CN105738012A - 一种人工皮肤柔性触觉传感器测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种人工皮肤柔性触觉传感器测量装置，属于触觉传感器技术领域，由彼此间相互绝缘的仿生表皮组织层、仿生真皮组织层、仿生皮下组织层和人工皮肤依附基座组成；仿生皮下组织层均匀涂布在人工皮肤依附基座的外表面；仿生真皮组织层均匀涂布在仿生皮下组织层的外表面；仿生真皮组织层中设有三根液体芯PVDF压电聚合物纤维，仿生表皮组织层均匀涂布在仿生真皮组织层的外表面；本发明安装到机器人的手臂上，有了触觉之后的机器人就可以利用它来获知目标物体的多种性质特征，这样就可以帮助机器人通过识别物体得以完成更为复杂的任务。同时，在体育运动、康复医疗和人体生物力学等研究领域中也具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于触觉传感器技术领域，涉及一种仿人皮肤柔性触觉传感器，具体的说是涉及一种人工皮肤柔性触觉传感器测量装置。
背景技术
随着人类探索活动的不断扩大以及机器人技术的进步，机器人的研究正在朝着特种、自主、精密和智能化的方向发展，而实现智能的基础是要具有感知能力。因此具有感知功能的人工智能敏感皮肤对于未来的机器人研究而言是非常重要的。有了触觉之后机器人就可以利用它来获知目标物体的多种性质特征，这样就可以帮助机器人通过识别物体以完成更为复杂的任务。有关各种可用于机器人方面的触觉传感器的研究是人们一直非常关注问题。随着智能机器人技术的进步，其应用的领域也不断扩展。当机器人与人类并肩工作时，要求其必须具备类人的触觉感知能力，即能够精确地获取空间的三维力信息，同时，为了确保人机交互接触时的安全性，要求用于机器人感知的触觉传感器能够具有类似于人类皮肤的柔软性，能够适应不同载体的表面形状，完成对任意复杂物体的信息检测任务，因此对于人工皮肤柔性触觉传感器在机器人研究领域的需要日益迫切。此外，人工皮肤柔性触觉传感器在体育运动、康复医疗和人体生物力学等研究领域中也具有广泛的应用前景。
国外关于触觉传感器的研究开展的较早，美国、英国和日本等发达国家非常重视有关机器人敏感皮肤的研究工作。最早开始敏感皮肤研究的美国MS公司采用气体和非接触式超声波传感器、温度传感器以及薄膜电容接近传感器组成一种敏感皮肤，这种敏感皮肤可以根据所需的实际需要的形状进行裁剪，粘贴在智能机器人或者自动化仪器上，为宿主系统提供外界的温度信息以及距离信息，在实际应用中由于传感器受到温度、环境湿度以及超声固有的宽波束角等影响，敏感皮肤的测量值和实际值之间还是会存在着很多的误差。
印度的研究者利用压电陶瓷(PZT)材料的压电效应制作了一种压电式触觉传感器，在压电陶瓷的上下表面均布置了相互独立的电极阵列。电极阵列的规模会对传感器的性能产生重要影响，研究者比较了3×3、7×7和15×15阵列传感器的测力性能，实验结果表明，3×3阵列的空间分辨率相对较低，15×15阵列的分辨率最高。在实际应用中，由于压电陶瓷比较坚硬，易碎，没有柔软度，所以不能用来制作人工皮肤。
韩国的研究者利用MEMS集成技术制作了一种基于硅压阻效应的三维力触觉阵列传感器研究者利用MEMS工艺在硅薄膜的边缘制作了四个压阻体，每个压阻体均作为独立的应变计，当有外力作用在传感器上时，硅薄膜发生形变，四个压阻体的阻值会随之变化，根据硅材料的阻值与压力间的关系，通过检测阻值的变化量即可获知作用在传感器上的三维力信息。该传感器具有良好的线性响应，这种高灵敏度的传感器己被成功应用在机器人灵巧手爪上。但是该传感器的柔韧性还是很差。
中科院智能机械研究所的梅涛等人同样利用MEMS技术制作了能够检测三维力的触觉传感器阵列，该传感器能够获取接触力的分布和大小以及滑动的趋势和发生等多种信息。传感器阵列由敏感单元、传力柱、橡胶层、保护阵列和基板等组成。其中，敏感单元是传感器阵列中最关键的部件，设计成四方形的E型膜结构，作用在膜上的三维力所产生的应变由三组集成在E型膜上的力敏电阻所构成在实际应用中，由于该传感器结构复杂，存在测量误差，柔韧性差，很难真正得以应用。
综上所述，当前所研究的触觉阵列传感器具有的共同的不足之处为要么没达到人类皮肤的柔韧性，要么在多维阵列传感器的结构研究方面没实质上的突破，故无法实现关于触觉阵列传感器的柔性化以及多维化和大规模设计。
发明内容
本发明针对现有触觉传感器存在柔性差以及多维化和大规模设计的缺陷，提出一种人工皮肤柔性触觉传感器测量装置，可以达到人类皮肤的柔韧性，在多维阵列传感器的结构研究方面有了实质上的突破，可以实现关于触觉阵列传感器的柔性化以及多维化和大规模的设计；可将制备好的人工皮肤柔性触觉传感器安装到机器人手或者手臂上，机器人可以利用它来获知目标物体的多种性质特征，可以帮助机器人通过识别物体得以完成更为复杂的任务；在体育运动、康复医疗和人体生物力学等研究领域中具有广泛的应用前景。
本发明的技术方案是：一种人工皮肤柔性触觉传感器测量装置，其特征在于：所述测量装置为一种仿生人工皮肤结构，由彼此间相互绝缘的仿生表皮组织层、仿生真皮组织层、仿生皮下组织层和人工皮肤依附基座组成；所述仿生皮下组织层均匀涂布在所述人工皮肤依附基座的外表面；所述仿生真皮组织层均匀涂布在所述仿生皮下组织层的外表面；所述仿生真皮组织层中设有三根液体芯PVDF压电聚合物纤维，所述仿生表皮组织层均匀涂布在所述仿生真皮组织层的外表面。
所述仿生皮下组织层是厚度为1.4mm的柔性绝缘橡胶层。
所述仿生真皮组织层是厚度为2.4mm的705柔性软胶层，在仿生真皮组织层中植入三根阵列分布的液体芯PVDF压电聚合物纤维。
所述液体芯PVDF压电聚合物纤维的横截面形状为圆形。
所述液体芯PVDF压电聚合物纤维是由中间液体芯、包裹在中间液体芯表面的压电聚合物、在压电聚合物表面涂布的全电极和包裹在全电极表面的一层绝缘薄膜组成。
所述中间液体芯是直径为0.10mm导电的炭黑、氯化钠溶液或氯化铁溶液，压电聚合物表面涂布的全电极为金属层、导电胶、导电银浆或炭黑，绝缘薄膜为绝缘软胶。
所述液体芯PVDF压电聚合物纤维的中间液体芯为电极1，压电聚合物表面涂布的一层导电层为全电极2，液体芯电极1作为正极使用，全电极2作为负极使用。
所述仿生表皮组织层是厚度为1.2mm的温硫化硅橡胶层。
本发明的有益效果为：本发明提出的一种人工皮肤柔性触觉传感器测量装置，结构新颖，工作原理清晰，由彼此间相互绝缘的仿生表皮组织层、仿生真皮组织层、仿生皮下组织层和人工皮肤依附基座组成；本发明在多维阵列传感器的结构研究方面有了实质上的突破，可以达到人类皮肤的柔韧性，可以实现关于触觉阵列传感器的柔性化以及多维化和大规模的设计；可将制备好的人工皮肤柔性触觉传感器安装到机器人手或者手臂上，机器人可以利用它来获知目标物体的多种性质特征，可以帮助机器人通过识别物体得以完成更为复杂的任务；在体育运动、康复医疗和人体生物力学等研究领域中具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明一种人工皮肤柔性触觉传感器测量装置的结构示意图。
图2为本发明中液体芯PVDF压电纤维结构示意图。
图2本发明二自由度并联机械手转化的平面四连杆机构示意图。
图中：人工皮肤依附基座1、仿生皮下组织层2、仿生真皮组织层3、仿生表皮组织层4、液体芯PVDF压电聚合物纤维5、绝缘薄膜501、全电极502、压电聚合物503、中间液体芯504。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1-2所示，一种人工皮肤柔性触觉传感器测量装置，是一种仿生人工皮肤结构，由彼此间相互绝缘的仿生表皮组织层4、仿生真皮组织层3、仿生皮下组织层2和人工皮肤依附基座1组成；仿生皮下组织层2均匀涂布在人工皮肤依附基座1的外表面；仿生真皮组织层3均匀涂布在仿生皮下组织层2的外表面；仿生真皮组织层3中设有三根液体芯PVDF压电聚合物纤维5，仿生表皮组织层4均匀涂布在仿生真皮组织层3的外表面。
如图1-2所示，一种人工皮肤柔性触觉传感器测量装置，仿生皮下组织层2是厚度为1.4mm的柔性绝缘橡胶层；仿生真皮组织层3是厚度为2.4mm的705柔性软胶层，在仿生真皮组织层中植入三根阵列分布的液体芯PVDF压电聚合物纤维；液体芯PVDF压电聚合物纤维5的横截面形状为圆形；液体芯PVDF压电聚合物纤维5是由中间液体芯504、包裹在中间液体芯504表面的压电聚合物503、在压电聚合物503表面涂布的全电极502和包裹在全电极502表面的一层绝缘薄膜501组成；中间液体芯504是直径为0.10mm导电的炭黑、氯化钠溶液或氯化铁溶液，压电聚合物503表面涂布的全电极502为金属层、导电胶、导电银浆或炭黑，绝缘薄膜501为绝缘软胶；液体芯PVDF压电聚合物纤维5的中间液体芯为电极1，压电聚合物503表面涂布的一层导电层为全电极2，液体芯电极1作为正极使用，全电极2作为负极使用；仿生表皮组织层4是厚度为1.2mm的温硫化硅橡胶层。
如图1-2所示，一种人工皮肤柔性触觉传感器测量装置的工作原理如下：在人工皮肤柔性触觉传感器的基座上涂布一层约1.4mm厚度的柔性绝缘橡胶层，柔性绝缘橡胶层用作人工皮肤的皮下组织层，柔性绝缘橡胶固化后在它的表面涂布一层约2.4mm厚的705柔性软胶，705柔性软胶层用作人工皮肤的真皮组织层，并在705柔性软胶层中均匀阵列的植入三根液体芯PVDF压电纤维，705柔性软胶固化后在它的表面涂布一层约1.2mm厚度的温硫化硅橡胶，温硫化硅橡胶用作人工皮肤的表皮组织层，温硫化硅橡胶固化后，人工皮肤触觉传感器就制备完成了。用制备好的人工皮肤触觉传感器去触摸不同的物体，用人工皮肤的温硫化硅橡胶层触摸物体表面的时候，由于摩擦力的存在，使得温硫化硅橡胶层发生位移变形，温硫化硅橡胶层的变形会带动705柔性软胶层的位移变形，因此，植入在705柔性软胶层中的液体芯PVDF压电纤维会受到不同方向的不同力的大小。压电纤维中间的液体芯会灵活的感知各个不同方向力的大小，液体在受到力的时候会产生凹陷反应，力越大凹陷的程度也就越大。
在触摸物体表面的时候，由于不同物体表面的粗糙度不同，所以当人工皮肤划过被触摸物体的表面时，受到的力也就不同，不同材料的物体表面在人工皮肤触摸的情况下，反馈给人工皮肤力的大小也会不同，人工皮肤触觉传感器根据受力大小的不同判别被触摸物体是什么材料。被触摸物体由于同一表面也会有凹凸不平的地方，因此，当人工皮肤用同一触摸力触摸凹凸不平的物体表面时，物体表面凸出部分挤压人工皮肤的力会大一些，凹的部分挤压人工皮肤的力会小一些，因此，液体芯PVDF压电纤维中的液体会发生受力变形，受力大的部分，液体凹陷的大一些，受力小的部分，液体凹陷的小一些，从而压电纤维中的两个电极就会输出不同的电压信号，人工皮肤柔性触觉传感器根据不同的输出电压信号，判别被触摸物体表面的形貌特征。
本发明的一种人工皮肤柔性触觉传感器测量装置安装到机器人的手臂上，有了触觉之后的机器人就可以利用它来获知目标物体的多种性质特征，这样就可以帮助机器人通过识别物体得以完成更为复杂的任务。同时，在体育运动、康复医疗和人体生物力学等研究领域中也具有广泛的应用前景。
Claims (8)
1.一种人工皮肤柔性触觉传感器测量装置，其特征在于：所述测量装置为一种仿生人工皮肤结构，由彼此间相互绝缘的仿生表皮组织层(4)、仿生真皮组织层(3)、仿生皮下组织层(2)和人工皮肤依附基座(1)组成；所述仿生皮下组织层(2)均匀涂布在所述人工皮肤依附基座(1)的外表面；所述仿生真皮组织层(3)均匀涂布在所述仿生皮下组织层(2)的外表面；所述仿生真皮组织层(3)中设有三根液体芯PVDF压电聚合物纤维(5)，所述仿生表皮组织层(4)均匀涂布在所述仿生真皮组织层(3)的外表面。
2.根据权利要求1所述的一种人工皮肤柔性触觉传感器测量装置，其特征在于：所述仿生皮下组织层(2)是厚度为1.4mm的柔性绝缘橡胶层。
3.根据权利要求1所述的一种人工皮肤柔性触觉传感器测量装置，其特征在于：所述仿生真皮组织层(3)是厚度为2.4mm的705柔性软胶层，在仿生真皮组织层中植入三根阵列分布的液体芯PVDF压电聚合物纤维。
4.根据权利要求1所述的一种人工皮肤柔性触觉传感器测量装置，其特征在于：所述液体芯PVDF压电聚合物纤维(5)的横截面形状为圆形。
5.根据权利要求1所述的一种人工皮肤柔性触觉传感器测量装置，其特征在于：所述液体芯PVDF压电聚合物纤维(5)是由中间液体芯(504)、包裹在中间液体芯(504)表面的压电聚合物(503)、在压电聚合物(503)表面涂布的全电极(502)和包裹在全电极(502)表面的一层绝缘薄膜(501)组成。
6.根据权利要求5所述的一种人工皮肤柔性触觉传感器测量装置，其特征在于：所述中间液体芯(504)是直径为0.10mm导电的炭黑、氯化钠溶液或氯化铁溶液，压电聚合物(503)表面涂布的全电极(502)为金属层、导电胶、导电银浆或炭黑，绝缘薄膜(501)为绝缘软胶。
7.根据权利要求1所述的一种人工皮肤柔性触觉传感器测量装置，其特征在于：所述液体芯PVDF压电聚合物纤维(5)的中间液体芯为电极1，压电聚合物(503)表面涂布的一层导电层为全电极2，液体芯电极1作为正极使用，全电极2作为负极使用。
8.根据权利要求1所述的一种人工皮肤柔性触觉传感器测量装置，其特征在于：所述仿生表皮组织层(4)是厚度为1.2mm的温硫化硅橡胶层。
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