柔性敏感人工皮膚的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及智能傳感技術(shù)，具體涉及一種柔性敏感人工皮膚。
【背景技術(shù)】
[0002]人的皮膚是一個很大的感覺器官，能感知觸覺，痛覺等多種感覺，其中觸覺的感知尤為重要，通過分布于表層中的邁斯納觸覺小體和皮膚深層的巴西尼環(huán)層小體等觸覺感官器官接受外界刺激，并且進行能量轉(zhuǎn)換，把物理能量轉(zhuǎn)換成神經(jīng)化學(xué)能量，由于與這些觸覺小體相連接的傳入神經(jīng)傳至大腦皮層的中央?yún)^(qū)，即觸覺皮質(zhì)感受區(qū)，經(jīng)分析綜合產(chǎn)生觸覺。
[0003]類似于人的皮膚，機器人皮膚指的是大面積，柔軟，帶有數(shù)據(jù)處理能力的微型陣列，可以覆蓋在機器人表面，用以感知外部環(huán)境，機器人敏感皮膚可實現(xiàn)對外界物理量的定量檢測。由于外部環(huán)境的復(fù)雜性，要求機器人皮膚所采用的觸覺傳感器應(yīng)當具備多物理量采集功能，這正是現(xiàn)今機器人敏感皮膚研宄領(lǐng)域的重點。
[0004]已有用于機器人、機械臂上的常規(guī)觸覺傳感器主要是壓阻式、壓電式和光學(xué)式等結(jié)構(gòu)，其主要材料是硅和金屬；由于已有的觸覺傳感器重量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜而缺乏柔順性，令其感度的調(diào)節(jié)受較大限制。
[0005]近年來也開發(fā)了一些柔順而且質(zhì)量輕的人工皮膚，如PVDF(聚偏氟乙烯)等高分子壓電材料，由于其材質(zhì)柔韌、低密度、低阻抗和高壓電電壓常數(shù)等優(yōu)點近年來受備受關(guān)注，且迅速發(fā)展應(yīng)用于水聲超聲測量、壓力傳感等方面；其不足之處是:自身的壓電應(yīng)變常數(shù)偏低，電荷泄露而令其感度不夠高，使其推廣應(yīng)用受到很大的限制。
[0006]又比如，導(dǎo)電橡膠等壓阻材料，其具有體壓效應(yīng):電阻率隨著受壓增大而減?。慌c表面壓阻效應(yīng):橡膠表面與電極為非完全接觸，兩者間存在一個表面接觸電阻，接觸電阻的打消受橡膠與電極間的接觸程度的影響，導(dǎo)電橡膠受力被壓縮，導(dǎo)致微觀下橡膠表面與電極進一步接觸，從而兩者間的接觸面積增大，表面電阻減??；導(dǎo)電橡膠受力拉伸則導(dǎo)致橡膠表面與電極部分分離，兩者之間接觸面積減小，表面接觸電阻增大；
[0007]以上兩種阻性效應(yīng)導(dǎo)致幾點明顯的不足:電極和導(dǎo)電膠件的接觸電阻變化有滯后現(xiàn)象，非線性特性、靈敏度差，容易受電磁干擾。
[0008]此外，已有的機器人皮膚起初僅為檢測三位力而設(shè)計，是由一塊一塊單獨的傳感器單元附著在一個柔性材料上組成的，每一個傳感器單元都不是柔性的，不能兼有人類皮膚的柔韌性和多維敏感性特征，且具有造價昂貴，信號處理復(fù)雜復(fù)雜。
【實用新型內(nèi)容】
[0009]基于【背景技術(shù)】中所提及的問題，本實用新型為了滿足機器人皮膚的高感度、柔韌性與多功能化的要求，更近接地模擬人類膚質(zhì)的觸覺感觀，提出一種柔性敏感人工皮膚，其具體技術(shù)方案如下:
[0010]一種柔性敏感人工皮膚，包括由導(dǎo)電單體按一定比例與高分子摻雜復(fù)合而成的復(fù)合層，鍍設(shè)于復(fù)合層兩面電極層，以及包裹于電極層外表的外表層，所述導(dǎo)電單體至少包括導(dǎo)電微彈簧。
[0011]于本實用新型的一個或多個實施例當中，所述的復(fù)合層、電極層與外表層均為柔軟材質(zhì)。
[0012]于本實用新型的一個或多個實施例當中，所述導(dǎo)電單體還包括導(dǎo)電纖維和\或?qū)щ婎w粒。
[0013]于本實用新型的一個或多個實施例當中，所述電極層包括以電鍍或化學(xué)鍍的方式鍍設(shè)于復(fù)合層表面的導(dǎo)電線路，以及緊貼遮蓋于導(dǎo)電線路表面的高分子薄膜，所述導(dǎo)電線路為若干相互平行的金屬、碳或其它導(dǎo)電介質(zhì)的線陣列。
[0014]于本實用新型的一個或多個實施例當中，所述復(fù)合層兩面電極層的導(dǎo)電線路互成垂直關(guān)系。
[0015]本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)越性體現(xiàn)在:利用導(dǎo)電碳纖維與高分子復(fù)合技術(shù)，不僅兼有人類皮膚的柔韌性和多維敏感性特征，滿足機器人皮膚的高感度、柔韌性與多功能化的要求，而且更近接地模擬人類膚質(zhì)的觸覺感觀。
【附圖說明】
[0016]圖1為本實用新型之柔性敏感人工皮膚的透視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2為本實用新型之柔性敏感人工皮膚的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3為本實用新型之柔性敏感人工皮膚的電極層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖4為本實用新型之柔性敏感人工皮膚的等效電路圖。
[0020]圖5為本實用新型之導(dǎo)電物體與柔性敏感人工皮膚的距離和傳感信號之間的關(guān)系示意圖。
[0021]圖6為本實用新型之導(dǎo)電物體接觸柔性敏感人工皮膚的形變量和傳感之間的關(guān)系示意圖。
【具體實施方式】
[0022]如下結(jié)合附圖，對本申請方案作進一步描述:
[0023]如圖1、2和3所示，一種柔性敏感人工皮膚，包括由導(dǎo)電單體按一定比例與高分子摻雜復(fù)合而成的復(fù)合層1，鍍設(shè)于復(fù)合層I兩面電極層2，以及包裹于電極層2外表的外表層3，所述導(dǎo)電單體包括導(dǎo)電微彈簧41、導(dǎo)電纖維42和導(dǎo)電顆粒43 ;于本實施例當中，所述導(dǎo)電纖維42為棒狀的碳纖維，所述導(dǎo)電顆料43為炭黑，各導(dǎo)電單體隨機摻雜于復(fù)合層I中，具體地，所述導(dǎo)電纖維42、導(dǎo)電顆粒43分布于導(dǎo)電微彈簧41的間隙中。
[0024]所述的復(fù)合層1、電極層2與外表層3均為柔軟材質(zhì)，具體的，所述復(fù)合層和外表層可采用樹脂或硅橡膠材料。
[0025]所述電極層2包括以電鍍或化學(xué)鍍的方式鍍設(shè)于復(fù)合層I表面的導(dǎo)電線路，以及緊貼遮蓋于導(dǎo)電線路表面的高分子薄膜，所述導(dǎo)電線路為由若干相互平行的金屬、碳或其它導(dǎo)電介質(zhì)的線陣列。
[0026]所述電極層2具體包括覆蓋于復(fù)合層I上表面的上電極層21，以及覆蓋于復(fù)合層I下表面的下電極層22，相應(yīng)地，所述外表層3就包括覆蓋于上電極層21表面上外表層31，以及覆蓋于下電極層22表面的下外表層32。
[0027]所述上電極層21與下電極層22的導(dǎo)電線路互成垂直關(guān)系。
[0028]本實用新型的等效電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，所述導(dǎo)電微彈簧41具有取決于其形狀參數(shù)的電感L、電容C與電阻R，每個導(dǎo)電微彈簧41等效于串聯(lián)的電感L1和電阻R i，再于兩端并聯(lián)有電容C1;各導(dǎo)電微彈簧41之間等效連接電容C 0；
[0029]所述導(dǎo)電纖維42和導(dǎo)電顆粒43相當于導(dǎo)電微彈簧41的電路模型中并接入阻抗R3,影響著傳感件的LCR諧振性能。
[0030]當導(dǎo)電物接近的時候，導(dǎo)電物與皮膚之間形成電容，而產(chǎn)生電容參數(shù)變化信號，并隨著導(dǎo)電物與皮膚的距離接近，皮膚整體的LCR諧振特性變化越趨于明顯，導(dǎo)致其信號輸出有如圖5所示的變化；
[0031]當導(dǎo)電物觸壓到皮膚的時候，隨著皮膚的形變，導(dǎo)電微彈簧41的同樣發(fā)生形變，以及導(dǎo)電纖維42和導(dǎo)電顆粒43與導(dǎo)電微彈簧41之間的接觸，此時引起的是電阻參數(shù)的變化以及LCR諧振特性的變化，并隨著形變量的增大，電阻&大大降低，導(dǎo)致其信號輸出有如圖6所示的變化；
[0032]本實用新型采用亞微米級的炭材料(導(dǎo)電微彈簧41、導(dǎo)電纖維42和導(dǎo)電顆粒43)和高分子復(fù)合材料中，碳纖維41起著類似于人體皮膚中邁斯納觸覺小體的作用；于電極層2的各輸入電極上接入高頻振蕩信號，再通過信號檢測裝置來獲取電極層2的各輸出電極的信號變化；
[0033]當對象物體接近的時候，對象物體和電子皮膚之間形成電容器，而產(chǎn)生電容參數(shù)變化信號；當對象物體觸壓到電子皮膚的時候，導(dǎo)電微彈簧41的變形引起它和周圍導(dǎo)電纖維42和導(dǎo)電顆粒43的接觸，而使得電阻R大大降低，產(chǎn)生R參數(shù)變化信號；上述參數(shù)變化，引起LCR諧振特性的改變，從而令電子皮膚有著敏感的信號輸出。
[0034]上述優(yōu)選實施方式應(yīng)視為本申請方案實施方式的舉例說明，凡與本申請方案雷同、近似或以此為基礎(chǔ)作出的技術(shù)推演、替換、改進等，均應(yīng)視為本專利的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種柔性敏感人工皮膚，其特征在于:包括由導(dǎo)電單體按一定比例與高分子摻雜復(fù)合而成的復(fù)合層，鍍設(shè)于復(fù)合層兩面電極層，以及包裹于電極層外表的外表層，所述導(dǎo)電單體至少包括導(dǎo)電微彈簧。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性敏感人工皮膚，其特征在于:所述的復(fù)合層、電極層與外表層均為柔軟材質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的柔性敏感人工皮膚，其特征在于:所述導(dǎo)電單體還包括導(dǎo)電纖維和\或?qū)щ婎w粒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任意一項所述的柔性敏感人工皮膚，其特征在于:所述電極層包括以電鍍或化學(xué)鍍的方式鍍設(shè)于復(fù)合層表面的導(dǎo)電線路，以及緊貼遮蓋于導(dǎo)電線路表面的高分子薄膜，所述導(dǎo)電線路為若干相互平行的金屬、碳或其它導(dǎo)電介質(zhì)的線陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的柔性敏感人工皮膚，其特征在于:所述復(fù)合層兩面電極層的導(dǎo)電線路互成垂直關(guān)系。
【專利摘要】本實用新型提出一種柔性敏感人工皮膚，其特征在于：包括由導(dǎo)電單體按一定比例與高分子摻雜復(fù)合而成的復(fù)合層，鍍設(shè)于復(fù)合層兩面電極層，以及包裹于電極層外表的外表層,所述導(dǎo)電單體至少包括導(dǎo)電微彈簧。本實用新型利用導(dǎo)電碳纖維與高分子復(fù)合技術(shù)，不僅兼有人類皮膚的柔韌性和多維敏感性特征，滿足機器人皮膚的高感度、柔韌性與多功能化的要求，而且更近接地模擬人類膚質(zhì)的觸覺感觀。
【IPC分類】B25J19-02
【公開號】CN204604356
【申請?zhí)枴緾N201520277255
【發(fā)明人】楊少明
【申請人】廣東雙虹新材料科技有限公司
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年4月30日