CN110696018A - 一种增强型混合纳米发电机及人机交互系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于传感器技术领域，涉及一种增强型混合纳米发电机及人机交互系统，沉积铝层和沉积金层分别为顶部和底部的电极层，沉积铝层和沉积金层使用银膏将铜线与外部金属输出电极相连；氧化锌‑聚偏二氟乙烯层与聚四氟乙烯层之间耦合形成摩擦‑压电复合电极单体，摩擦‑压电复合电极单体设置在沉积铝层和沉积金层之间；摩擦‑压电复合电极层单体之间并联连接形成多层复合电极，摩擦‑压电复合电极单体层间设置有凹凸结构的氟化乙烯丙烯驻极体层，凹凸结构与顶部的沉积铝层之间形成气隙；采用多纳米发电机单体进并联增强了信号输出性能，通过关节处纳米发电机的信号采集实现人机动作同步与辅助检测，避免了复杂的电子电路铺设，提高了精度。
Description
技术领域：
本发明属于传感器技术领域，涉及一种增强型混合纳米发电机及人机交互系统。
背景技术：
纳米发电机是一种新兴的柔性器件，在微电能系统和柔性传感方面有很大的潜力。现在的传感器大多是传统传感器，主要是靠一些典型的电气参数来进行信号的采集，这在特种环境和极端环境中的信息反馈受到了很大的限制。
人机交互是将人类的意图转移到机器人身上，并从中收集反馈信息。在人机交互中，传感器提供的反馈信息是闭环系统中的关键部分。尽管自供电纳米发电机在机器人关节传感与手势控制方面有了一定的研究，但是交互系统中主要进行了主控对象单向信号感知，在机器人侧缺乏信号反馈机制，不能实时检测纳米发电机在受控对象上的反馈效果，这使得纳米发电机在人机工程学中协调工作方面的应用有了一定的局限性。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种增强型混合纳米发电机及人机交互系统。
为了实现上述目的，本发明所述增强型混合纳米发电机的主体结构包括沉积铝层、聚四氟乙烯层、沉积金层、氧化锌-聚偏氟乙烯层和氟化乙烯丙烯驻极体层，沉积铝层和沉积金层分别为顶部和底部的电极层，其厚度均为200μm，采用电子束沉积法制备得到，沉积铝层和沉积金层使用银膏将铜线与外部金属输出电极相连；氧化锌-聚偏二氟乙烯层与聚四氟乙烯层之间耦合形成摩擦-压电复合电极单体，摩擦-压电复合电极单体设置在沉积铝层和沉积金层之间；摩擦-压电复合电极层单体之间并联连接形成多层复合电极，增强摩擦和压电输出性能；摩擦-压电复合电极单体层间设置有凹凸结构的氟化乙烯丙烯驻极体层，凹凸结构与顶部的沉积铝层之间形成气隙；使用时，第一层增强型混合纳米发电机顶部的沉积铝层与外部金属输出正电极相连，最底层增强型混合纳米发电机底部的沉积金层与外部金属输出负电极相连，当增强型混合纳米发电机受到外力作用时，各摩擦-压电复合电极单体内部发生摩擦运动或弯曲产生形变，使得增强型混合纳米发电机的输出电极同时输出摩擦电信号和压电信号。
本发明所述摩擦-压电复合电极层单体为柔性平板结构，其中氧化锌-聚偏氟乙烯层的制备是先采用水热法生长氧化锌纳米柱，再采用手持静电纺丝装置制造氧化锌-聚偏氟乙烯纳米复合薄膜。
本发明将增强型混合纳米发电机采用与服饰经纬编制的方式设置于人机交互系统的活动关节位置处，增强型混合纳米发电机的两端采用粘扣带连接在人体关节处的服饰上，宽度与编制单元块一致，设置在人体服饰上的每一个感应服饰块至少对应于一个纳米发电机单元块，纳米发电机单元块将外力转化为电压信号输出，信号预处理模块与纳米发电机单元块连接，所述人机交互系统的结构包括辅助检测模块、人体纳米发电机信号采集模块、机器人纳米发电机信号采集模块、第一数据预处理模块、第一蓝牙无线传输模块、第二数据预处理模块、第二蓝牙无线传输模块、机器人控制器、霍尔旋转位置传感器和电容式触摸传感器；人体纳米发电机信号采集模块和机器人纳米发电机信号采集模块组成纳米发电机信号采集模块，分别对人体关节和机器人关节的压力输出信号进行采集，关节包括肩部、肘部、膝盖关节和脚底；辅助检测模块与第一数据预处理模块连接，第一数据预处理模块分别与人体纳米发电机信号采集模块和第一蓝牙无线传输模块连接，第一蓝牙无线传输模块分别与第二蓝牙无线传输模块和机器人控制器连接，第一数据预处理模块对采集到的人体关节压力输出信号进行预处理后通过第一蓝牙无线传输模块发送给机器人控制器；机器人纳米发电机信号采集模块分别与第二数据预处理模块、霍尔旋转位置传感器和电容式触摸传感器相连，第二数据预处理模块分别与第二蓝牙无线传输模块和机器人控制器连接，第二数据预处理模块对采集到的机器人关节压力输出信号进行预处理后通过第二蓝牙无线传输模块发送给机器人控制器；机器人控制器与霍尔旋转位置传感器连接，机器人传感器根据接收到的人体关节运动监测数据、机器人关节运动监测数据和霍尔旋转位置传感器反馈值进行数据实时处理，通过闭环控制进行霍尔旋转位置传感器输出控制，提高机器人动作还原的准确度。
本发明所述纳米发电机单元块为具有固定尺寸的纳米发电机，由于采用经纬编制的方式与服饰相结合，因此与服饰直接产生摩擦效应的是交替出现的裸露的纳米发电机(只有裸露出来的纳米发电机才能产生相对摩擦，产生电荷)。
本发明与现有技术相比，采用多纳米发电机单体进并联增强了信号输出性能，通过关节处纳米发电机的信号采集实现人机动作同步与辅助检测，避免了复杂的电子电路铺设，提供了一种高精度的人机交互系统。
附图说明:
图1为本发明实施例所述氧化锌-聚偏二氟乙烯薄膜制备过程。
图2为本发明所述增强型混合纳米发电机的主体结构原理示意图。
图3为本发明所述增强型混合纳米发电机有限元分析。
图4为本发明所述增强型混合纳米发电机柔性传感器的设置方式示意图。
图5为本发明所述人机交互系统示意图。
图6为本发明所述增强型混合纳米发电机辅助触发过程。
图7为本发明实施例中加入反馈跟踪测试结果图。
图8为本发明实施例中反馈切换结果图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。
实施例：
本实施例增强型混合纳米发电机的主体结构包括沉积铝层1、聚四氟乙烯层2、沉积金层3、氧化锌-聚偏氟乙烯层4和氟化乙烯丙烯驻极体层5，沉积铝层1和沉积金层3分别为顶部和底部的电极层，其厚度均为200μm，采用电子束沉积法制备得到，沉积铝层1和沉积金层3使用银膏将铜线连接到外部金属输出电极上；氧化锌-聚偏二氟乙烯层4与聚四氟乙烯层2之间耦合形成摩擦-压电复合电极单体，摩擦-压电复合电极单体设置在沉积铝层1和沉积金层之间；摩擦-压电复合电极层单体之间并联连接形成多层复合电极，增强摩擦和压电输出性能；摩擦-压电复合电极单体层间设置有凹凸结构的氟化乙烯丙烯驻极体层5，凹凸结构与顶部的沉积铝层1之间形成气隙；使用时，第一层增强型混合纳米发电机顶部的沉积铝层1与外部金属输出正电极相连，最底层增强型混合纳米发电机底部的沉积金层3与外部金属输出负电极相连，当增强型混合纳米发电机受到外力作用时，各摩擦-压电复合电极单体内部发生摩擦运动或弯曲产生形变，使得增强型混合纳米发电机的输出电极同时输出摩擦电信号和压电信号。
本实施例所述氧化锌-聚偏二氟乙烯层的制备过程如图1所示，将氧化锌和聚偏二氟乙烯颗粒按照2：5的质量比分散在丙酮和二甲基乙酰胺的混合物中，其中氧化锌与聚偏二氟乙烯颗粒、丙酮、二甲基乙酰胺的质量比为22：39：39，然后将所得混合物用作静电纺丝的前体，在50℃下用磁力搅拌棒搅拌该混合物4小时，使用高压静电纺丝设备通过磁控以20μL/min的泵速溅射在基板上制造电极板。
本实施例所述沉积铝层1和沉积金层3是为了制作电接触点，分别在聚四氟乙烯层2的上部使用电子束蒸发沉积厚度为200μm的铝层，在氧化锌-聚偏二氟乙烯层4的上下层使用电子束蒸发沉积厚度为200μm的金层，然后使用银膏将铜线连接到金属电极上，将沉积在聚四氟乙烯层上的铝层和沉积在氧化锌-聚偏二氟乙烯层上部的金层连接到馈入桥式整流器，利用纳米发电机的压电性能输出压电信号；沉积在氧化锌-聚偏氟乙烯层上部和下部的金层同样连接到馈入桥式整流器，利用摩擦电性能输出摩擦电信号；将九层纳米发电机单体的相同电极层进行并联连接，形成级联信号输出。
本实施例所述氟化乙烯丙烯驻极体层5是一种长期稳定的优异空间驻极体，先将驻极体薄膜切成4cm×4cm的正方形，再通过热压工艺处理驻极体薄膜，形成厚度为180μm的薄膜，最大厚度700μm的周期性规则凸结构，这样保持了驻极体薄膜与顶部电极的空隙，随着气隙距离的增加转移电荷密度会急剧上升，当气隙达到600μm左右时转移电荷密度变化达到平缓。
本实施例对所述增强型混合纳米发电机进行有限元分析，结果如图3所示，在混合纳米发电机弯曲60度并且受到一定的摩擦时，中部最高电压可达到60V，弯曲角度较小的部分电压逐步降低，端点处电压几乎为0V，在一定范围内电荷分布较为均匀，开路电压与弯曲角度整体上呈线性关系。
本实施例将增强型混合纳米发电机采用与服饰经纬编制的方式设置于人机交互系统的活动关节位置处，增强型混合纳米发电机的两端采用粘扣带41连接在人体关节处的服饰上，宽度与编制单元块一致，设置在人体服饰上的每一个感应服饰块43至少对应于一个纳米发电机单元块42，纳米发电机单元块42将外力转化为电压信号输出，信号预处理模块与纳米发电机单元块42连接，所述人机交互系统的结构包括辅助检测模块、人体纳米发电机信号采集模块、机器人纳米发电机信号采集模块、第一数据预处理模块、第一蓝牙无线传输模块、第二数据预处理模块、第二蓝牙无线传输模块、机器人控制器、霍尔旋转位置传感器和电容式触摸传感器；人体纳米发电机信号采集模块和机器人纳米发电机信号采集模块组成纳米发电机信号采集模块，分别对人体关节和机器人关节的压力输出信号进行采集，关节包括肩部、肘部、膝盖关节和脚底；辅助检测模块与第一数据预处理模块连接，第一数据预处理模块分别与人体纳米发电机信号采集模块和第一蓝牙无线传输模块连接，第一蓝牙无线传输模块分别与第二蓝牙无线传输模块和机器人控制器连接，第一数据预处理模块对采集到的人体关节压力输出信号进行预处理后通过第一蓝牙无线传输模块发送给机器人控制器；机器人纳米发电机信号采集模块分别与第二数据预处理模块、霍尔旋转位置传感器和电容式触摸传感器相连，第二数据预处理模块分别与第二蓝牙无线传输模块和机器人控制器连接，第二数据预处理模块对采集到的机器人关节压力输出信号进行预处理后通过第二蓝牙无线传输模块发送给机器人控制器；机器人控制器与霍尔旋转位置传感器连接，机器人传感器根据接收到的人体关节运动监测数据、机器人关节运动监测数据和霍尔旋转位置传感器反馈值进行数据实时处理，通过闭环控制进行霍尔旋转位置传感器输出控制，提高机器人动作还原的准确度。
本实施例作为辅助检测装置时，增强型混合纳米发电机与机器人的电容式触摸传感器交叉触发，触发结果如图6所示，为避免外界干扰和微应力的影响，设定辅助检测模块的触发门槛电压Von＝10V，以保证有效触发，其中t1,t2,t8,t9时刻为电容式触摸传感器触发，该时刻机器人行为状态可以正常切换；t4-t7,t10为外置纳米发电机辅助检测模块触发，触发信号通过第二蓝牙无线传输模块将信号传输至机器人控制器；t5,t6时刻触发电压小于门槛电压，机器人状态保持；当机器人完成唤醒动作时，动作状态完成度达到1；通过电容式触觉传感器和纳米发电机辅助检测模块的交叉混合触发，证明了纳米发电机在机器人行为触发上的有效性。
本实施例在人机同步系统中测试反馈对单关节动作跟踪效果的影响，测试中手臂摆动的一个完整的周期约为0.9s，最大的峰值电压为40.3V，在2.7s时刻加入SPES反馈控制，人体与机器人关节处的SPES输出误差从16％左右下降到7％左右，响应精度明显提高；进行霍尔旋转位置传感器与纳米发电机信号采集的反馈切换测试的结果如图8所示，在霍尔旋转位置传感器反馈工作过程中加入中断(中断源为霍尔旋转位置传感器故障)，当中断响应时反馈测量元件由霍尔旋转位置传感器切换为纳米发电机检测模块，响应跟踪曲线如图8所示，反馈切换测试中跟踪误差最大保持在6％左右，纳米发电机检测模块在霍尔旋转位置传感器的反馈切换测试中效果较好。
本实施例所述带有增强型混合纳米发电机的人机交互系统，当纳米发电机收到外力时，输出电极会得到相应的电压信号，多纳米发电机单体进行并联增强了输出性能。通过人体采集点的纳米发电机感应部件将人体的动作产生的压力转换成电压信号输出，在闭环系统中通过霍尔旋转位置传感器、人体关节处纳米发电机和机器人关节处纳米发电机进行信号反馈，通过闭环控制算法提高机器人动作跟踪的准确度。
Claims (3)
1.一种增强型混合纳米发电机及人机交互系统，其特征在于主体结构包括沉积铝层、聚四氟乙烯层、沉积金层、氧化锌-聚偏氟乙烯层和氟化乙烯丙烯驻极体层，沉积铝层和沉积金层分别为顶部和底部的电极层，其厚度均为200μm，采用电子束沉积法制备得到，沉积铝层和沉积金层使用银膏将铜线与外部金属输出电极相连；氧化锌-聚偏二氟乙烯层与聚四氟乙烯层之间耦合形成摩擦-压电复合电极单体，摩擦-压电复合电极单体设置在沉积铝层和沉积金层之间；摩擦-压电复合电极层单体之间并联连接形成多层复合电极，增强摩擦和压电输出性能；摩擦-压电复合电极单体层间设置有凹凸结构的氟化乙烯丙烯驻极体层，凹凸结构与顶部的沉积铝层之间形成气隙；使用时，第一层增强型混合纳米发电机顶部的沉积铝层与外部金属输出正电极相连，最底层增强型混合纳米发电机底部的沉积金层与外部金属输出负电极相连，当增强型混合纳米发电机受到外力作用时，各摩擦-压电复合电极单体内部发生摩擦运动或弯曲产生形变，使得增强型混合纳米发电机的输出电极同时输出摩擦电信号和压电信号。
2.根据权利要求1所述增强型混合纳米发电机及人机交互系统，其特征在于所述摩擦-压电复合电极层单体为柔性平板结构，其中氧化锌-聚偏氟乙烯层的制备是先采用水热法生长氧化锌纳米柱，再采用手持静电纺丝装置制造氧化锌-聚偏氟乙烯纳米复合薄膜。
3.根据权利要求1所述增强型混合纳米发电机及人机交互系统，其特征在于将增强型混合纳米发电机采用与服饰经纬编制的方式设置于人机交互系统的活动关节位置处使用，增强型混合纳米发电机的两端采用粘扣带连接在人体关节处的服饰上，宽度与编制单元块一致，设置在人体服饰上的每一个感应服饰块至少对应于一个纳米发电机单元块，纳米发电机单元块将外力转化为电压信号输出，信号预处理模块与纳米发电机单元块连接，所述人机交互系统的结构包括辅助检测模块、人体纳米发电机信号采集模块、机器人纳米发电机信号采集模块、第一数据预处理模块、第一蓝牙无线传输模块、第二数据预处理模块、第二蓝牙无线传输模块、机器人控制器、霍尔旋转位置传感器和电容式触摸传感器；人体纳米发电机信号采集模块和机器人纳米发电机信号采集模块组成纳米发电机信号采集模块，分别对人体关节和机器人关节的压力输出信号进行采集，关节包括肩部、肘部、膝盖关节和脚底；辅助检测模块与第一数据预处理模块连接，第一数据预处理模块分别与人体纳米发电机信号采集模块和第一蓝牙无线传输模块连接，第一蓝牙无线传输模块分别与第二蓝牙无线传输模块和机器人控制器连接，第一数据预处理模块对采集到的人体关节压力输出信号进行预处理后通过第一蓝牙无线传输模块发送给机器人控制器；机器人纳米发电机信号采集模块分别与第二数据预处理模块、霍尔旋转位置传感器和电容式触摸传感器相连，第二数据预处理模块分别与第二蓝牙无线传输模块和机器人控制器连接，第二数据预处理模块对采集到的机器人关节压力输出信号进行预处理后通过第二蓝牙无线传输模块发送给机器人控制器；机器人控制器与霍尔旋转位置传感器连接，机器人传感器根据接收到的人体关节运动监测数据、机器人关节运动监测数据和霍尔旋转位置传感器反馈值进行数据实时处理，通过闭环控制进行霍尔旋转位置传感器输出控制，提高机器人动作还原的准确度。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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2019
- 2019-10-16 CN CN201910981909.2A patent/CN110696018A/zh active Pending
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