CN109822625A - 一种机器人手臂柔性安全预警器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机器人手臂柔性安全预警器及其制造方法，该柔性安全预警器包括基底以及依次设置在基底上的摩擦电力敏感单元和电致变色单元。本发明提供的制造该柔性安全预警器的方法操作简单、能耗低，制备的安全预警器具有低成本、高灵敏度、高稳定性等优势，且具备柔性、可拉伸等特性，在可穿戴电子领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于机器人控制技术领域，涉及一种机器人手臂安全预警器，具体涉及一种机器人手臂柔性安全预警器及其制造方法。
背景技术
机器人可代替或协助人类完成各种工作，凡是枯燥的、危险的、有毒的、有害的工作，都可由机器人大显身手。机器人除了广泛应用于制造业领域外，还应用于资源勘探开发、救灾排险、医疗服务、家庭娱乐、军事和航天等其他领域。机器人是工业及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。目前，机器人的操作安全性、可靠性问题及精度问题依然是人们研究的重点。
目前，对于机器人安全控制主要有移动导航、视觉导航等。当前的机器人安全与机构常用的方式是基于遥感操作安全域动态方法。其是通过测量机器人与环境物体之间的距离，根据机械臂的运动速度预测机械臂的运动，再继续划定安全区域。该方法虽然精度比较高，但是需要借助一系列仪器，成本很高，并且操作极为复杂。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于摩擦电力敏感单元和电致变色单元的机器人手臂柔性安全预警器，以解决现有设备昂贵、操作复杂等问题。
本发明的机器人手臂柔性安全预警器，包括基底以及依次设置在基底上的摩擦电力敏感单元和电致变色单元。
其中，所述的摩擦电力敏感单元包括依次设置在基底上的下电极层、摩擦电敏感层和上电极层。
所述的摩擦电力敏感单元下电极层和上电极层为铜箔、铜片、铝箔、氧化铟锡、金膜、银膜、铝膜、导电石墨烯、碳纳米管、金属纳米线中的一种或多种。
所述的摩擦电力敏感单元摩擦电敏感层为FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)、硅胶、尼龙、布料、聚胺酯、聚丙烯酸酯中的一种或多种。
所述的电致变色单元包括依次设置在摩擦电力敏感单元上的下电极层、电致变色层、电解质层和上电极层。
所述的电致变色单元下电极层和上电极层为铜箔、铜片、铝箔、氧化铟锡、金膜、导电石墨烯、碳纳米管、金属纳米线中的一种或多种。
所述的电致变色单元电致变色层为聚噻吩、聚苯胺、三氧化钨、五氧化二钒、三氧化钼中的一种或多种。
本发明也提供了一种上述的机器人手臂柔性安全预警器的制造方法，包括下述步骤：
S1、在基底上制成摩擦电力敏感单元的下电极层；
S2、在上述的摩擦电力敏感单元的下电极层上覆盖摩擦电敏感层；
S3、在上述的摩擦电敏感层上制成摩擦电力敏感单元的上电极层；
S4、在上述的摩擦电力敏感单元的上电极层上制成电致变色单元的下电极层；
S5、在上述的电致变色单元的下电极层上制成电致变色层；
S6、在上述的电致变色层上制成固态的电解质层；
S7、在上述的固态电解质层上制成电致变色单元的上电极层。
其中，所述的电致变色层上制成固态电解质层为将电解质配制成浓度为0.01～20mg/ml的分散液，并采用旋涂、滴膜、气溶胶、浸泡、拉膜中的任意一种方法与电致变色层相结合。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的机器人手臂柔性安全预警器的制造方法操作简单、能耗低，所制备的安全预警器具有低成本、高灵敏度、高稳定性等优势，且具备柔性、可拉伸等特性，在可穿戴电子领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是实施例1制造的机器人手臂安全预警器的简明结构示意图；
其中1为摩擦电力敏感单元下电极层，2为摩擦电力敏感单元的摩擦电敏感层，3为摩擦电力敏感单元上电极层，4为电致变色单元的下电极层，5为电致变色单元的变色层，6为电致变色单元的电解质层，7为电致变色单元的上电极层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例及附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述。
实施例1
将500μm厚的PET依次用丙酮、乙醇、纯净水超声20分钟，然后用N2气吹干，放入100℃真空烘箱中放置10分钟，形成基底。在PET基底上，利用RF溅射器在PET的两侧沉积100纳米厚的ITO作为摩擦电力敏感单元下电极层1。在PET基底的一侧粘附20微米厚的FEP薄膜作为摩擦电力敏感单元的摩擦电敏感层2，最后使用等离子干法蚀刻在FEP表面上创建垂直排列的聚合物纳米线作为摩擦电力敏感单元上电极层3。接着，将PET基底利用RF溅射器制备双面沉积ITO的膜作为电致变色单元的下电极层4，其中ITO薄膜厚度为100纳米，放置于摩擦电力敏感单元的摩擦电敏感层2的上面。再利用滴膜的方法将聚噻吩的氯仿溶液转移到ITO的电极上面形成发光层，其中聚噻吩的溶液浓度为3mg/ml，然后放置80℃烘箱，加热20分钟，以便除去氯仿溶剂，所得到的聚噻吩薄膜作为电致变色单元的变色层5。然后，利用滴膜的方法将2mg/ml电解质溶液转移到聚噻吩薄膜的上面，然后放置80℃烘箱，加热20分钟，其中电解质浓度为2mg/ml，电致变色单元的电解质层6厚度为100微米。最后在电致变色单元的电解质层6的表面，利用喷墨印刷的方法，制备30纳米厚的银作为电致变色单元的上电极层7。上述所制备的预警器结构如图1所示，对其施加力前后颜色发生显著变化。
实施例2
将500μm厚的PET依次用丙酮、乙醇、纯净水超声20分钟，然后用N2气吹干，放入100℃真空烘箱中放置10分钟，形成基底。在PET基底上利用RF溅射设备在PET的两侧沉积的100纳米厚的ITO作为电极。在PET基底的一侧粘附10微米厚的PDMS薄膜作为摩擦层，将铜箔粘贴在PDMS表面作为摩擦电力敏感单元电极。然后将在具有ITO的PET基底上，利用电化学沉积的方法将20mg/ml的苯胺溶液沉积到ITO电极上形成聚苯胺薄膜作为变色层，然后放置80℃烘箱，加热20分钟以除去表面溶剂。然后利用滴膜的方法将电解质溶液转移到聚苯胺薄膜的表面，其中电解质浓度为2mg/ml，然后放置80℃烘箱，加热20分钟，以形成固态电解质层，固态电解质层厚度为100微米。再在电解质层的表面沉积一层50纳米厚的铝作为电致变色单元的上电极。最后利用热压的方法将摩擦力敏感单元与电致变色单元结合一起，其结构与图1相似。
实施例3
将500μm厚的PET依次用丙酮、乙醇、纯净水超声20分钟，然后用N2气吹干，放入100℃真空烘箱中放置10分钟，形成基底。在PET基底上利用RF溅射设备在PET的两侧沉积的100纳米厚的ITO作为电极。利用滴膜的方法将硅凝胶的预聚溶液(Eco-flex)转移到ITO电极表面，然后放置70℃烘箱，加热40分钟，形成50微米厚膜作为摩擦电层。在硅胶的表面，粘附一层铝箔作为摩擦电力敏感单元的上电极。然后将在具有ITO的PET基底上，利用将5mg/ml的硫酸矾的溶液利用电化学沉积的方法制备20微米厚的五氧化二钒薄膜作为变色层，放置80℃烘箱，加热20分钟以除去表面溶剂。在变色层的表面，利用滴膜的方法将电解质溶液转移到聚苯胺薄膜的表面，其中电解质浓度为2mg/ml，然后放置80℃烘箱，加热20分钟，以形成固态电解质层，固态电解质层厚度为100微米。最后在电解质层的表面，利用热蒸发的方法，制备30纳米厚的铝膜作为电致发光层的电极。最后利用热压的方法将摩擦力敏感单元与电致变色单元结合一起，其结构与图1相似。
实施例4
将PDMS硅胶预聚溶液滴涂到清洗干净的硅基底上，放置80℃烘箱，加热4个小时，形成PDMS的薄膜，然后剥离作为摩擦电力敏感单元的柔性基底。然后贴一层铜箔作为下电极。在铜箔的表面，粘贴一层FEP层作为摩擦电层。然后在FEP上面粘贴另一层铜箔作为上电极。在具有ITO的PET基底上，利用热蒸发的方法将沉积三氧化钼作为变色层，其中三氧化钼层的厚度约为100纳米。然后利用滴膜的方法将2mg/ml电解质溶液转移到聚苯胺薄膜的表面，其中电解质浓度为2mg/ml，然后放置80℃烘箱，加热20分钟，以形成固态电解质层，固态电解质层厚度为100微米。然后在固态电解质表面，再利用热蒸发的方法制备一层50纳米厚的银，作为发光层敏感单元的上电极。最后利用热压的方法将摩擦力敏感单元与电致变色单元结合一起，其结构与图1相似。
实施例5
将PDMS硅胶预聚溶液滴涂到清洗干净的硅基底上，放置80℃烘箱，加热4个小时，形成PDMS的薄膜，然后剥离作为摩擦电力敏感单元的柔性基底。利用喷涂的方法将单壁碳纳米管与PDMS的溶液转移到PMDS基底上，放置80℃烘箱，加热4个小时形成导电层作为电极层，其中单臂碳纳米管的浓度为3mg/ml，碳纳米管PDMS厚度为20微米。在电极层的表面粘贴10微米厚的FEP层作为摩擦敏感层。利用电化学沉积的方法，将吡咯的溶液沉积到ITO的PET基底上，放置80℃烘箱，加热20分钟以除去表面溶剂作为发光层，其中吡咯的浓度为5mg/ml。然后利用滴膜的方法将2mg/ml电解质溶液转移到聚苯胺薄膜的表面，其中电解质浓度为2mg/ml，然后放置80℃烘箱，加热20分钟，以形成100微米厚的固态电解质层。然后在电解质层的上面，利用喷涂的方法将单壁碳纳米管与PDMS的溶液转移到PMDS基底上，放置80℃烘箱，加热4个小时形成导电层作为电极层，其中单臂碳纳米管的浓度为3mg/ml，碳纳米管PDMS厚度为20微米。最后利用热压的方法将摩擦力敏感单元与电致变色单元结合一起，其结构与图1相似。
本发明制备的新型机器人手臂柔性安全预警器，将摩擦力敏感单元与电致变色单元结合起来形成新型的电子皮肤，将其贴在机器人手臂的表面，当机器人手臂所受的压力超过一定界限时，会触发电致变色单元，进行变色进而达到预警的效果。因此其可以有效防止物体因挤压过大，却没有及时发现并进行调整而损坏。本发明提供的这个预警器规格可大可小，可以根据机械臂的大小任意调整，制作成本低，安全预警效果明显，只要稍微碰触一下该预警器，就能有非常明显的变色预警效果，具有广泛的应用价值。
Claims (9)
1.一种机器人手臂柔性安全预警器，其特征在于，包括基底以及依次设置在基底上的摩擦电力敏感单元和电致变色单元。
2.根据权利要求1所述的机器人手臂柔性安全预警器，其特征在于，所述的摩擦电力敏感单元包括依次设置在基底上的下电极层、摩擦电敏感层和上电极层。
3.根据权利要求2所述的机器人手臂柔性安全预警器，其特征在于，所述的下电极层和上电极层为铜箔、铜片、铝箔、氧化铟锡、金膜、银膜、铝膜、导电石墨烯、碳纳米管、金属纳米线中的一种或多种。
4.根据权利要求2所述的机器人手臂柔性安全预警器，其特征在于，所述的摩擦电敏感层为FEP、硅胶、尼龙、布料、聚胺酯、聚丙烯酸酯中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的机器人手臂柔性安全预警器，其特征在于，所述的电致变色单元包括依次设置在摩擦电力敏感单元上的下电极层、电致变色层、电解质层和上电极层。
6.根据权利要求5所述的机器人手臂柔性安全预警器，其特征在于，所述的下电极层和上电极层为铜箔、铜片、铝箔、氧化铟锡、金膜、银膜、铝膜、导电石墨烯、碳纳米管、金属纳米线中的一种或多种。
7.根据权利要求5所述的机器人手臂柔性安全预警器，其特征在于，所述的电致变色层为聚噻吩、聚苯胺、三氧化钨、五氧化二钒、三氧化钼中的一种或多种。
8.一种权利要求1～7所述机器人手臂柔性安全预警器的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1、在基底上制成摩擦电力敏感单元的下电极层；
S2、在S1的摩擦电力敏感单元的下电极层上覆盖摩擦电敏感层；
S3、在S2的摩擦电敏感层上制成摩擦电力敏感单元的上电极层；
S4、在S3的摩擦电力敏感单元的上电极层上制成电致变色单元的下电极层；
S5、在S4的电致变色单元的下电极层上制成电致变色层；
S6、在S5的电致变色层上制成固态的电解质层；
S7、在S6的电解质层上制成电致变色单元的上电极层。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，步骤S6中，将电解质配制成浓度为0.01～20mg/ml的分散液，并采用旋涂、滴膜、气溶胶、浸泡、拉膜中的任意一种方法与电致变色层相结合。
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