高敏度的智能機器人皮膚的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及智能傳感技術，具體涉及一種高敏度的智能機器人皮膚。
【背景技術】
[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)境的復雜性，要求機器人皮膚所采用的觸覺傳感器應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、壓電式和光學式等結構，其主要材料是硅和金屬；由于已有的觸覺傳感器重量大、結構復雜而缺乏柔順性，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)點近年來受備受關注，且迅速發(fā)展應用于水聲超聲測量、壓力傳感等方面；其不足之處是:自身的壓電應變常數(shù)偏低，電荷泄露而令其感度不夠高，使其推廣應用受到很大的限制。
[0006]又比如，導電橡膠等壓阻材料，其具有體壓效應:電阻率隨著受壓增大而減?。慌c表面壓阻效應: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，導電橡膠受力被壓縮，導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?。粚щ娤鹉z受力拉伸則導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；
以上兩種阻性效應導致幾點明顯的不足:電極和導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。
[0007]此外，已有的機器人皮膚起初僅為檢測三位力而設計，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，信號處理復雜復雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]基于【背景技術】中所提及的問題，本發(fā)明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，提出一種高敏度的智能機器人皮膚，其具體技術方案如下:
一種高敏度的智能機器人皮膚，包括由導電單體按一定比例與高分子摻雜復合而成的復合層，鍍設于復合層兩面電極層，以及包裹于電極層外表的外表層，所述導電單體至少包括導電微彈簧。
[0009]于本發(fā)明的一個或多個實施例當中，所述的復合層、電極層與外表層均為柔軟材質(zhì)。
[0010]于本發(fā)明的一個或多個實施例當中，所述導電單體還包括導電纖維和\或?qū)щ婎w粒。
[0011 ] 于本發(fā)明的一個或多個實施例當中，所述電極層包括以電鍍或化學鍍的方式鍍設于復合層表面的導電線路，以及緊貼遮蓋于導電線路表面的高分子薄膜，所述導電線路為若干相互平行的金屬、碳或其它導電介質(zhì)的線陣列。
[0012]于本發(fā)明的一個或多個實施例當中，所述復合層兩面電極層的導電線路互成垂直關系O
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其優(yōu)越性體現(xiàn)在:利用導電碳纖維與高分子復合技術，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】
[0014]圖1為本發(fā)明之智能機器人皮膚的透視結構示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明之智能機器人皮膚的剖面結構示意圖。
[0016]圖3為本發(fā)明之智能機器人皮膚的電極層結構示意圖。
[0017]圖4為本發(fā)明之智能機器人皮膚的等效電路圖。
[0018]圖5為本發(fā)明之導電物體與智能機器人皮膚的距離和傳感信號之間的關系示意圖。
[0019]圖6為本發(fā)明之導電物體接觸智能機器人皮膚的形變量和傳感之間的關系示意圖。
【具體實施方式】
[0020]如下結合附圖，對本申請方案作進一步描述:
如圖1、2和3所示，一種高敏度的智能機器人皮膚，包括由導電單體按一定比例與高分子摻雜復合而成的復合層1，鍍設于復合層I兩面電極層2，以及包裹于電極層2外表的外表層3，所述導電單體包括導電微彈簧41、導電纖維42和導電顆粒43 ;于本實施例當中，所述導電纖維42為棒狀的碳纖維，所述導電顆料43為炭黑，各導電單體隨機摻雜于復合層I中，具體地，所述導電纖維42、導電顆粒43分布于導電微彈簧41的間隙中。
[0021 ] 所述的復合層1、電極層2與外表層3均為柔軟材質(zhì)，具體的，所述復合層和外表層可采用樹脂或硅橡膠材料。
[0022]所述電極層2包括以電鍍或化學鍍的方式鍍設于復合層I表面的導電線路，以及緊貼遮蓋于導電線路表面的高分子薄膜，所述導電線路為由若干相互平行的金屬、碳或其它導電介質(zhì)的線陣列。
[0023]所述電極層2具體包括覆蓋于復合層I上表面的上電極層21，以及覆蓋于復合層I下表面的下電極層22，相應地，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。
[0024]所述上電極層21與下電極層22的導電線路互成垂直關系。
[0025]本發(fā)明的等效電路結構如圖4所示，所述導電微彈簧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;各導電微彈簧41之間等效連接電容C 0；
所述導電纖維42和導電顆粒43相當于導電微彈簧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。
[0026]當導電物接近的時候，導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，導致其信號輸出有如圖5所示的變化；
當導電物觸壓到皮膚的時候，隨著皮膚的形變，導電微彈簧41的同樣發(fā)生形變，以及導電纖維42和導電顆粒43與導電微彈簧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，導致其信號輸出有如圖6所示的變化；
本發(fā)明采用亞微米級的炭材料(導電微彈簧41、導電纖維42和導電顆粒43)和高分子復合材料中，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；
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，導電微彈簧41的變形引起它和周圍導電纖維42和導電顆粒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。
[0027]上述優(yōu)選實施方式應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、近似或以此為基礎作出的技術推演、替換、改進等，均應視為本專利的保護范圍。
【主權項】
1.一種高敏度的智能機器人皮膚，其特征在于:包括由導電單體按一定比例與高分子摻雜復合而成的復合層，鍍設于復合層兩面電極層，以及包裹于電極層外表的外表層，所述導電單體至少包括導電微彈簧。
2.根據(jù)權利要求1所述的高敏度的智能機器人皮膚，其特征在于:所述的復合層、電極層與外表層均為柔軟材質(zhì)。
3.根據(jù)權利要求2所述的高敏度的智能機器人皮膚，其特征在于:所述導電單體還包括導電纖維和\或?qū)щ婎w粒。
4.根據(jù)權利要求1-3任意一項所述的高敏度的智能機器人皮膚，其特征在于:所述電極層包括以電鍍或化學鍍的方式鍍設于復合層表面的導電線路，以及緊貼遮蓋于導電線路表面的高分子薄膜，所述導電線路為若干相互平行的金屬、碳或其它導電介質(zhì)的線陣列。
5.根據(jù)權利要求4所述的高敏度的智能機器人皮膚，其特征在于:所述復合層兩面電極層的導電線路互成垂直關系。
【專利摘要】本發(fā)明提出一種高敏度的智能機器人皮膚，其特征在于：包括由導電單體按一定比例與高分子摻雜復合而成的復合層，鍍設于復合層兩面電極層，以及包裹于電極層外表的外表層,所述導電單體至少包括導電微彈簧。本發(fā)明利用導電碳纖維與高分子復合技術，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】CN104827491
【申請?zhí)枴緾N201510218591
【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8月12日
【申請日】2015年4月30日