CN111283690A - 一种用于人机交互安全的弹性仿生绒毛式电子皮肤 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于人机交互安全的弹性仿生绒毛式电子皮肤，属于仿生技术领域。该电子皮肤由下层弹性缓冲层，所述弹性缓冲层由特种合成橡胶丁基橡胶构成；中层敏感单元层，所述传感单元层上设置有若干阵列电路连接的混合材料作为填料1的传感单元，所述传感单元依靠电阻变化将压力值转换为电压信号；上层绒毛层，所述绒毛层由阵列电路连接的绒毛式传感单元构成，所述绒毛式传感单元由混合材料作为填料2的应变传感单元与阵列电路连接。本发明提高了传感器的灵敏度；采用特种合成橡胶丁基橡胶作为接触时的缓冲层，降低了发生事故时的严重性；采用柔性聚酯薄膜，提高了传感器的柔性，方便于贴合在各种复杂的机器人表面和关节处。

Description

一种用于人机交互安全的弹性仿生绒毛式电子皮肤
技术领域
本发明属于仿生技术领域，涉及一种用于人机交互安全的弹性仿生绒毛式电子皮肤。
背景技术
人类皮肤能感知触觉、痛觉、热觉等多种感觉，其中触觉的感知尤为重要。在人机交互过程中人和机器人不可避免的发生碰撞，对人的安全造成很大的威胁。因此，如何保证人和机器人的安全交互成为机器人应用和发展亟待解决的首要问题，而触觉仿生电子皮肤可以在这个问题中发挥重要作用。
将一层电子皮肤附着在机器人表面，以便模仿甚或超越人类皮肤感觉功能。电子皮肤的设计要求包括两方面，第一，电子皮肤应该具有仿生功能。在人或者其他物体在和机器人接触时，会依次有以下过程，接触->按压->挤压。如果在刚接触的时候就可以感知到，进而根据是否发生按压甚至挤压作出反应，这主要通过传感器结构来实现；第二，仿生电子皮肤不但具有感受外界环境信息的能力，还要能够在一些机器人复杂的表面和活动的关节上完全覆盖，这就要求电子皮肤必须具备一定的柔性与弹性。电子皮肤有非常多的种类和应用，而用于触觉检测的弹性仿生电子皮肤是其中最具研究性和应用潜力最大的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于人机交互安全的弹性仿生绒毛式电子皮肤。实现人机交互过程中，现有电子皮肤的柔性弹性和测量的精度不能兼顾的问题。在人机交互中，1，当机器以非常近的距离掠过物体但未直接接触时，电子皮肤应该能够像人类皮肤一样感应出。而人类皮肤主要是通过表面的绒毛来感应。2，当机器和物体或者人发生接触时，传感器应该更加灵敏和以更广的压力量程检测到接触。3，当人或者物体和机器发生更为剧烈的挤压时，传感器应该也可以做到检测。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于人机交互安全的弹性仿生绒毛式电子皮肤，包括表面下层的弹性缓冲层，中层的敏感单元层，上层的绒毛层；
所述弹性缓冲层由特种合成橡胶丁基橡胶构成；
所述敏感单元层设置有若干阵列电路以及与其连接的混合材料作为填料1的传感单元；
所述传感单元依靠电阻变化将压力值转换为电压信号；
所述绒毛层由阵列电路连接的绒毛式传感单元构成；
所述绒毛式传感单元由混合材料作为填料2的应变传感单元与阵列电路连接。
可选的，所述弹性缓冲层由特种合成橡胶丁基橡胶作为缓冲层，厚度为2mm。
可选的，所述敏感单元层上开有凹槽，电极做成叉指电极；所述混合材料作为填料1的传感单元与阵列电路贴合，并将凹槽覆盖。
可选的，所述填料1为碳纳米管、C60、石墨烯微片的混合材料，其中比例为：碳纳米管不少于56％，C60不少于23％，石墨烯微片不少于21％。
可选的，所述传感单元在柔性聚酯薄膜上制作，各个传感单元以行列式的形式连接，利用粘合层粘贴在柔性电路板上，通过模拟开关控制传感单元的选通。
可选的，所述绒毛式传感单元采用混合材料作为填料2的传感单元，填料2分布在绒毛外边缘；叉指电极即横向和纵向电极与绒毛传感单元两端连接，并通过模拟开关控制传感单元的选通。
可选的，所述填料2为碳纳米管、C60、石墨烯微片的混合材料，其中比例为：碳纳米管不少于43％，C60不少于35％，石墨烯微片不少于22％。
本发明的有益效果在于：
一是可以探测到从接触到轻按压再到挤压过程中每一步的压力信息；二是使用三维共形力敏界面的石墨烯碳纳米墙/PDMS微片嵌入高分子材料，大幅提高了可靠性。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明的结构示意图；
图2为绒毛传感器示意图；
图3为叉指电极示意图；
图4为绒毛层传感器制作示意图；
附图标记：1-特种合成橡胶；2-传感单元以及阵列电路板；3-绒毛层传感器；31-填料；32-叉指电极。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参见图1～图3，一种用于人机交互过程中触觉检测的弹性仿生电子皮肤，属于人机交互中的安全领域。该电子皮肤由下层弹性缓冲层，所述弹性缓冲层由特种合成橡胶丁基橡胶构成；中层敏感单元层，所述传感单元层上设置有若干阵列电路连接的混合材料作为填料1的传感单元，所述传感单元依靠电阻变化将压力值转换为电压信号；上层绒毛层，所述绒毛层由阵列电路连接的绒毛式传感单元构成，所述绒毛式传感单元由混合材料作为填料2的应变传感单元与阵列电路连接。在人机交互过程中，本电子皮肤可以做到感应靠近、接触、按压，缓冲碰撞程度。本发明采用新的填充材料和绒毛式传感单元结构，提高了传感器的灵敏度；采用特种合成橡胶丁基橡胶作为接触时的缓冲层，降低了发生事故时的严重性；采用柔性聚酯薄膜，提高了传感器的柔性，方便于贴合在各种复杂的机器人表面和关节处。
在本发明中，柔性仿生电子皮肤的结构是基于生物体皮肤的生理结构特性确定的，以使得柔性仿生电子皮肤能够模拟生物体皮肤的功能进行工作。其中，弹性层相当生物体的皮肤，弹性层上的绒毛相当于生物体皮肤上的汗毛，柔性FPC电路板相当于生物体皮肤中的神经元。可以通过力敏层对弹性层的阻值进行检测，并使得计算机等终端设备根据检测结果确定柔性仿生电子皮肤所受到的力的大小，相当于生物体皮肤受到刺激时，神经元将刺激以电信号的传递至大脑，以使大脑确定该刺激。具体而言：当绒毛被压迫时，力敏单元和电极层接触，引起压力传感单元的介质层形变，从而引起电阻值的变化，由此实现对压力的测量。
本发明所述填料1为碳纳米管、C60、石墨烯微片的混合材料，其中比例为碳纳米管不少于56％，C60不少于23％，石墨烯微片不少于21％。，该混合材料比例为优选比例，作为填料具有良好的力学稳定性和柔性，当受到力的作用时，单个绒毛式传感单元首先应变，然后多个绒毛之间形成压力。填料密度发生变化，电阻也随即发生变化。
本发明所述填料2为碳纳米管、C60、石墨烯微片的混合材料，其中比例为碳纳米管不少于43％，C60不少于35％，石墨烯微片不少于22％。该混合材料比例为优选比例，作为填料具有良好的力学稳定性和柔性，当受到力的作用时，柔性阵列电路板上的传感层发生形变，填料密度发生变化，电阻也随即发生变化。
本发明的弹性层优选为特种合成橡胶丁基橡胶。厚度为2mm
绒毛传感层制备方式如图4所示，图中单位是mm，绒毛长度为16mm。过程如下，
1.使用Cu为制备材料，确定打孔位置；
2.打孔，使用PECVD生长石墨烯碳纳米墙
3.激光烧蚀加工连接电路
4.丝网印刷，使用金材料填制连接电路
5.PDMS倒模，做成绒毛层
上述电子皮肤的尺寸可以根据实际需求调整。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种用于人机交互安全的弹性仿生绒毛式电子皮肤，其特征在于：
包括表面下层的弹性缓冲层，中层的敏感单元层，上层的绒毛层；
所述弹性缓冲层由特种合成橡胶丁基橡胶构成；
所述敏感单元层设置有若干阵列电路以及与其连接的混合材料作为填料1的传感单元；
所述传感单元依靠电阻变化将压力值转换为电压信号；
所述绒毛层由阵列电路连接的绒毛式传感单元构成；
所述绒毛式传感单元由混合材料作为填料2的应变传感单元与阵列电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于人机交互安全的弹性仿生绒毛式电子皮肤，其特征在于：所述弹性缓冲层由特种合成橡胶丁基橡胶作为缓冲层，厚度为2mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于人机交互安全的弹性仿生绒毛式电子皮肤，其特征在于：所述敏感单元层上开有凹槽，电极做成叉指电极；所述混合材料作为填料1的传感单元与阵列电路贴合，并将凹槽覆盖。
4.根据权利要求1所述的一种用于人机交互安全的弹性仿生绒毛式电子皮肤，其特征在于：所述填料1为碳纳米管、C60、石墨烯微片的混合材料，其中比例为：碳纳米管不少于56％，C60不少于23％，石墨烯微片不少于21％。
5.根据权利要求1所述的一种用于人机交互安全的弹性仿生绒毛式电子皮肤，其特征在于：所述传感单元在柔性聚酯薄膜上制作，各个传感单元以行列式的形式连接，利用粘合层粘贴在柔性电路板上，通过模拟开关控制传感单元的选通。
6.根据权利要求1所述的一种用于人机交互安全的弹性仿生绒毛式电子皮肤，其特征在于：所述绒毛式传感单元采用混合材料作为填料2的传感单元，填料2分布在绒毛外边缘；叉指电极即横向和纵向电极与绒毛传感单元两端连接，并通过模拟开关控制传感单元的选通。
7.根据权利要求1所述的一种用于人机交互安全的弹性仿生绒毛式电子皮肤，其特征在于：所述填料2为碳纳米管、C60、石墨烯微片的混合材料，其中比例为：碳纳米管不少于43％，C60不少于35％，石墨烯微片不少于22％。
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