CN104827491B - 高敏度的智能机器人皮肤 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种高敏度的智能机器人皮肤，其特征在于：包括由导电单体按一定比例与高分子掺杂复合而成的复合层，镀设于复合层两面电极层，以及包裹于电极层外表的外表层,所述导电单体至少包括导电微弹簧。本发明利用导电碳纤维与高分子复合技术，不仅兼有人类皮肤的柔韧性和多维敏感性特征，满足机器人皮肤的高感度、柔韧性与多功能化的要求，而且更近接地模拟人类肤质的触觉感观。
Description
技术领域
本发明涉及智能传感技术，具体涉及一种高敏度的智能机器人皮肤。
背景技术
人的皮肤是一个很大的感觉器官，能感知触觉，痛觉等多种感觉，其中触觉的感知尤为重要，通过分布于表层中的迈斯纳触觉小体和皮肤深层的巴西尼环层小体等触觉感官器官接受外界刺激，并且进行能量转换，把物理能量转换成神经化学能量，由于与这些触觉小体相连接的传入神经传至大脑皮层的中央区，即触觉皮质感受区，经分析综合产生触觉。
类似于人的皮肤，机器人皮肤指的是大面积，柔软，带有数据处理能力的微型阵列，可以覆盖在机器人表面，用以感知外部环境，机器人敏感皮肤可实现对外界物理量的定量检测。由于外部环境的复杂性，要求机器人皮肤所采用的触觉传感器应当具备多物理量采集功能，这正是现今机器人敏感皮肤研究领域的重点。
已有用于机器人、机械臂上的常规触觉传感器主要是压阻式、压电式和光学式等结构，其主要材料是硅和金属；由于已有的触觉传感器重量大、结构复杂而缺乏柔顺性，令其感度的调节受较大限制。
近年来也开发了一些柔顺而且质量轻的人工皮肤，如PVDF(聚偏氟乙烯)等高分子压电材料，由于其材质柔韧、低密度、低阻抗和高压电电压常数等优点近年来受备受关注，且迅速发展应用于水声超声测量、压力传感等方面；其不足之处是：自身的压电应变常数偏低，电荷泄露而令其感度不够高，使其推广应用受到很大的限制。
又比如，导电橡胶等压阻材料，其具有体压效应：电阻率随着受压增大而减小；与表面压阻效应：橡胶表面与电极为非完全接触，两者间存在一个表面接触电阻，接触电阻的打消受橡胶与电极间的接触程度的影响，导电橡胶受力被压缩，导致微观下橡胶表面与电极进一步接触，从而两者间的接触面积增大，表面电阻减小；导电橡胶受力拉伸则导致橡胶表面与电极部分分离，两者之间接触面积减小，表面接触电阻增大；
以上两种阻性效应导致几点明显的不足：电极和导电胶件的接触电阻变化有滞后现象，非线性特性、灵敏度差，容易受电磁干扰。
此外，已有的机器人皮肤起初仅为检测三位力而设计，是由一块一块单独的传感器单元附着在一个柔性材料上组成的，每一个传感器单元都不是柔性的，不能兼有人类皮肤的柔韧性和多维敏感性特征，且具有造价昂贵，信号处理复杂复杂。
发明内容
基于背景技术中所提及的问题，本发明为了满足机器人皮肤的高感度、柔韧性与多功能化的要求，更近接地模拟人类肤质的触觉感观，提出一种高敏度的智能机器人皮肤，其具体技术方案如下：
一种高敏度的智能机器人皮肤，包括由导电单体按一定比例与高分子掺杂复合而成的复合层，镀设于复合层两面电极层，以及包裹于电极层外表的外表层,所述导电单体至少包括导电微弹簧。
于本发明的一个或多个实施例当中，所述的复合层、电极层与外表层均为柔软材质。
于本发明的一个或多个实施例当中，所述导电单体还包括导电纤维和\或导电颗粒。
于本发明的一个或多个实施例当中，所述电极层包括以电镀或化学镀的方式镀设于复合层表面的导电线路，以及紧贴遮盖于导电线路表面的高分子薄膜，所述导电线路为若干相互平行的金属、碳或其它导电介质的线阵列。
于本发明的一个或多个实施例当中，所述复合层两面电极层的导电线路互成垂直关系。
本发明与现有技术相比，其优越性体现在：利用导电碳纤维与高分子复合技术，不仅兼有人类皮肤的柔韧性和多维敏感性特征，满足机器人皮肤的高感度、柔韧性与多功能化的要求，而且更近接地模拟人类肤质的触觉感观。
附图说明
图1为本发明之智能机器人皮肤的透视结构示意图。
图2为本发明之智能机器人皮肤的剖面结构示意图。
图3为本发明之智能机器人皮肤的电极层结构示意图。
图4为本发明之智能机器人皮肤的等效电路图。
图5为本发明之导电物体与智能机器人皮肤的距离和传感信号之间的关系示意图。
图6为本发明之导电物体接触智能机器人皮肤的形变量和传感之间的关系示意图。
具体实施方式
如下结合附图，对本申请方案作进一步描述：
如图1、2和3所示，一种高敏度的智能机器人皮肤，包括由导电单体按一定比例与高分子掺杂复合而成的复合层1，镀设于复合层1两面电极层2，以及包裹于电极层2外表的外表层3,所述导电单体包括导电微弹簧41、导电纤维42和导电颗粒43；于本实施例当中，所述导电纤维42为棒状的碳纤维，所述导电颗料43为炭黑，各导电单体随机掺杂于复合层1中，具体地，所述导电纤维42、导电颗粒43分布于导电微弹簧41的间隙中。
所述的复合层1、电极层2与外表层3均为柔软材质，具体的，所述复合层和外表层可采用树脂或硅橡胶材料。
所述电极层2包括以电镀或化学镀的方式镀设于复合层1表面的导电线路，以及紧贴遮盖于导电线路表面的高分子薄膜，所述导电线路为由若干相互平行的金属、碳或其它导电介质的线阵列。
所述电极层2具体包括覆盖于复合层1上表面的上电极层21，以及覆盖于复合层1下表面的下电极层22，相应地，所述外表层3就包括覆盖于上电极层21表面上外表层31，以及覆盖于下电极层22表面的下外表层32。
所述上电极层21与下电极层22的导电线路互成垂直关系。
本发明的等效电路结构如图4所示，所述导电微弹簧41具有取决于其形状参数的电感L、电容C与电阻R，每个导电微弹簧41等效于串联的电感L1和电阻R1，再于两端并联有电容C1；各导电微弹簧41之间等效连接电容C0；
所述导电纤维42和导电颗粒43相当于导电微弹簧41的电路模型中并接入阻抗R3，影响着传感件的LCR谐振性能。
当导电物接近的时候，导电物与皮肤之间形成电容，而产生电容参数变化信号，并随着导电物与皮肤的距离接近，皮肤整体的LCR谐振特性变化越趋于明显，导致其信号输出有如图5所示的变化；
当导电物触压到皮肤的时候，随着皮肤的形变，导电微弹簧41的同样发生形变，以及导电纤维42和导电颗粒43与导电微弹簧41之间的接触，此时引起的是电阻参数的变化以及LCR谐振特性的变化，并随着形变量的增大，电阻R1大大降低，导致其信号输出有如图6所示的变化；
本发明采用亚微米级的炭材料（导电微弹簧41、导电纤维42和导电颗粒43）和高分子复合材料中，碳纤维41起着类似于人体皮肤中迈斯纳触觉小体的作用；于电极层2的各输入电极上接入高频振荡信号，再通过信号检测装置来获取电极层2的各输出电极的信号变化；
当对象物体接近的时候，对象物体和电子皮肤之间形成电容器，而产生电容参数变化信号；当对象物体触压到电子皮肤的时候，导电微弹簧41的变形引起它和周围导电纤维42和导电颗粒43的接触，而使得电阻R大大降低，产生R参数变化信号；上述参数变化，引起LCR谐振特性的改变，从而令电子皮肤有着敏感的信号输出。
上述优选实施方式应视为本申请方案实施方式的举例说明，凡与本申请方案雷同、近似或以此为基础作出的技术推演、替换、改进等，均应视为本专利的保护范围。
Claims (5)
1.一种高敏度的智能机器人皮肤，其特征在于：包括由导电单体按一定比例与高分子掺杂复合而成的复合层，镀设于复合层两面电极层，以及包裹于电极层外表的外表层,所述导电单体至少包括导电微弹簧。
2.根据权利要求1所述的高敏度的智能机器人皮肤，其特征在于：所述的复合层、电极层与外表层均为柔软材质。
3.根据权利要求2所述的高敏度的智能机器人皮肤，其特征在于：所述导电单体还包括导电纤维和\或导电颗粒。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的高敏度的智能机器人皮肤，其特征在于：所述电极层包括以电镀或化学镀的方式镀设于复合层表面的导电线路，以及紧贴遮盖于导电线路表面的高分子薄膜，所述导电线路为若干相互平行的金属、碳或其它导电介质的线阵列。
5.根据权利要求4所述的高敏度的智能机器人皮肤，其特征在于：所述复合层两面电极层的导电线路互成垂直关系。
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