CN110207729A - 一种柔性电子皮肤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性电子皮肤，将无线射频技术应用到电子皮肤技术中，电子皮肤上采集到的数据可实现无线传输，使电子皮肤的使用更加便捷；本发明将RFID天线作为感知压力、或识别气体、或感知温度的传感器，当有压力作用电子皮肤上，或电子皮肤周围的气体或温度发生改变时，RFID天线的阻抗发生变化，从而影响处理器接收和发送信号的强度，接收数据处理器根据接收到的信号强弱判断电子皮肤的压力、气体或温度状态，无需集成传感器；本发明中RFID天线将处理器的信号以无线方式发出，RFID读取天线接收发出的信号，并将信号传递给远程状态获取模块上的接收数据处理器，从而实现数据的无线传输。

Description

一种柔性电子皮肤
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种柔性电子皮肤。
背景技术
电子皮肤可以通过附着于机器人的表面，帮助其获知外界的刺激，并做出恰当的回应，直接关系到机器人、医疗设备、人体假肢、可穿戴设备等载体的智能化和多功能化，可广泛应用于生产生活、康复医疗等诸多领域；电子皮肤的设计要求包括两方面，第一，电子皮肤应该能够准确获得周围环境的各种信息，这主要通过传感器阵列来实现；第二，电子皮肤应该像人类的皮肤一样，不但具有感受外界环境信息的能力，还要能够覆盖于机器人载体复杂的三维表面和活动的关节，具备一定的柔性与弹性。
公开号为CN205175585的专利申请公开了一种用于测量接触压力的柔性电子皮肤，其基于压阻式，缺点在于测量到的压力信号必须通过信号传输线传送至处理器进行下一步的信号处理，在实际应用过程中，由于电子皮肤与检测装置之间需要信号线连接，因此，装置中大量数据线的使用将极大限制电子皮肤的使用便捷性；因此，有必要提供一种结构简单并且能够无线传输数据的一种柔性电子皮肤。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明将无线射频技术应用到电子皮肤技术中，提供一种柔性电子皮肤。
本发明是通过以下技术方案予以实现的。
一种柔性电子皮肤，包括柔性衬底、柔性感应模块和远程状态获取模块；
所述柔性感应模块设置在柔性衬底上；所述柔性感应模块与所述远程状态获取模块无线通信；
所述远程状态获取模块，用于根据所述柔性感应模块提供的信号数据分析并显示所述电子皮肤采集到的外部信息，且与所述电子皮肤保持一定距离。
具体的，柔性衬底的材料可以是聚酰亚胺等有机聚合物，但不限于有机聚合物。
本发明提供的柔性电子皮肤，其中，所述柔性感应模块获取电子皮肤外部信息信号，并将信号转换成能量信号，再将带有强度特征的能量信号通过无线方式传递给远程状态获取模块，远程状态获取模块通过电子屏幕显示的方式为用户显示电子皮肤的的压力、气体或温度状态，从而实现了柔性电子皮肤的无线传感功能。
所述柔性感应模块，包括：至少一列柔性感应单元组，每列所述柔性感应单元组包含至少一个柔性感应单元；
所述柔性感应单元用于获取在所述柔性感应单元组位置上的所述电子皮肤的外部信息数据。
需要说明的是，本实施例涉及使用射频识别(RFID)技术实现外界对电子皮肤的外部信息的无线发送和接收；RFID单元包括位于目标上的RFID标签以及RFID读取器，RFID读取器激励并读取来自RFID标签的信号；大多数RFID标签包括用于存储和处理信息的集成电路，调制器和解调器；为了增强RFID标签，结合了处理器，其允许发生感测和可选的计算功能；RFID标签可以是无源标签，有源RFID标签和电池辅助无源标签；通常，无源标签不使用电池，除非由RFID读取器供电，否则不传输信息；有源标签具有机载电池并且可以自主发送信息，即不需要由RFID读取器供电；电池辅助无源标签通常具有小型电池板，其在RFID读取器的存在下被激活。
所述柔性感应单元为类似于无源RFID标签的能够实现无线接收并发射信号的电子单元；所述远程状态获取模块具备RFID读取器的功能；所述柔性感应单元从远程状态获取模块发出的无线电信号中获取能量，执行感测功能，并执行计算功能；所述柔性感应单元将带有信息的无线电信号发送到远程状态获取模块。
所述柔性感应单元，包括底板、处理器和RFID天线；
所述底板为柔性印刷电路板，附着在柔性衬底上；所述柔性印刷电路可包括提供基础层的柔性聚合物膜；聚合物可以是聚酯(PET)，聚酰亚胺(PI)，聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，聚醚酰亚胺(PEI)，或具有类似机械和电学性质的材料；柔性电路可包括由粘合粘合剂形成的一个或多个层压层；另外，可以使用诸如铜箔的金属箱来为柔性印刷电路材料提供一个或多个导电层。
所述处理器和所述RFID天线设置在底板上；处理器和RFID天线电连接；所述RFID天线能够收集从所述远程状态获取模块发出的信号并将所述处理器内的信号发送给远程状态获取模块；所述处理器能够存储RFID天线接收到的信号，在受到能量激励的时候将信号传递给RFID天线。
具体的，所述RFID天线为导电电路，可通过打印方式附着在底板上，也可以通过纺织技术纺织到底板上；
所述远程状态获取模块，包括RFID读取天线、接收数据处理器和显示模块；
所述RFID读取天线为向RFID天线发送信号和从RFID天线接收信号的收发器；所述RFID读取天线可将接收信号提供给接所述接收数据处理器；
所述每个不同的柔性感应单元的处理器存有不同的ID身份信息；所述接收数据处理器包括可以执行的配对协议；
根据配对协议，所述接收数据处理器将ID查询信号通过RFID读取天线发送到所述柔性感应模块的一个柔性感应单元，以询问柔性感应单元的身份；作为响应，柔性感应单元发送ID消息信号给接收数据处理器。
进一步的，所述RFID天线在电子皮肤的的压力、气体或温度变化时，所述RFID天线的电阻值发生变化，从而改变RFID天线的发送ID信号的强度，远程状态获取模块根据接收到的信号强度判断电子皮肤外部的压力、气体或温度的分布状态。
所述接收数据处理器将接收到的ID信号的强度与标准信号强度进行比对，将比对结果反映到所述显示模块；所述显示模块包括LED显示屏；所述LED显示屏上的LED灯与处理器存有的ID身份信息相对应；根据所述接收数据处理器的处理结果，所述LED显示屏上与ID身份信息相对应的LED灯变亮或变暗，来表现电子皮肤的压力、气体或温度状态。
具体的，RFID天线接收ID查询信号并将信号传递给处理器，处理器受到ID查询信号的激励后，通过RFID天线将ID身份信号发送出去；所述远程状态获取模块根据ID身份信号的强弱设置若干标准信号强度值；所述远程状态获取模块收集RFID天线的ID身份信号并将收集到的ID身份信号的强度与标准信号强度进行比对，从而得到电子皮肤的压力、气体或温度状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明将无线射频技术应用到电子皮肤技术中，电子皮肤上采集到的数据可实现无线传输，使电子皮肤的使用更加便捷；
2)本发明将RFID天线作为感知压力、识别气体、感知温度的传感器，当有压力作用电子皮肤上，或电子皮肤周围的气体或温度发生改变时，RFID天线的阻抗发生变化，从而影响处理器接收和发送信号的强度，接收数据处理器根据接收到的信号强弱判断电子皮肤的压力状况，无需集成传感器；
3)本发明将带有RFID天线的处理器制成柔性电路并附着在柔性衬底上，远程状态获取模块上设置有RFID读取天线，RFID天线将处理器的信号以无线方式发出，RFID读取天线接收发出的信号，并将信号传递给远程状态获取模块上的接收数据处理器，从而实现数据的无线传输。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图
图2为本发明的柔性感应单元结构示意图
图3为本发明的流程图
图中：1、柔性衬底；2、柔性感应模块；3、远程状态获取模块；22、柔性感应单元组；23、柔性感应单元；231、底板；232、处理器；233、RFID天线；31、RFID读取天线；32、接收数据处理器；33、显示模块。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例1
图1为本实施例提供的一种柔性电子皮肤，可感应外界压力，包括柔性衬底1、柔性感应模块2和远程状态获取模块3；
所述柔性感应模块2设置在柔性衬底1上；所述柔性感应模块2与所述远程状态获取模块3无线通信；
所述远程状态获取模块3用于根据所述柔性感应模块2提供的信号数据分析并显示所述电子皮肤的受压状态，且与所述电子皮肤保持一定距离。
具体的，柔性衬底1的材料可以是聚酰亚胺等有机聚合物，但不限于有机聚合物。
本实施例提供的柔性电子皮肤，其中，所述柔性感应模块2获取电子皮肤受压时的压力信号，并将压力信号转换成能量信号，再将带有压力强度特征的能量信号通过无线方式传递给远程状态获取模块3，远程状态获取模块3通过电子屏幕显示的方式为用户显示电子皮肤的受压状态，从而实现了柔性电子皮肤的无线传感功能。
所述柔性感应模块2包括：至少一列柔性感应单元组22，每列所述柔性感应单元组22包含至少一个柔性感应单元23；
所述柔性感应单元23用于获取在所述柔性感应单元组22位置上的所述电子皮肤所受的压力数据。
需要说明的是，本实施例涉及使用射频识别(RFID)技术实现外界对电子皮肤的按压信息的无线发送和接收；RFID单元包括位于目标上的RFID标签以及RFID读取器，RFID读取器激励并读取来自RFID标签的信号；大多数RFID标签包括用于存储和处理信息的集成电路，调制器和解调器；为了增强RFID标签，结合了处理器，其允许发生感测和可选的计算功能；RFID标签可以是无源标签，有源RFID标签和电池辅助无源标签；通常，无源标签不使用电池，除非由RFID读取器供电，否则不传输信息；有源标签具有机载电池并且可以自主发送信息，即不需要由RFID读取器供电；电池辅助无源标签通常具有小型电池板，其在RFID读取器的存在下被激活。
所述柔性感应单元23为类似于无源RFID标签的能够实现无线接收并发射信号的电子单元；所述远程状态获取模块3具备RFID读取器的功能；所述柔性感应单元23从远程状态获取模块3发出的无线电信号中获取能量，执行感测功能，并执行计算功能；所述柔性感应单元23将带有信息的无线电信号发送到远程状态获取模块3。
如图2所示，所述柔性感应单元23，包括底板231、处理器232和RFID天线233；所述底板231为柔性印刷电路板，附着在柔性衬底1上；所述柔性印刷电路可包括提供基础层的柔性聚合物膜；聚合物可以是聚酯(PET)，聚酰亚胺(PI)，聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，聚醚酰亚胺(PEI)，或具有类似机械和电学性质的材料；柔性电路可包括由粘合粘合剂形成的一个或多个层压层；另外，可以使用诸如铜箔的金属箱来为柔性印刷电路材料提供一个或多个导电层。
所述处理器232和所述RFID天线233设置在底板231上；处理器232和RFID天线233电连接；所述RFID天线233能够收集从所述远程状态获取模块3发出的信号并将所述处理器232内的信号发送给远程状态获取模块3；所述处理器232能够存储RFID天线233接收到的信号，在受到能量激励的时候将信号传递给RFID天线233。
具体的，所述RFID天线233为导电电路，可通过打印方式附着在底板232上，也可以通过纺织技术纺织到底板232上。
所述远程状态获取模块3，包括RFID读取天线31、接收数据处理器32和显示模块33；
所述RFID读取天线31为向RFID天线233发送信号和从RFID天线233接收信号的收发器；所述RFID读取天线31可将接收信号提供给接所述接收数据处理器32；
所述每个不同的柔性感应单元23的处理器232存有不同的ID身份信息；所述接收数据处理器32包括可以执行的配对协议；
根据配对协议，所述接收数据处理器32将ID查询信号通过RFID读取天线31发送到所述柔性感应模块2的一个柔性感应单元23，以询问柔性感应单元23的身份；作为响应，柔性感应单元23发送ID消息信号给接收数据处理器32。
进一步的，所述RFID天线233在电子皮肤受到外界压力时会发生形变，形变会改变RFID天线233的发送ID信号的强度，远程状态获取模块3根据接收到的信号强度判断电子皮肤的压力状态。
所述接收数据处理器32将接收到的ID信号的强度与标准信号强度进行比对，将比对结果反映到所述显示模块33；所述显示模块33包括LED显示屏34；所述LED显示屏34上的LED灯与处理器232存有的ID身份信息相对应；根据所述接收数据处理器32的处理结果，所述LED显示屏34上与ID身份信息相对应的LED灯变亮或变暗，来表现电子皮肤的受压状态。
具体使用时，所述RFID天线233接收所述RFID读取天线31发出的ID查询信号并将信号传递给所述处理器232，所述处理器232受到ID查询信号的激励后，通过RFID天线233将ID身份信号发送出去；所述RFID天线233在电子皮肤受到外界压力时会发生形变，形变会改变RFID天线233的发送ID信号的强度；所述RFID读取天线31接收所述RFID天线233发送的ID信号并将信号传递给所述接收数据处理器32；所述接收数据处理器32根据ID身份信号的强弱设置若干标准信号强度值；所述接收数据处理器32收集RFID天线233的ID身份信号并将收集到的ID身份信号的强度与标准信号强度进行比对，将比对结果反映到所述LED显示屏34；所述LED显示屏34上的LED灯与处理器232存有的ID身份信息相对应；根据所述接收数据处理器32的处理结果，所述LED显示屏34上与ID身份信息相对应的LED灯变亮或变暗，来表现电子皮肤的受压状态。
实施例2
与实施例1不同的是，本实施例提供的一种柔性电子皮肤，可识别电子皮肤周围气体的种类。
本实施例提供的柔性电子皮肤，其中，所述柔性感应模块2获取电子皮肤周围的气体信号，并将气体信号转换成能量信号，再将能量信号通过无线方式传递给远程状态获取模块3，远程状态获取模块3通过电子屏幕显示的方式为用户显示电子皮肤周围的气体分布状况，从而实现了柔性电子皮肤对气体识别的无线传感功能。
所述柔性感应单元23用于获取在所述柔性感应单元组22位置上的所述电子皮肤周围的气体信号。
进一步的，本实施例中的所述RFID天线233的材料为可识别气体种类的导电高分子聚合物复合材料，例如炭黑/绝缘聚合物复合材料；当导电高分子聚合物复合材料暴露于某种气体时，由于聚合物的溶胀效应，所述RFID天线233的阻值会增大。
当电子皮肤周围的气体发生改变时，所述RFID天线233的阻值发生变化而改变了RFID天线233的发送ID信号的强度，远程状态获取模块3根据接收到的信号强度变化判断电子皮肤外界气体的种类。
具体使用时，所述RFID天线233接收所述RFID读取天线31发出的ID查询信号并将信号传递给所述处理器232，所述处理器232受到ID查询信号的激励后，通过RFID天线233将ID身份信号发送出去；当所述电子皮肤周围的气体发生改变时，所述RFID天线233的阻值发生变化而改变了RFID天线233的发送ID信号的强度；所述RFID读取天线31接收所述RFID天线233发送的ID信号并将信号传递给所述接收数据处理器32；所述接收数据处理器32根据ID身份信号的强弱设置若干标准信号强度值；所述接收数据处理器32收集RFID天线233的ID身份信号并将收集到的ID身份信号的强度与标准信号强度进行比对，将比对结果反映到所述LED显示屏34；所述LED显示屏34上的LED灯与处理器232存有的ID身份信息相对应；根据所述接收数据处理器32的处理结果，所述LED显示屏34上与ID身份信息相对应的LED灯变亮或变暗，来表现电子皮肤周围的气体分布情况。
实施例3
与实施例1不同的是，本实施例提供的一种柔性电子皮肤，可检测电子皮肤周围温度分布情况。
本实施例提供的柔性电子皮肤，其中，所述柔性感应模块2获取电子皮肤周围的温度信号，并将温度信号转换成能量信号，再将能量信号通过无线方式传递给远程状态获取模块3，远程状态获取模块3通过电子屏幕显示的方式为用户显示电子皮肤周围的温度分布状况，从而实现了柔性电子皮肤对温度分布情况的无线传感功能。
所述柔性感应单元23用于获取在所述柔性感应单元组22位置上的所述电子皮肤周围的温度信号。
进一步的，本实施例中的所述RFID天线233的材料为对温度敏感的热敏材料；当热敏材料所处环境温度变化或受热不均匀时，使得热敏材料膨胀或收缩，导致RFID天线233的阻值变化。
当电子皮肤周围的温度发生改变时，所述RFID天线233的阻值发生变化而改变了RFID天线233的发送ID信号的强度，远程状态获取模块3根据接收到的信号强度变化判断电子皮肤外界温度的分布情况。
具体使用时，所述RFID天线233接收所述RFID读取天线31发出的ID查询信号并将信号传递给所述处理器232，所述处理器232受到ID查询信号的激励后，通过RFID天线233将ID身份信号发送出去；当所述电子皮肤周围的温度发生改变时，所述RFID天线233的阻值发生变化而改变了RFID天线233的发送ID信号的强度；所述RFID读取天线31接收所述RFID天线233发送的ID信号并将信号传递给所述接收数据处理器32；所述接收数据处理器32根据ID身份信号的强弱设置若干标准信号强度值；所述接收数据处理器32收集RFID天线233的ID身份信号并将收集到的ID身份信号的强度与标准信号强度进行比对，将比对结果反映到所述LED显示屏34；所述LED显示屏34上的LED灯与处理器232存有的ID身份信息相对应；根据所述接收数据处理器32的处理结果，所述LED显示屏34上与ID身份信息相对应的LED灯变亮或变暗，来表现电子皮肤周围的温度分布情况。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。

Claims (7)

1.一种柔性电子皮肤，其特征在于，包括柔性衬底(1)、柔性感应模块(2)和远程状态获取模块(3)；所述柔性感应模块(2)设置在柔性衬底(1)上；所述柔性感应模块(2)与所述远程状态获取模块(3)无线通信；所述远程状态获取模块(3)根据所述柔性感应模块(2)提供的信号数据分析并显示所述电子皮肤采集到的压力信息，或气体信息，或温度信息，且与所述电子皮肤保持一定距离。
2.根据权利要求1所述的一种柔性电子皮肤，其特征在于，所述柔性感应模块(2)包括至少一列柔性感应单元组(22)，每列所述柔性感应单元组(22)包含至少一个柔性感应单元(23)；所述柔性感应单元(23)用于获取在所述柔性感应单元组(22)位置上的所述电子皮肤所受的压力数据，或气体信息，或温度信息。
3.根据权利要求1所述的一种柔性电子皮肤，其特征在于，所述柔性感应单元(23)包括底板(231)、处理器(232)和RFID天线(233)；所述底板(231)为柔性印刷电路板，附着在柔性衬底(1)上；所述处理器(232)和所述RFID天线(233)设置在底板(231)上；处理器(232)和RFID天线(233)电连接。
4.根据权利要求4所述的一种柔性电子皮肤，其特征在于，所述RFID天线(233)能够收集从所述远程状态获取模块(3)发出的信号并将所述处理器(232)内的信号发送给远程状态获取模块(3)；所述处理器(232)能够存储RFID天线(233)接收到的信号，在受到能量激励的时候将信号传递给RFID天线(233)。
5.根据权利要求1所述的一种柔性电子皮肤，其特征在于，所述远程状态获取模块(3)包括RFID读取天线(31)、接收数据处理器(32)和显示模块(33)；所述RFID读取天线(31)为向RFID天线(233)发送信号和从RFID天线(233)接收信号的收发器；所述RFID读取天线(31)接收信号提供给接所述接收数据处理器(32)。
6.根据权利要求1所述的一种柔性电子皮肤，其特征在于，所述每个不同的柔性感应单元(23)的处理器(232)存有不同的ID身份信息；所述接收数据处理器(32)包括可以执行的配对协议；根据配对协议，所述接收数据处理器(32)将ID查询信号通过RFID读取天线(31)发送到所述柔性感应模块(2)的一个柔性感应单元(23)，以询问柔性感应单元(23)的ID身份；作为响应，柔性感应单元(23)发送ID消息信号给接收数据处理器(32)。
7.根据权利要求1所述的一种柔性电子皮肤，其特征在于，所述接收数据处理器(32)将接收到的ID信号的强度与标准信号强度进行比对，将比对结果反映到所述显示模块(33)；所述显示模块(33)包括LED显示屏(34)；所述LED显示屏(34)上的LED灯与处理器(232)存有的ID身份信息相对应；所述根据接收数据处理器(32)的处理结果，所述LED显示屏(34)上与ID身份信息相对应的LED灯变亮或变暗，来表现电子皮肤的受压状态，或分布在电子皮肤周围的气体种类，或电子皮肤外部的温度分布情况。
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