式如下：

式中：φ表示当前差分电容组处弯曲朝向第二圆柱套筒的周向方向上的相位角，ψ

可选地，所述第一圆柱套筒和所述第二圆柱套筒的材质为柔性硅胶。

可选地，所述底座包括上盖、中间夹盖、下盖和空腔；

所述中间夹盖位于所述上盖和所述下盖之间；

所述上盖和所述中间夹盖对所述第一圆柱套筒的第二端进行夹持固定；

所述中间夹盖和所述下盖对所述第二圆柱套筒的第二端进行夹持固定；

所述中间夹盖对所述储液腔的第二端进行密封；

所述空腔位于所述上盖与所述中间夹盖之间以及所述中间夹盖与下盖所述之间，所述空腔用于穿过连接线，所述连接线用于将所述微通道与所述外部测量电路连接。

可选地，所述上盖为圆阶梯凸台状。

可选地，将所述上盖与所述中间夹盖之间定义为第一圆槽，将所述中间夹盖与下盖之间定义为第二圆槽；

所述第一圆柱套筒的第二端嵌入所述第一圆槽内，所述第二圆柱套筒的第二端嵌入所述第二圆槽内；

所述第一圆槽的第一侧面向所述第一圆槽的第二侧面的方向倾斜1°，所述第一圆槽的第二侧面向所述第一圆槽的第一侧面的方向倾斜1°；

所述第二圆槽的第一侧面向所述第二圆槽的第二侧面的方向倾斜1°，所述第二圆槽的第二侧面向所述第二圆槽的第一侧面的方向倾斜1°。

可选地，所述中间夹盖上设有注水通道，通过所述注水通道向所述储液腔内注入水。

本发明的效果如下：

本发明柔性空间线曲率传感器，将新型液态金属材料、液态硅胶柔性材料应用于线曲率的测量当中，具有良好的柔顺性、环境适应性和易操作性，可以实现传感器与被测量物体和环境之间的共融。

本发明柔性空间线曲率传感器，可以实现对空间复杂表面线曲率的测量，解决非标准化的物体表面中较难精确且实时测量其形状的问题。可以为软体机器人变形形状的测量提供新方法。

本发明柔性空间线曲率传感器，制备工艺简单、产品稳定性与耐久性高、成本低廉。

附图说明

图1是本发明柔性空间线曲率传感器结构图；

图2是本发明底座结构图；

图3是本发明差分电容对位置关系示意图；

图4是本发明第一差分电容极板、第二差分电容和第三差分电容与微通道连接关系示意图；

图5是本发明第一圆柱套筒和第二圆柱套筒之间中间圆柱的半径示意图；

图6为本发明密封盖形状示意图。

图中：1、第一圆柱套筒；2、第二圆柱套筒；3、底座；4、差分电容组；5、微通道；6、密封盖；7、储液腔；42、第二差分电容对；43、第三差分电容对；31、上盖；32、中间夹盖；33、下盖；34、注水通道；35、空腔；411、第一差分电容极板；412、第二差分电容极板；413、第三差分电容极板。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是本发明柔性空间线曲率传感器结构图。如图1所示，本发明提供了一种柔性空间线曲率传感器，其包括：第一圆柱套筒1、第二圆柱套筒2、底座3、密封盖6和若干个差分电容组4。

第一圆柱套筒1套设在第二圆柱套筒2外侧，第一圆柱套筒1与第二圆柱套筒2之间构成储液腔7，储液腔7内填充有水。本实施例中，第一圆柱套筒1和第二圆柱套筒2的材质均为柔性硅胶，具体通过液态硅胶铸造得到。储液腔7内的水作为润滑剂并充当电容介电质。

密封盖6用于对第一圆柱套筒1的第一端和第二圆柱套筒2的第一端进行固定，且密封盖6用于对储液腔7的第一端进行密封。如图6所示，本实施例中，密封盖6为将圆柱环沿直径线所在的平面进行分割得到的半圆柱环形状。

底座3用于对第一圆柱套筒1的第二端和第二圆柱套筒2的第二端进行固定，且底座3用于对储液腔7的第二端进行密封。

若干个差分电容组4沿第二圆柱套筒2的轴线方向布设；如图3所示，差分电容组4包括第一差分电容对、第二差分电容对42和第三差分电容对43。

第一差分电容对、第二差分电容对42和第三差分电容对43的结构相同。

第一差分电容对、第二差分电容对42和第三差分电容对43沿第二圆柱套筒2的周向均匀分布。

第一差分电容对包括第一差分电容极板411、第二差分电容极板412和第三差分电容极板413。

第二差分电容极板412和第三差分电容极板413沿第二圆柱套筒2的轴线方向嵌入在第二圆柱套筒2的外壁内。

第一差分电容极板411嵌入在第二圆柱套筒2的内壁内。

将第二差分电容极板412和第三差分电容极板413之间的中心弧线作为基准线，以基准线做第二圆柱套筒2的基准横截面；第一差分电容极板411的中心弧线位于基准横截面上。

如图4所示，第一差分电容极板411、第二差分电容极板412和第三差分电容极板413通过微通道5与外部测量电路连接。

微通道5内注有液态金属导体。本实施例中，液态金属导体为液态金属镓锡合金导体。

当柔性空间线曲率传感器处于不同曲率状态时，第一圆柱套筒1和第二圆柱套筒2之间产生相应的相对滑移，进而引起差分电容值的不同。通过检测各路电容的变化，经计算获得传感器空间三个方向的转动的曲率变化情况，差分电容组4处的曲率计算过程如下，选取当前差分电容组4中的第一差分电容对、第二差分电容对42和第三差分电容对43中的任意两个作为第一计算对和第二计算对。

根据第一计算对中的第二差分电容和第三差分电容之间的第一电容差值，得到第一相对滑移量。

计算公式如下：

ΔC

式中：ΔA

根据第二计算对中的第二差分电容和第三差分电容之间的第二电容差值，得到第二相对滑移量。

计算公式如下：

ΔC

式中：ΔA

根据第一相对滑移量和第二相对滑移量进行计算，得到当前差分电容组4处的曲率。计算公式如下：

式中：φ表示当前的差分电容组处弯曲朝向第二圆柱套筒的周向方向上的相位角，ψ

如图2所示，底座3包括上盖31、中间夹盖32、下盖33和空腔35。

中间夹盖32位于上盖31和下盖33之间。上盖31和中间夹盖32对第一圆柱套筒1的第二端进行夹持固定。中间夹盖32和下盖33对第二圆柱套筒2的第二端进行夹持固定。中间夹盖32对储液腔7的第二端进行密封。

空腔35位于上盖31与中间夹盖32之间以及中间夹盖32与下盖33之间，空腔35用于穿过连接线，连接线用于将微通道5与外部测量电路连接。上盖31为圆阶梯凸台状。

将上盖31与中间夹盖32之间定义为第一圆槽，将中间夹盖32与下盖33之间定义为第二圆槽。

第一圆柱套筒1的第二端嵌入第一圆槽内，第二圆柱套筒2的第二端嵌入第二圆槽内。

第一圆槽的第一侧面向第一圆槽的第二侧面的方向倾斜1°，第一圆槽的第二侧面向第一圆槽的第一侧面的方向倾斜1°。

第二圆槽的第一侧面向第二圆槽的第二侧面的方向倾斜1°，第二圆槽的第二侧面向第二圆槽的第一侧面的方向倾斜1°。

中间夹盖32上设有注水通道34，通过注水通道34向储液腔7内注入水。

采用固化池分层浇铸法制备第一圆柱套筒和第二圆柱套筒，抽丝空腔注射成型工艺注射液态金属导体。在内外固化池制备0.5mm厚的硅胶层；在已经成型的0.5mm硅胶层表面进行铜丝走线操作，布置好铜线之后再次浇铸1mm厚的液态硅胶，待第二层硅胶固化之后，将铜丝抽出，将绕线桩取出，裁剪成型的液态硅胶层；进行液态金属注射、极板喷涂；在已经喷涂好极板的硅胶层表面浇铸最后一层的液态硅胶，至液态硅胶完全覆盖极板层，得到矩形硅胶层；对矩形硅胶层进行卷筒封口处理，通过内压条和外固定筒固定成圆筒状；得到第一圆柱套筒和第二圆柱套筒，组装底座以及密封盖将第一圆柱套筒和第二圆柱套筒组装以及固定，由此得到柔性空间线曲率传感器。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。