CN113162457B - 一种基于摩擦纳米发电机的仿生触觉传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的仿生触觉传感器，包括：支撑装置，由四个支撑杆、上限位盘和基座组成；触觉传感装置与支撑装置相连，由与外界物体接触的触碰杆、与触碰杆相连的触碰块以及前、后、左、右四个发电单元组成，触碰块通过记忆金属弹簧与可调节螺栓连接，可调节螺栓与基座上的螺纹孔相连；触碰杆在外界物体的作用下，将外力通过触碰块传导至发电单元，发电单元产生感应电荷，且由其连接的导线输出感知外界物体的信号；外力消失后，触碰杆恢复至原位。本发明结构设计合理、牢固，可以抵御自身运动引起的干扰，且可以灵敏感应外界的物体特征；将仿生触觉传感器阵列构成感知系统，以提高感知能力，对于复杂环境的探索将有重要意义。

Description

一种基于摩擦纳米发电机的仿生触觉传感器

技术领域

本发明涉及摩擦纳米发电技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于摩擦纳米发电机的仿生触觉传感器。

背景技术

触觉传感作为一种直接的感知方式，在物体识别方面展现出了极大的优越性。在嘈杂、黑暗、狭窄的环境中，微小、准确的感知对于我们探索未知领域尤其重要。目前常用的触碰传感装置主要以压力传感为主，但对于复杂恶劣的环境其感知能力将会极大地受限，而如何精确感知外界物体成为我们研究的主要目的。

发明内容

根据上述提出的目前常用的触碰传感装置主要以压力传感为主，但对于复杂恶劣的环境其感知能力将会极大地受限的技术问题，而提供一种基于摩擦纳米发电机的仿生触觉传感器。本发明主要利用摩擦起电和静电感应产生电信号，当触碰杆未接触外界物体时，发电单元内部之间不会发生摩擦以及产生感应电荷；在触碰杆触碰到外界物体时，触碰杆将发生偏转，进而带动触碰块挤压发电单元，发电单元内部的两片带有油墨的FEP薄膜之间发生微观摩擦，由于油墨和FEP薄膜之间电负性的差异，导电油墨层失去电子带正电，FEP薄膜得到电子带负电；当触碰杆触碰外界物体过后，在记忆金属弹簧、上限位盘的软硅胶薄膜以及触碰杆的碳纤维构造的作用下使触碰杆回到中位，从而可以抵御自身运动引起的干扰，灵敏感应外界的物体特征；此外，将仿生触觉传感器阵列构成感知系统，以提高感知能力，对于复杂环境的探索将有重要意义。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于摩擦纳米发电机的仿生触觉传感器，包括：

支撑装置，由四个支撑杆以及通过支撑杆相连的上限位盘和基座组成，所述上限位盘与基座间形成容纳空间；

触觉传感装置，与支撑装置相连，由与外界物体接触的触碰杆、与触碰杆相连的触碰块以及四个发电单元组成，所述触碰块和四个发电单元均置于所述容纳空间内，所述触碰块的底部连接有记忆金属弹簧，所述记忆金属弹簧的底部连接有可调节螺栓，所述可调节螺栓与基座上开设的螺纹孔配合连接，所述触碰杆连接在触碰块的顶部，并延伸至上限位盘的外部；通过记忆金属弹簧与可调节螺栓的连接来调节触碰块和发电单元的最佳触碰位置；所述发电单元的下端与基座相连，上端呈悬空状态；

触碰杆在外界物体的触碰作用下，将外力通过触碰块传导至发电单元，发电单元产生感应电荷，且由其连接的导线输出感知外界物体的信号；外力消失后，触碰杆恢复至原位。

进一步地，所述发电单元包括两片结构相同的FEP薄膜、具有导电功能的油墨和硬质硅胶，油墨印刷在每个FEP薄膜内表面上后形成导电油墨层，两片带有油墨的FEP薄膜被封装在置于两侧外部的两个硬质硅胶内；两片带有油墨的FEP薄膜通过微观摩擦进行发电。

进一步地，所述触碰块为八面体结构，实现与发电单元触碰效果最佳。

进一步地，所述触碰杆由韧性碳纤维杆构成，用于灵敏识别外界接触物体特征。

进一步地，所述上限位盘的中部开设通孔，通孔中封装一层软硅胶薄膜，触碰杆与软硅胶薄膜相连，贯穿软硅胶薄膜伸出至外部，通过软硅胶薄膜来限制触碰杆的运动。

进一步地，利用摩擦起电和静电感应产生电信号，当触碰杆未接触外界物体时，发电单元内部之间不会发生摩擦以及产生感应电荷；在触碰杆触碰到外界物体时，触碰杆将发生偏转，进而带动触碰块挤压发电单元，发电单元内部的两片带有油墨的FEP薄膜之间发生微观摩擦，由于油墨和FEP薄膜之间电负性的差异，导电油墨层失去电子带正电，FEP薄膜得到电子带负电；当触碰杆触碰外界物体过后，在记忆金属弹簧、上限位盘的软硅胶薄膜以及触碰杆的碳纤维构造的作用下使触碰杆回到中位。

进一步地，所述基座为从下至上呈渐缩式的阶梯状结构，设有上层第一平台和下层第二平台；四个发电单元在圆周方向的前、后、左、右四个方位上均匀分布在基座的上层第一平台上；四个支撑杆均匀分布在基座的下层第二平台上，位于四个发电单元的周向外缘，且每个支撑杆均位于相邻两个发电单元的间隙中，发电单元与支撑杆呈交叉45°设置，避免支撑杆对发电单元的偏转造成妨碍。

进一步地，所述上层第一平台在圆周方向上开设有等间隔分布的四个凹槽，四个发电单元的下端分别插入四个凹槽中，实现发电单元与基座间的固定连接。

进一步地，将多个仿生触觉传感器通过阵列构成感知系统，实现对复杂环境的有效感知。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的基于摩擦纳米发电机的仿生触觉传感器，记忆金属弹簧、上限位盘硅胶薄膜、碳纤维构造等设计可以有效抵御自身运动所产生的误差振动，并对外界物体变化产生灵敏的感知。相比于听觉或视觉传感器，本发明提出的仿生触觉传感器可以直接接触物体表面，极大地提高了感知效果，并且具有体积小、成本低的特点。

2、本发明提供的基于摩擦纳米发电机的仿生触觉传感器，对于复杂环境，可以通过将多个仿生触觉传感器构成阵列以实现对复杂环境的有效感知。

3、本发明提供的基于摩擦纳米发电机的仿生触觉传感器，发电单元部分已经硅胶密封处理，对整体进行简单防水密封后，将可以实现水下感知。

综上，应用本发明的技术方案能够解决目前常用的触碰传感装置主要以压力传感为主，但对于复杂恶劣的环境其感知能力将会极大地受限的问题。

基于上述理由本发明可在摩擦纳米发电技术领域以及仿生技术领域等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种基于摩擦纳米发电机的仿生触觉传感器整体结构示意图。

图2为本发明一种基于摩擦纳米发电机的仿生触觉传感器分解剖析示意图。

图3为本发明一种基于摩擦纳米发电机的仿生触觉传感器中发电单元剖析图。

图4为本发明一种基于摩擦纳米发电机的仿生触觉传感器发电原理图。

图中：1、触碰杆；2、上限位盘；3、软硅胶薄膜；4、支撑杆；5、发电单元；6、基座；7、上限位定位孔；8、触碰块；9、记忆金属弹簧；10、可调节螺栓；11、螺纹孔；12、基座定位孔；13、硬质硅胶；14、FEP薄膜；15、油墨。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图所示，本发明提供了一种输出性能优异的基于摩擦纳米发电机的仿生触觉传感器，涉及一种感知外界物体状态的技术，包括：

支撑装置，由四个支撑杆4以及通过支撑杆4相连的上限位盘2和基座6组成，所述上限位盘2与基座6间形成容纳空间；

触觉传感装置，与支撑装置相连，由与外界物体接触的触碰杆1、与触碰杆1相连的触碰块8以及前后左右四个发电单元5组成，所述触碰块8和四个发电单元5均置于所述容纳空间内，所述触碰块8的底部连接有记忆金属弹簧9，所述记忆金属弹簧9的底部连接有可调节螺栓10，所述可调节螺栓10与基座6上开设的螺纹孔11配合连接，所述触碰杆1连接在触碰块8的顶部，并延伸至上限位盘2的外部；通过记忆金属弹簧9与可调节螺栓10的连接来调节触碰块8和发电单元5的最佳触碰位置；所述发电单元5的下端与基座6相连，上端呈悬空状态；

触碰杆1在外界物体的触碰作用下，将外力通过触碰块8传导至发电单元5，发电单元5产生感应电荷，且由其连接的导线输出感知外界物体的信号；外力消失后，触碰杆1恢复至原位。导线的另一端与Keithley 6514静电计相连，用于测量电信号。

作为优选的实施方式，所述发电单元5包括两片结构相同的FEP薄膜14、具有导电功能的油墨15和硬质硅胶13，油墨15印刷在每个FEP薄膜14内表面上后形成导电油墨15层，两片带有油墨15的FEP薄膜14被封装在置于两侧外部的两个硬质硅胶13内；两片带有油墨15的FEP薄膜14通过微观摩擦进行发电。

作为优选的实施方式，所述触碰块8为八面体结构，实现与发电单元5触碰效果最佳。

作为优选的实施方式，所述触碰杆1由韧性碳纤维杆构成，用于灵敏识别外界接触物体特征。

作为优选的实施方式，所述上限位盘2的中部开设通孔，通孔中封装一层软硅胶薄膜3，触碰杆1与软硅胶薄膜3相连，贯穿软硅胶薄膜3伸出至外部，通过软硅胶薄膜3来限制触碰杆1的运动。

作为优选的实施方式，利用摩擦起电和静电感应产生电信号，当触碰杆1未接触外界物体时，发电单元5内部之间不会发生摩擦以及产生感应电荷；在触碰杆1触碰到外界物体时，触碰杆1将发生偏转，进而带动触碰块8挤压发电单元5，发电单元5内部的两片带有油墨15的FEP薄膜14之间发生微观摩擦，由于油墨15和FEP薄膜14之间电负性的差异，导电油墨15层失去电子带正电，FEP薄膜14得到电子带负电；当触碰杆1触碰外界物体过后，在记忆金属弹簧9、上限位盘2的软硅胶薄膜3以及触碰杆1的碳纤维构造的作用下使触碰杆1回到中位。

作为优选的实施方式，所述基座6为从下至上呈渐缩式的阶梯状结构，设有上层第一平台和下层第二平台；四个发电单元5在圆周方向的前、后、左、右四个方位上均匀分布在基座6的上层第一平台上；四个支撑杆4均匀分布在基座6的下层第二平台上，位于四个发电单元5的周向外缘，且每个支撑杆4均位于相邻两个发电单元5的间隙中；发电单元5与支撑杆4呈交叉45°设置，避免支撑杆4对发电单元5的偏转造成妨碍。

作为优选的实施方式，所述上层第一平台在圆周方向上开设有等间隔分布的四个凹槽，四个发电单元5的下端分别插入四个凹槽中，实现发电单元5与基座6间的固定连接。

作为优选的实施方式，将多个仿生触觉传感器通过阵列构成感知系统，实现对复杂环境的有效感知。

实施例1

如图1-4所示，一种基于摩擦纳米发电机的仿生触觉传感器，包括碳纤维触碰杆1、上限位盘2、四个支撑杆4、四个发电单元5、基座6、八面体触碰块8、记忆金属弹簧9和可调节螺栓10。触碰块8设计为八面体以便与发电单元5触碰效果最佳。触碰杆1由韧性碳纤维杆构成以便灵敏识别外界接触物体特征。韧性碳纤维杆、上限位盘硅胶封装、记忆金属弹簧9等一系列设计都可帮助触碰杆1在触碰外界物体后回中。

上限位盘2和基座6通过四个支撑杆4相连，四个支撑杆4均匀间隔分布在圆周方向上，上限位盘2上开设有上限位定位孔7，基座6上开设有基座定位孔12，每个支撑杆4的上下两端分别与上限位定位孔7和基座定位孔12配合连接；具体地，支撑杆4的顶端为六角铜柱，六角铜柱的下方是支撑杆4的本体，本体是圆柱杆，六角铜柱焊接在圆柱杆的顶端或六角铜柱与圆柱杆一体成型，圆柱杆从上限位盘2外向内插入上限位定位孔7中并伸出，六角铜柱的内表面与上限位盘2的外表面接触连接，圆柱杆的下端从基座定位孔12中伸出的端部开有外螺纹，外螺纹处拧紧螺母，从而利用支撑杆将上限位盘2和基座6连接。上限位盘2与基座6间形成容纳空间，触碰块8和四个发电单元5均置于容纳空间内。

上限位盘2的中部封装一层软硅胶薄膜3，触碰杆1与软硅胶薄膜3接触连接，并从容纳空间内部贯穿软硅胶薄膜3至外部，在使用时位于外部的触碰杆1与外界物体接触，软硅胶薄膜3用于限制碳纤维触碰杆1的运动，具体地，相当于触碰杆1穿过软硅胶薄膜3的中心，被软硅胶薄膜3卡在中间位置，只有当一定的力作用在触碰杆1上时，触碰杆1才会发生移动，如一般微小振动则不会引起触碰杆1发生移动。

位于容纳空间内的触碰杆1的底部与触碰块8的顶部固连，触碰块8的底部连接有记忆金属弹簧9，记忆金属弹簧9的底部连接有可调节螺栓10，可调节螺栓10与基座6上开设的螺纹孔11配合连接。通过记忆金属弹簧9与可调节螺栓10的连接来调节触碰块8和发电单元5的最佳触碰位置；具体地，调节螺栓10顶部有一横梁，记忆金属弹簧9的一端旋在调节螺栓10顶部的横梁上，转动调节螺栓10可以使记忆金属弹簧9旋在横梁上的长度变长，从而控制记忆金属弹簧9的伸长量，记忆金属弹簧9伸长量不同则碰撞发电单元5位置不同，对于不同灵敏度要求的工况，都有一个最佳的碰撞位置，都可以通过旋转调节螺栓10来改变记忆金属弹簧9的伸长量，进而改变碰撞位置。

发电单元5的下端均与基座6相连，上端呈悬空状态，与上限位盘2不接触。基座6为从下至上呈渐缩式的阶梯状圆盘结构，设有上层第一平台和下层第二平台(下层第二平台的直径大于上层第一平台的直径)；四个发电单元5在圆周方向的前、后、左、右四个方位上等间隔分布在基座6的上层第一平台上，上层第一平台在圆周方向上开设等间隔分布的四个矩形槽，四个发电单元5的下端分别插入四个矩形槽中，矩形槽略小于发电单元5的宽度，实现发电单元5与基座6间的固定连接；四个支撑杆4均匀分布在基座6的下层第二平台上，位于四个发电单元5的周向外缘，且每个支撑杆4均位于相邻两个发电单元5的间隙中；发电单元5与支撑杆4呈交叉45°设置，避免支撑杆4对发电单元5的偏转造成妨碍，其中，发电单元5与支撑杆4呈交叉45°设置是指：相对两个发电单元5的中心连线与相对两个支撑杆4的中心连线呈45°夹角。

每个发电单元5呈立方体板结构，相邻两个发电单元5呈垂直设置。每个发电单元5左右延长，四个发电单元5可构成正方形，四个支撑杆4则位于正方形的四角。四个发电单元5内构成容纳空间Ⅰ，触碰块8、记忆金属弹簧9和可调节螺栓10均处于该容纳空间Ⅰ内。

发电单元5包括两片结构相同的FEP(全氟乙烯丙烯共聚物)薄膜14、具有导电功能的油墨15和硬质硅胶13，油墨15印刷在每个FEP薄膜14内表面上后形成导电油墨15层，两片带有油墨15的FEP薄膜14被封装在置于两侧外部的两个硬质硅胶13内；两片带有油墨15的FEP薄膜14通过微观摩擦进行发电。具体地，如图3所示，从上至下依次设置为硬质硅胶13、FEP薄膜14、油墨15、油墨15、FEP薄膜14、硬质硅胶13。

本实施例中，多个仿生触觉传感器阵列分布在水下机器人四周，根据不同的探测感知环境，呈异型排列布局。根据感知信息不同，多个仿生触觉传感器的阵列排布形式可以进行多种变化，通过阵列构成感知系统，实现对复杂环境的有效感知。

本发明的原理是：

如图3和图4所示，本发明利用摩擦起电和静电感应产生电信号，当触碰杆未接触外界物体时，发电单元内部之间不会发生摩擦产生感应电荷。而在触碰杆触碰到外界物体时，触碰杆将发生偏转，进而带动触碰块挤压发电单元，发电单元内部FEP薄膜和油墨之间发生微观摩擦，由于两者之间电负性的差异，导电油墨层失去电子带正电，FEP薄膜得到电子带负电。当触碰杆触碰外界物体过后，记忆金属弹簧、上限位盘的软硅胶薄膜、碳纤维构造将帮助触碰杆回到中位。具体地，记忆合金弹簧与触碰杆通过触碰块相连，当触碰杆受到外力作用时，会带着记忆金属弹簧一起运动离开中位，当外力消失时，记忆金属弹簧会在弹力作用下回到初始的中位；软硅胶薄膜把触碰杆卡在中间，同样当外力消失时，会回到初始的中位；碳纤维结构的触碰杆有一定抵抗形变的能力，当外力消失时，也会因为自身材料特性回到中位。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各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各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种基于摩擦纳米发电机的仿生触觉传感器，其特征在于，包括：

支撑装置，由四个支撑杆(4)以及通过支撑杆(4)相连的上限位盘(2)和基座(6)组成，所述上限位盘(2)与基座(6)间形成容纳空间；

触觉传感装置，与支撑装置相连，由与外界物体接触的触碰杆(1)、与触碰杆(1)相连的触碰块(8)以及四个发电单元(5)组成，所述触碰块(8)和四个发电单元(5)均置于所述容纳空间内，所述触碰块(8)的底部连接有记忆金属弹簧(9)，所述记忆金属弹簧(9)的底部连接有可调节螺栓(10)，所述可调节螺栓(10)与基座(6)上开设的螺纹孔(11)配合连接，所述触碰杆(1)连接在触碰块(8)的顶部，并延伸至上限位盘(2)的外部；通过记忆金属弹簧(9)与可调节螺栓(10)的连接来调节触碰块(8)和发电单元(5)的最佳触碰位置；所述发电单元(5)的下端与基座(6)相连，上端呈悬空状态；

触碰杆(1)在外界物体的触碰作用下，将外力通过触碰块(8)传导至发电单元(5)，发电单元(5)产生感应电荷，且由其连接的导线输出感知外界物体的信号；外力消失后，触碰杆(1)恢复至原位。

2.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的仿生触觉传感器，其特征在于，所述发电单元(5)包括两片结构相同的FEP薄膜(14)、具有导电功能的油墨(15)和硬质硅胶(13)，油墨(15)印刷在每个FEP薄膜(14)内表面上后形成导电油墨(15)层，两片带有油墨(15)的FEP薄膜(14)被封装在置于两侧外部的两个硬质硅胶(13)内；两片带有油墨(15)的FEP薄膜(14)通过微观摩擦进行发电。

3.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的仿生触觉传感器，其特征在于，所述触碰块(8)为八面体结构，实现与发电单元(5)触碰效果最佳。

4.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的仿生触觉传感器，其特征在于，所述触碰杆(1)由韧性碳纤维杆构成，用于灵敏识别外界接触物体特征。

5.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的仿生触觉传感器，其特征在于，所述上限位盘(2)的中部开设通孔，通孔中封装一层软硅胶薄膜(3)，触碰杆(1)与软硅胶薄膜(3)相连，贯穿软硅胶薄膜(3)伸出至外部，通过软硅胶薄膜(3)来限制触碰杆(1)的运动。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的基于摩擦纳米发电机的仿生触觉传感器，其特征在于，利用摩擦起电和静电感应产生电信号，当触碰杆(1)未接触外界物体时，发电单元(5)内部之间不会发生摩擦以及产生感应电荷；在触碰杆(1)触碰到外界物体时，触碰杆(1)将发生偏转，进而带动触碰块(8)挤压发电单元(5)，发电单元(5)内部的两片带有油墨(15)的FEP薄膜(14)之间发生微观摩擦，由于油墨(15)和FEP薄膜(14)之间电负性的差异，导电油墨(15)层失去电子带正电，FEP薄膜(14)得到电子带负电；当触碰杆(1)触碰外界物体过后，在记忆金属弹簧(9)、上限位盘(2)的软硅胶薄膜(3)以及触碰杆(1)的碳纤维构造的作用下使触碰杆(1)回到中位。

7.根据权利要求6所述的基于摩擦纳米发电机的仿生触觉传感器，其特征在于，所述基座(6)为从下至上呈渐缩式的阶梯状结构，设有上层第一平台和下层第二平台；四个发电单元(5)在圆周方向的前、后、左、右四个方位上均匀分布在基座(6)的上层第一平台上；四个支撑杆(4)均匀分布在基座(6)的下层第二平台上，位于四个发电单元(5)的周向外缘，且每个支撑杆(4)均位于相邻两个发电单元(5)的间隙中；发电单元(5)与支撑杆(4)呈交叉45°设置，避免支撑杆(4)对发电单元(5)的偏转造成妨碍。

8.根据权利要求7所述的基于摩擦纳米发电机的仿生触觉传感器，其特征在于，所述上层第一平台在圆周方向上开设有等间隔分布的四个凹槽，四个发电单元(5)的下端分别插入四个凹槽中，实现发电单元(5)与基座(6)间的固定连接。

9.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的仿生触觉传感器，其特征在于，将多个仿生触觉传感器通过阵列构成感知系统，实现对复杂环境的有效感知。