微圆顶结构柔性触觉传感器接触模型与仿真研究
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触觉传感器中设计微结构是提升其灵敏度的常用方法 之一，常见微结构有金字塔、触须状、凹凸状等［8 ～ 12］。Park J 等人［13］以碳纳米管填充聚二甲基硅 氧 烷 （ poly dimethyl siloxane，PDMS） 为敏感材料，制备具有圆顶阵列结构的高 灵敏度触觉传感器，可实现对法向力、切向力、弯曲以及扭 力等检测。高丽大学 Choong C L 等人［14］在金字塔微结构 柔性基体表面包裹一层导电聚合物，利用在触觉力作用下， 金字塔微结构与电极间接触电阻和体电阻发生变化，以实 现高灵敏度触觉感知。研发具有柔性、高灵敏度触觉感知 功能的电容式触觉传感器仍是机器人柔性电子皮肤研究中 所面临的问题之一。
关键词： 触觉传感器； 微圆顶； 柔性； 接触模型； ANSYS 仿真
中图分类号： TP 212； TP 242． 6
文献标识码： A
文章编号： 1000—9787（ 2019） 09—0015—04
Research on contact model and simulation of flexible tactile sensor with microdome structure
摘 要： 面向高灵敏度柔性触觉传感器应用需求，研究微结构在高灵敏柔性触觉传感器制备中应用。依
据压阻理论和接触力学，建立微圆顶结构数学接触模型，并结合 ANSYS 有限元仿真，论述柔性触觉敏感单
元微圆顶接触半径与外力之间的函数关系，揭示微圆顶结构几何参数对压阻特性的影响，阐述微圆顶结构
柔性触觉传感器更有利于提升传感器灵敏度和线性度，为高灵敏度柔性触觉传感器设计提供参考依据。
本文依据压阻理论和接触力学相关理论，分析微圆顶
收稿日期： 2018—06—01
卷
结构参数对柔性触觉传感器压敏特性的影响，通过数学接 触模型和 ANSYS 有限元仿真论述微圆顶结构有利于提升 柔性触觉传感器灵敏度，对高灵敏度柔性触觉传感器设计 具有重要意义。 1 微圆顶结构与触觉感知机理
2019 年 第 38 卷 第 9 期
传感器与微系统（ Transducer and Microsystem Technologies）
15
DOI： 10． 13873 / J． 1000—9787（ 2019） 09—0015—04
微圆顶结构柔性触觉传感器接触模型与仿真研究
聂操
（ 合肥工业大学 电子科学与应用物理学院，安徽 合肥 230009）
NIE Cao
（ School of Electronic Science ＆ Applied Physics，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）
Abstract： Facing the application requirement of flexible tactile sensors with high sensitivity，application of microstructure in preparation of high sensitive flexible tactile sensors are researched． Mathematical contact model for microdome structure is established，based on the piezoresistive theory and contact mechanics and combined with the ANSYS finite element simulation，the function relationship between contact radius and external force of micordome of flexible tactile sensitive unit is analyzed． The effect of geometric parameters of microdome structure on piezoresistive characteristics are studied． The research illustrates that the flexible tactile sensor with microdome structure is more conductive to enhance the sensitivity and linearity of the sensor，and can provide the reference for the design of flexible tactile sensor with high sensitivity． Keywords： tactile sensor； microdome； flexible； contact model； ANSYS simulation
传统硅基、金属应变片式机器人触觉传感器在柔性、延 展性及穿戴舒适性等方面存在一定的弊端，为模拟人体皮肤 触觉感知功能，在外形结构及感知功能方面，设计具备柔性、 可拉伸性、高灵敏度以及可大面积穿戴等特点的触觉传感器 成为机器人柔性电子皮肤的研究热点。柔性触觉传感器可
分为电阻式、压电式、光电式和电容式等几类［5 ～7］。对于机 器人电子皮肤触觉传感器而言，兼备高柔性、高弹性和高精 度测量等特点是柔性触觉传感器设计所面临的主要难题。
0引言 随着机器人技术的不断发展，智能机器人在人们生产
生活中发挥着重要作用，人机交互日益频繁，具备触觉感知 功能是智能机器人的一个重要特征。机器人电子皮肤（ eskin） 是由覆盖在机器人表面大面积、柔性、具有触觉感知 和数据处理功能的传感器阵列构成，是仅次于机器人视觉 获取环境信息的重要感知形式［1～ 4］。具备触觉感知的机器 人柔性电子皮肤是保障机器人与环境交互安全性、智能性、 精准性，以及复杂动态环境下实现机器人与人之间的协同 作业、对环境信息的精准、多模态感知的重要因素。
关键词： 触觉传感器； 微圆顶； 柔性； 接触模型； ANSYS 仿真
中图分类号： TP 212； TP 242． 6
文献标识码： A
文章编号： 1000—9787（ 2019） 09—0015—04
Research on contact model and simulation of flexible tactile sensor with microdome structure
摘 要： 面向高灵敏度柔性触觉传感器应用需求，研究微结构在高灵敏柔性触觉传感器制备中应用。依
据压阻理论和接触力学，建立微圆顶结构数学接触模型，并结合 ANSYS 有限元仿真，论述柔性触觉敏感单
元微圆顶接触半径与外力之间的函数关系，揭示微圆顶结构几何参数对压阻特性的影响，阐述微圆顶结构
柔性触觉传感器更有利于提升传感器灵敏度和线性度，为高灵敏度柔性触觉传感器设计提供参考依据。
本文依据压阻理论和接触力学相关理论，分析微圆顶
收稿日期： 2018—06—01
卷
结构参数对柔性触觉传感器压敏特性的影响，通过数学接 触模型和 ANSYS 有限元仿真论述微圆顶结构有利于提升 柔性触觉传感器灵敏度，对高灵敏度柔性触觉传感器设计 具有重要意义。 1 微圆顶结构与触觉感知机理
2019 年 第 38 卷 第 9 期
传感器与微系统（ Transducer and Microsystem Technologies）
15
DOI： 10． 13873 / J． 1000—9787（ 2019） 09—0015—04
微圆顶结构柔性触觉传感器接触模型与仿真研究
聂操
（ 合肥工业大学 电子科学与应用物理学院，安徽 合肥 230009）
NIE Cao
（ School of Electronic Science ＆ Applied Physics，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）
Abstract： Facing the application requirement of flexible tactile sensors with high sensitivity，application of microstructure in preparation of high sensitive flexible tactile sensors are researched． Mathematical contact model for microdome structure is established，based on the piezoresistive theory and contact mechanics and combined with the ANSYS finite element simulation，the function relationship between contact radius and external force of micordome of flexible tactile sensitive unit is analyzed． The effect of geometric parameters of microdome structure on piezoresistive characteristics are studied． The research illustrates that the flexible tactile sensor with microdome structure is more conductive to enhance the sensitivity and linearity of the sensor，and can provide the reference for the design of flexible tactile sensor with high sensitivity． Keywords： tactile sensor； microdome； flexible； contact model； ANSYS simulation
传统硅基、金属应变片式机器人触觉传感器在柔性、延 展性及穿戴舒适性等方面存在一定的弊端，为模拟人体皮肤 触觉感知功能，在外形结构及感知功能方面，设计具备柔性、 可拉伸性、高灵敏度以及可大面积穿戴等特点的触觉传感器 成为机器人柔性电子皮肤的研究热点。柔性触觉传感器可
分为电阻式、压电式、光电式和电容式等几类［5 ～7］。对于机 器人电子皮肤触觉传感器而言，兼备高柔性、高弹性和高精 度测量等特点是柔性触觉传感器设计所面临的主要难题。
0引言 随着机器人技术的不断发展，智能机器人在人们生产
生活中发挥着重要作用，人机交互日益频繁，具备触觉感知 功能是智能机器人的一个重要特征。机器人电子皮肤（ eskin） 是由覆盖在机器人表面大面积、柔性、具有触觉感知 和数据处理功能的传感器阵列构成，是仅次于机器人视觉 获取环境信息的重要感知形式［1～ 4］。具备触觉感知的机器 人柔性电子皮肤是保障机器人与环境交互安全性、智能性、 精准性，以及复杂动态环境下实现机器人与人之间的协同 作业、对环境信息的精准、多模态感知的重要因素。