非接触-接触双模式人机交互的高灵敏度柔性电容传感器

       人机交互已广泛应用于机器人控制和增强现实/虚拟现实。但目前的人机交互主要是基于单一的交互模式，需要佩戴笨重的设备或与界面保持物理接触，导致交互效率和智能化程度有限。

       基于上述情况，浙江大学机械306实验室博士生刘伟杰提出了一种新型柔性双模式电容传感器，可实现非接触距离和接触压力的复合传感，应用于人机交互接口，实现无接触、无接触的双模式人机交互。

       Advanced发布了相关结果 Materials 在Technologies期刊上，题为“A Flexible Dual-Mode Capacitive Sensor for Highly Sensitive Touchless and Tactile Sensing in Human-Machine Interactions”。国家自然科学基金、中央高校基础研究基金等项目资助论文研究。国家自然科学基金、中央大学基础研究基金等项目资助论文研究。论文研究得到了国家自然科学基金、中央大学基础研究基金等项目的资助。

       传感器的结构由三层组成：顶部和底部为带有迷宫铜电极的PET，顶部和底部电极之间有一层硅橡胶介质层，具有多孔截断金字塔的双层微结构。传感器分为12个传感器单元，每个传感器单元由一对互补的迷宫电极和多孔截顶金字塔分层电介质组成。将电极设计成方形迷宫结构，加强边缘电场，提高近距离感知性能。

       金字塔分层介质层的设计旨在通过分层变形提高硅橡胶的变形能力，从而提高压力传感性能。 

       柔性双模电容器传感器的结构图接近传感器的原理是：上下电极构成电容器双极板。当外部物体不接触传感器时，传感器通过电极刺激的边缘电场检测外部物体的接近。当外部物体接近时，传感器刺激的边缘电场会减弱。对于导电物体，原边缘电场的减弱主要是由于静电感应产生的感应电荷，而绝缘物体主要通过极化效应削弱边缘电场。

       压力传感的原理是，当物体开始对传感器施加压力时，介电层开始变形，传感器中的电场就会发生变化。

       由此可见，在低压范围内，由于杨氏模量较低，多孔结构会迅速变形。内孔被挤压，上下电极之间的距离减小，介电层的介电常数也会因空气被挤压而增加。两者都会增加传感器的电容。在这一阶段，由于多孔结构的应力分散，截顶金字塔结构变形不明显。因此，电容的变化主要是由多孔结构的变形引起的。内孔在高压范围内完全压缩，多孔结构可视为向下固体，进一步挤压截顶金字塔结构。

       截面金字塔结构的变形缩短了上下电极之间的距离，从而增加了电容。模拟分析提出的柔性双模电容传感器的工作原理和双模传感器具有较高的传感性能，非接触距离检测范围可达110mm，对不同接近速度的物体进行不同的检测，具有良好的信号稳定性。压力检测范围为0-200kPa，具有两段线性灵敏度，最大灵敏度为0.464% kPa⁻¹。

       此外，传感器还能有效区分近距离信号和触觉信号，具有良好的信号稳定性、可重复性和准确识别手势动作的能力。我们进行了机器人交互实验，以验证我们开发的双模传感器在人机交互中的潜在应用。因此，我们建立了人机交互平台。传感器通过FPC连接到采集电路。MCU通过控制模拟开关选择传感器单元。

       传感器单元选择行电极和列电极，然后连接到AD7153 在方波激励期间，CDC芯片通过传感器的电荷连续采样收集电容数据。然后通过USB将数据传输到控制机械臂的计算机，根据收集到的数据识别交互动作，然后通过USB RS232将控制命令传输给机械臂和机械手。手指通过传感器单元1-单元4-单元8-单元11获得相应的序列-单元1减少0.38pf，单元4减少0.31pf，单元8减少0.39pf，单元11减少0.45pf。机械臂可实时接收Y轴逆时针旋转的运动指令并完成操作。除非接触式交互外，传感器还能很好地实现接触式交互。手指与不同传感器单元的接触可以依次抓取和释放机械手，机械臂在Z轴上的下降。

       传感器还能连续实现一系列动作的感知，并能在非接触式和接触式交互之间无缝切换。该传感器的卓越性能不仅促进了智能人机交互技术的发展，而且突出了其在未来人机界面应用中的巨大潜力。通过无缝、准确地检测非触摸和触觉输入，可以提高用户的控制能力和直观的交互体验。将这种传感器集成到各种交互系统中，将给人机交互领域带来新的机遇。

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