CN114578996B - 一种可识别触摸位置与压力大小的电子皮肤感知系统 - Google Patents

一种可识别触摸位置与压力大小的电子皮肤感知系统 Download PDF

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Abstract

本发明为一种可识别触摸位置与压力大小的电子皮肤感知系统，包括电子皮肤传感器和电流表；电子皮肤传感器包括电子皮肤基体、一号电极和二号电极，电子皮肤基体上表面的四个端角分别设置有一号电极，电子皮肤基的上、下表面分别设置有二号电极，两个二号电极位于电子皮肤基体相对的两侧；两个二号电极连接同一个电流表，任意两个相邻的一号电极分别连接一个电流表；每个一号电极均通入高频交流电，两个二号电极均通入低频交流电，根据与两个一号电极连接的电流表的电流变化量确定触点位置，根据与两个二号电极连接的电流表的电流变化量反应触摸压力大小。触摸电子皮肤传感器表面的任意位置均可识别触摸位置和压力大小，提高了电子皮肤的感知能力。

Description

一种可识别触摸位置与压力大小的电子皮肤感知系统
技术领域
本发明属于电子皮肤感知技术领域，具体是一种可识别触摸位置与压力大小的电子皮肤感知系统。
背景技术
电子皮肤传感器通过粘附在机器人或人体假肢上，实时采集外界环境的力、温度、湿度等信号，使得机器人或假肢具有感知能力。随着机器人技术的发展，机器人或假肢的运动能力已经非常接近人体，但是躯体感知能力与人体相差较大，导致机器人或假肢的交互能力较弱。电子皮肤传感器通过模仿人类皮肤对按压位置和压力大小进行识别，是使机器人或假肢具备躯体感知能力的关键技术。
现有的可识别触摸位置与压力大小的电子皮肤传感器主要包括：(1)压电陶瓷传感器，如申请号为201910127895.8的中国专利公开了一种铋层状结构钛钽酸铋高温压电陶瓷材料，此材料可用于制备识别触摸位置与压力大小的电子皮肤传感器。由于压电陶瓷材料是一种硬质材料，在实际应用中会对机器人或假肢的运动灵活性造成影响。此外，压电陶瓷传感器对触摸位置的识别往往依靠传感单元阵列实现，识别精度依赖于阵列中传感单元的大小和数量。(2)压阻式柔性电子皮肤传感器，如申请号为201711133399.0的中国专利公开了一种一种柔性电子皮肤及其制备方法，柔性电子皮肤传感器包括若干压力传感单元，压力传感单元由两片柔性且可伸缩的超薄PDMS膜、分别贴附于两片超薄PDMS膜之间的两片电极以及设置于两片电极之间的复合压力传感膜组成；压力传感单元可对各种外界刺激进行有效放大和转换。
上述的电子皮肤传感器均是阵列式传感器，触摸位置与压力大小的识别主要依赖于阵列式传感单元的数量和大小，识别精度较低，而且传感器的柔性较差。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种可识别触摸位置与压力大小的电子皮肤感知系统。
本发明解决所述技术问题所采用的技术方案如下：
一种可识别触摸位置与压力大小的电子皮肤感知系统，其特征在于，该系统包括电子皮肤传感器和电流表；电子皮肤传感器包括电子皮肤基体、一号电极和二号电极，电子皮肤基体上表面的四个端角分别设置有一号电极，电子皮肤基的上、下表面分别设置有二号电极，两个二号电极位于电子皮肤基体相对的两侧，每个二号电极紧挨电子皮肤基体的侧边；两个二号电极连接同一个电流表，任意两个相邻的一号电极分别连接一个电流表；每个一号电极均通入高频交流电，使电子皮肤基体的上表面形成均匀电场；两个二号电极均通入低频交流电，在电子皮肤基体安装二号电极的两侧形成电势差；
假设任意两个相邻的一号电极分别连接电流表A1、A2；当触摸电子皮肤传感器表面时，都会引起电流表A1、A2的示数变化，根据电流表A1的电流变化量，从触点和连接电流表A1的一号电极之间的距离与电流表A1的电流变化量的曲线中确定触点与连接电流表A1的一号电极之间的距离；同理，根据电流表A2的电流变化量，从触点和连接电流表A2的一号电极之间的距离与电流表A2的电流变化量的曲线中确定触点与连接电流表A2的一号电极之间的距离；以连接电流表A1的一号电极为圆心，触点与连接电流表A1的一号电极之间的距离为半径画圆弧；以连接电流表A2的一号电极为圆心，触点与连接电流表A2的一号电极之间的距离为半径为画圆弧，两个圆弧的交点即为触点，完成触摸位置的定位；
当触摸电子皮肤传感器表面时，都会引起电子皮肤基体固有电阻变化率变化，根据电子皮肤基体固有电阻变化率，从触摸压力与电子皮肤基体固有电阻变化率的曲线中获取触摸压力，实现压力大小识别；
触点和连接电流表A1的一号电极之间的距离与电流表A1的电流变化量的曲线、触点和连接电流表A2的一号电极之间的距离与电流表A2的电流变化量的曲线、触摸压力与电子皮肤基体固有电阻变化率的曲线均已知。
所述一号电极呈正方形，边长为电子皮肤基体长度的二十分之一；二号电极呈长方形，长度为电子皮肤基体长度的三分之二，宽度为电子皮肤基体长度的二十分之一。
所述高频交流电的频率为15～30KHz，电压为1V；低频交流电的频率为50Hz，电压为1V。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本系统的电子皮肤传感器利用表面电容原理对触摸位置进行定位，通过压阻原理确定触摸压力大小。而常规的阵列式传感器表面设有多个阵列式的传感单元，只有在触摸到传感单元时才能识别触摸位置和压力大小，识别精度受限于阵列传感单元的大小和数量。与阵列式传感器相比，本发明触摸电子皮肤传感器表面的任意位置均可识别触摸位置和压力大小，实现了触摸位置和压力的无级识别，识别精度只依赖于电流表的分辨率，提高了电子皮肤的感知能力。
2.与传统的硬质压电陶瓷压力传感器，本发明的电子皮肤传感器具有良好的柔性和抗拉性能，作为可穿戴设备应用于机器人或人体假肢，不影响机器人或人体假肢运动的灵活性，是一种集人体皮肤和传感功能一体化的传感器，相较于阵列式传感器具有制造简单、成本低等特点。
附图说明
图1是本发明的电子皮肤传感器的结构示意图；
图2是本发明的触摸位置定位的原理图；
图3是本发明的触摸压力与电阻变化率的曲线图；
图中，1-电子皮肤基体；2-一号电极；3-二号电极。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但并不以此限定本申请的保护范围。
本发明提供了一种可识别触摸位置与压力大小的电子皮肤感知系统(简称系统)，包括电子皮肤传感器和电流表；电子皮肤传感器包括电子皮肤基体1、一号电极2和二号电极3，电子皮肤基体1上表面的四个端角分别设置有一号电极2，电子皮肤基1的上、下表面分别设置有二号电极3，两个二号电极3位于电子皮肤基体1相对的两侧，每个二号电极3紧挨电子皮肤基体1的侧边；两个二号电极3连接同一个电流表，任意两个相邻的一号电极2分别连接一个电流表，用于测量流过电极的电流；每个一号电极2均通入高频交流电，使电子皮肤基体1的上表面形成均匀电场；根据表面电容原理可以得知，当手指触摸电子皮肤传感器表面时，由于手指接地，手指与电子皮肤基体1之间形成耦合电容，使得触点与各个一号电极2之间均形成电势差，同时由于触点与各个一号电极2之间存在电子皮肤基体1的固有电阻，因此每个一号电极2上均有电流产生并利用电流表感知；
两个二号电极3均通入低频交流电，在电子皮肤基体1安装二号电极3的两侧会形成电势差，当触摸电子皮肤传感器表面时，电子皮肤基体1内的导电网络会发生变化，引起电子皮肤基体1的固有电阻变化，进而引起两个二号电极3之间的电流变化，根据电流变化量反应压力大小。
如图1所示，R1～R4分别表示触点与各个一号电极2之间电子皮肤基体1的固有电阻，固有电阻的大小与触点和一号电极2之间的距离成正比，触点与一号电极2之间的距离越大，则固有电阻越大，因此每个一号电极2处的电流变化量与对应的固有电阻的阻值大小为近似的反比关系；根据连接电流表的两个一号电极2处的电流变化量确定触摸位置；如图2所示，以位于电子皮肤基体1左上角和右上角的两个一号电极2为例，说明触摸位置的定位，这两个一号电极2分别连接电流表A1、A2；由于电流变化量与触点和一号电极2之间的距离相关，当触点位于电子皮肤基体1上一号电极2所在的对角线的另一端时，触点与一号电极2之间有最大距离，因此沿电子皮肤基体1左上角至右下角的对角线逐点触摸电子皮肤基体1的上表面，记录电流表A1的电流变化量ΔA1以及触点与连接电流表A1的一号电极2之间的距离d1，通过曲线拟合得到触点和连接电流表A1的一号电极2之间的距离d1与电流表A1的电流变化量ΔA1之间的曲线；同理，得到触点和连接电流表A2的一号电极2之间的距离d2与电流表A2的电流变化量ΔA2之间的曲线；在使用过程中，当触摸电子皮肤传感器表面的任意位置，都会引起电流表A1、A2的示数变化，根据两个电流表的示数变化，从两条曲线中确定触点分别与连接电流表A1的一号电极2和连接电流表A2的一号电极2之间的距离；以连接电流表A1的一号电极2为圆心，触点与连接电流表A1的一号电极2之间的距离r1为半径画圆弧；同理，以连接电流表A2的一号电极2为圆心，触点与连接电流表A2的一号电极2之间的距离r2为半径为画圆弧，两个圆弧的交点即为触点，完成触摸位置的定位。
所述电子皮肤基体1呈方形，长度和宽度相等；假设以电子皮肤基体1的左下端点为坐标原点，则触摸位置的坐标(x,y)满足下式：
Figure BDA0003528385170000031
Figure BDA0003528385170000032
式中，a为电子皮肤基体的长度；
根据压阻原理，触摸电子皮肤传感器表面时，电子皮肤基体1的固有电阻发生变化，根据欧姆定律U＝IR，在电压恒定的情况下，电阻发生变化则引起流过电子基体皮肤1的电流变化，故记录不同触摸压力对应的与两个二号电极3连接的电流表测量电流变化量，根据电流变化量确定电子皮肤基体固有电阻变化率ΔR/R0，通过曲线拟合得到如图3所示的触摸压力与电子皮肤基体固有电阻变化率的曲线；R0表示电子皮肤基体的初始固有电阻，ΔR表示固有电阻变化量；使用时，当触摸电子皮肤传感器表面，根据电子皮肤基体固有电阻变化率，从如图3所示的触摸压力与电子皮肤基体固有电阻变化率的曲线中获取触摸压力。
所述高频交流电的频率为15～30KHz，电压为1V；低频交流电的频率为50Hz，电压为1V。一号电极2和二号电极3均为铜片电极，一号电极2呈正方形，边长为a/20；二号电极3呈长方形，长度为2a/3，宽度为a/20。
在电子皮肤传感器应用过程中，触点和连接电流表A1的一号电极2之间的距离d1与电流表A1的电流变化量ΔA1之间的曲线、触点和连接电流表A2的一号电极2之间的距离d2与电流表A2的电流变化量ΔA2之间的曲线、触摸压力与电子皮肤基体固有电阻变化率的曲线在电子皮肤传感器出厂就已知。
上述电子皮肤基体的制备过程为：
步骤一、分别称取0.5g石墨烯与碳纳米管，分别加入到100ml去离子水中，使石墨烯、碳纳米管与去离子水的质量体积比为0.5:100g/ml；在室温条件下进行机械搅拌，机械搅拌的转速3000r/min，搅拌时间为2h；然后进行超声分散6h，分别得到石墨烯分散液和碳纳米管分散液；将石墨烯分散液与碳纳米管分散液按照体积比1:1混合后，以3000r/min的转速进行机械搅拌2h，然后超声分散6h，得到石墨烯与碳纳米管的混合分散液，作为导电填料备用；
步骤二、将聚乙烯醇加入步骤一得到的混合分散液中，85℃环境下进行磁力搅拌30min至聚乙烯醇完全溶解并与导电填料均匀混合，得到聚乙烯醇与导电填料混合液；聚乙烯醇作为水凝胶材料，聚乙烯醇的质量分数为85～99.5％，；碳纳米导电填料的质量分数为0.5～15％，水凝胶材料85～99.5％。
步骤三、将聚乙烯醇与导电填料混合液倒入长宽为6cm×6cm、厚度为3mm的模具中，再将模具放入高低温试验箱中，采用三次循环冷冻-慢速解冻的方式进行凝固，得到电子皮肤基体；首先高低温试验箱的冷冻温度在一分钟内降低至-26℃，解冻温度以每小时升高4℃的速率升至26℃，以此冷冻-慢速解冻循环三次，制备的电子皮肤传感器的力学性能较好，弹性模量较高，电子皮肤传感器的抗拉性能更好。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种可识别触摸位置与压力大小的电子皮肤感知系统，其特征在于，该系统包括电子皮肤传感器和电流表；电子皮肤传感器包括电子皮肤基体、一号电极和二号电极，电子皮肤基体上表面的四个端角分别设置有一号电极，电子皮肤基的上、下表面分别设置有二号电极，两个二号电极位于电子皮肤基体相对的两侧，每个二号电极紧挨电子皮肤基体的侧边；两个二号电极连接同一个电流表，任意两个相邻的一号电极分别连接一个电流表；每个一号电极均通入高频交流电，使电子皮肤基体的上表面形成均匀电场；两个二号电极均通入低频交流电，在电子皮肤基体安装二号电极的两侧形成电势差；
假设任意两个相邻的一号电极分别连接电流表A1、A2；当触摸电子皮肤传感器表面时，都会引起电流表A1、A2的示数变化，根据电流表A1的电流变化量，从触点和连接电流表A1的一号电极之间的距离与电流表A1的电流变化量的曲线中确定触点与连接电流表A1的一号电极之间的距离；同理，根据电流表A2的电流变化量，从触点和连接电流表A2的一号电极之间的距离与电流表A2的电流变化量的曲线中确定触点与连接电流表A2的一号电极之间的距离；以连接电流表A1的一号电极为圆心，触点与连接电流表A1的一号电极之间的距离为半径画圆弧；以连接电流表A2的一号电极为圆心，触点与连接电流表A2的一号电极之间的距离为半径为画圆弧，两个圆弧的交点即为触点，完成触摸位置的定位；
当触摸电子皮肤传感器表面时，都会引起电子皮肤基体固有电阻变化率变化，根据电子皮肤基体固有电阻变化率，从触摸压力与电子皮肤基体固有电阻变化率的曲线中获取触摸压力，实现压力大小识别；
触点和连接电流表A1的一号电极之间的距离与电流表A1的电流变化量的曲线、触点和连接电流表A2的一号电极之间的距离与电流表A2的电流变化量的曲线、触摸压力与电子皮肤基体固有电阻变化率的曲线均已知。
2.根据权利要求1所述的可识别触摸位置与压力大小的电子皮肤感知系统，其特征在于，沿电子皮肤基体与电流表A1连接的一号电极所在的对角线逐点触摸电子皮肤基体的上表面，记录电流表A1的电流变化量以及触点与连接电流表A1的一号电极之间的距离，通过曲线拟合得到触点和连接电流表A1的一号电极之间的距离与电流表A1的电流变化量的曲线；同理，得到触点和连接电流表A2的一号电极之间的距离与电流表A2的电流变化量的曲线；
触摸电子皮肤传感器表面时，记录不同触摸压力对应的与两个二号电极连接的电流表测量电流变化量，根据电流变化量确定电子皮肤基体固有电阻变化率，通过曲线拟合得到触摸压力与电子皮肤基体固有电阻变化率的曲线。
3.根据权利要求1所述的可识别触摸位置与压力大小的电子皮肤感知系统，其特征在于，所述电子皮肤基体呈方形，长度和宽度相等。
4.根据权利要求3所述的可识别触摸位置与压力大小的电子皮肤感知系统，其特征在于，所述一号电极呈正方形，边长为电子皮肤基体长度的二十分之一；二号电极呈长方形，长度为电子皮肤基体长度的三分之二，宽度为电子皮肤基体长度的二十分之一。
5.根据权利要求1所述的可识别触摸位置与压力大小的电子皮肤感知系统，其特征在于，所述高频交流电的频率为15～30KHz，电压为1V；低频交流电的频率为50Hz，电压为1V。
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