CN116430392A - 一种具有超声波传感功能的柔性电子皮肤、制作方法及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有超声波传感功能的柔性电子皮肤，包括：聚合物薄膜，所述聚合物薄膜一面设有上电极，另一面设有下电极，所述聚合物薄膜中间设有孔洞结构，所述电极包括信号发射端电极和信号接收端电极，所述信号发射端电极用于超声信号发射端，与外部电源连接；所述信号接收端电极用于超声信号接收端，与外部微处理器连接；所述聚合物薄膜通过高电压极化处理，使孔洞结构上下表面带有等量异种电荷；本发明在中间层聚合物薄膜上下两个外表面进行金属镀膜形成电极时，采用阵列式镀膜，实现在一张皮肤上形成多个超声波传感器，从而实现了仅一张皮肤就能对超声波信号进行发射及接收，大大提高了集成度。

Description

一种具有超声波传感功能的柔性电子皮肤、制作方法及机 器人

技术领域

本发明涉及一种具有超声波传感功能的柔性电子皮肤、制作方法及机器人，属于微机电系统技术领域。

背景技术

随着社会科学技术的不断发展，机器人融入社会的趋势越加明显。这类机器人融入社会生活中最重要的问题就是在运行过程中如何对周围环境进行准确的探测和识别，准确的探测和识别既能为机器人抓取物体提供帮助，同时为机器人的正常安全运行提供了保障。

目前机器人对周围环境物体的常见探测识别方式是通过使用激光雷达、高清摄像头、力、力矩传感器等设备进行组合使用以实现对周围环境物体的探测和识别。采用此种多设备组合方式大大加重了机器人自身的重量，提高了机器人制造成本。

传统机器人皮肤采用的是刚性皮肤，通过在PCB板上安装各类传感器设备，在外部供电的情况下实现对外界环境的探测，在使用过程中由于各类传感器组合运行，功耗较大且灵敏度不高。

具有压电效应的材料是一种同时兼具正逆压电效应的智能材料，若对其施加作用力，则在它的两个电极上将感应产生等量的异种电荷。反之，当它受到外加电压的作用时，便会产生机械变形。基于这一特性，由具有压电效应的材料制成的具有超声波传感功能的机器人电子皮肤具有结构紧凑、体积小、耐用且低成本等优点。用来对周围环境物体进行探测和识别，不需要和其他设备组合使用，大大减小了机器人自身重量，降低了功耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有超声波传感功能的柔性电子皮肤、制作方法及机器人，以解决现有技术缺陷。

一种具有超声波传感功能的柔性电子皮肤，包括：

聚合物薄膜，所述聚合物薄膜通过高电压极化处理，在所述聚合物薄膜上表面镀上以阵列形式排布的多个上电极，下表面镀上以阵列形式排布的多个下电极，其中一个所述上电极和其中一个所述下电极与中间聚合物薄膜构成一个超声波传感器，所述上电极设于聚合物薄膜一面，所述下电极设于聚合物薄膜另一面，所述聚合物薄膜中间设有孔洞结构，所述超声波传感器包括信号发射端电极和信号接收端电极，所述信号发射端电极用于超声信号发射端，与外部电源连接；所述信号接收端电极用于超声信号接收端，与外部微处理器连接。

进一步地，所述超声波传感器分为两类，其中一类通过外部接通电信号，将电信号转为超声波信号在环境中进行传播，另一类接收触碰到物体反射回来的超声波，将超声波信号转换为电信号，通过外部电信号采集装置、机器人微处理器分析后得到外部环境中物体的相关信息。

进一步地，所述聚合物薄膜通过高电压极化处理使所述孔洞结构内部形成高度定向的巨型偶极子，每一个所述孔洞结构内部上下内表面均带有等量异种电荷。

进一步地，所述孔洞结构长度为1微米-100微米，宽度为1微米-20微米。

进一步地，所述信号发射端电极和信号接收端电极之间通过引线连接。

进一步地，所述聚合物薄膜采用柔性可拉伸且内部含有孔洞结构的聚合物材料。

进一步地，所述孔洞结构呈椭圆形的形状。

一种机器人，包括上述所述的具有超声波传感功能的柔性电子皮肤；所述柔性电子皮肤包裹在机器人外部，所述信号发射端电极接收到电源的交流电信号时，超声波传感器开始振动并带动空气中产生超声波向前传播，直到碰到干扰物时，形成反射超声波，所述信号接收端电极收到反射超声波时，将声压转换为电信号传递给微处理器，通过微处理器的分析后得到外界物体的各项信息并进行显示。

一种具有超声波传感功能的柔性电子皮肤制作方法，所述方法包括：

对聚合物薄膜使用热压机在低温下对其进行压缩，使得厚度达到50微米左右；

在聚合物薄膜内部开设孔洞结构，使用物理发泡或化学发泡的形式进行发泡处理，最终得到大小不一的内部孔洞；

在聚合物薄膜的上下两个表面通过使用磁控离子溅射仪在氩气环境状态下，以导电金属作为靶材料，将矩形薄层金属镀在薄膜材料的上下外表面，得到的聚合物薄膜材料外表面具备导电性；

对聚合物薄膜进行高电压极化处理，处理后孔洞结构内部形成高度定向的巨型偶极子，每一个孔洞内部上下内表面均带有等量异种电荷，上表面带有正电荷，下表面带有负电荷，得到的聚合物薄膜材料具备正逆压电性；

得到聚合物薄膜上外表面带有上电极层，下外表面带有下电极层。

进一步地，所述方法还包括：

在镀金属薄膜前，采用相应图案的掩模板覆盖在聚合物薄膜上再进行镀膜工作，在聚合物薄膜上下外表面形成多个独立电极以作为信号发射端电极和信号接收端电极。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明设计的具有超声波传感功能的柔性电子皮肤，在具有压电效应的中间层薄膜上下两个表面进行金属镀膜时，采用的不是整面镀膜，而是阵列式镀膜，这样做可以实现在一张皮肤上形成多个超声波传感器，使得在一张皮肤上一部分传感器连接外部电源信号成为超声波的发射信号源，另一部分传感器连接外部微处理器接收超声波信号进行数据分析，从而实现了仅一张皮肤就能对超声波信号进行发射及接收，大大提高了集成度。

本发明设计的具有超声波传感功能的柔性电子皮肤，由于在一张皮肤上形成了多个超声波传感器，且每一个传感器结构相同，都同时具备正向压电效应和逆向压电效应。因此，每一个传感器都可以根据具体需求来决定用作发射端或者接收端，进而本发明可以实现在一张皮肤上，超声波发射传感器和超声波接收传感器可以任意进行排布，自由定义发射端和接收端的数量，由于所有的传感器可以进行自由排布，所以当发射端和接收端交替排布时，一张皮肤上形成多个发射端和多个接收端，此时对外界周围环境中的物体可以实现立体式探测。

本发明设计的具有超声波传感功能的柔性电子皮肤因为其传感器为阵列式排布，用于对周围环境物体的探测和识别，其基础用途在于机器人运动过程中可避开周围环境中的障碍物。其次，由于上述所描述的一张皮肤上所有的传感器可以进行自由排布，所以当发射端和接收端交替排布时，一张皮肤上形成多个发射端和多个接收端，可以根据不同位置的传感器所接收到的数据，通过机器人微处理器分析接收到的数据后，可以得到周围环境中物体的形状信息，从而实现对外界周围环境中的物体实现立体式探测。根据接收到的反射后信号的强弱分析可以实现对外界环境物体的表面材质属性的获取，同时根据发射和接收超声波的时间差可以得到机器人与物体之间的距离信息。上述特点可以使机器人手获取到在抓取环境物体前的预判信息，这将极大提高机器人手抓取环境物体的成功率。

本发明设计的具有超声波传感功能的柔性电子皮肤具有良好的仿生性，由于采用的是聚合物薄膜材料所制成的电子皮肤，因此本发明设计的电子皮肤柔性且具有可拉伸性。当用于机器人手上时，由于其良好的仿生性可以适应手掌的弯曲变动，始终保持良好完整的探测性能。

附图说明

图1是具有超声波传感功能的柔性电子皮肤包裹的机器人手部工作原理图；

图2是具有超声波传感功能的柔性电子皮肤整体结构示意图；

图3是具有超声波传感功能的柔性电子皮肤结构横截面示意图；

图4是具有超声波传感功能的柔性电子皮肤的超声波传感器横截面结果示意图；

图5是具有超声波传感功能的柔性电子皮肤表面电极分布示意图一；

图6是具有超声波传感功能的柔性电子皮肤表面电极分布示意图二；

图7是具有超声波传感功能的柔性电子皮肤识别周围环境物体的示意图；

图中：1、机器人；2、干扰物一；3、电源；4、超声波；5、反射超声波；6、微处理器；7、显示信息；8、上电极；9、聚合物薄膜；10、下电极；11、孔洞结构；12、信号发射端电极；13、信号接收端电极；14、引线；15、干扰物二。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

实施例1

如图2-图6所示，公开了一种具有超声波传感功能的柔性电子皮肤，包括：

聚合物薄膜9，所述聚合物薄膜9处理后具有压电效应的薄膜材料上表面镀上以阵列形式排布的上电极8，下表面镀上以阵列形式排布的下电极10，上电极8和下电极10加上中间聚合物薄膜9即构成一个超声波传感器，因此一张机器人皮肤上具有多个超声波传感器形成传感器阵列。所述上电极8设于聚合物薄膜9的其中一面，下电极10设于聚合物薄膜9的另一面，所述聚合物薄膜9中间设有孔洞结构11，所述超声波传感器包括信号发射端电极12和信号接收端电极13，所述信号发射端电极12用于超声信号发射端，与外部电源3连接；所述信号接收端电极13用于超声信号接收端，与外部微处理器6连接；所述信号发射端电极12和信号接收端电极13之间通过引线14连接。

聚合物上下表面采用阵列式镀膜形成电极，使得在一张皮肤上形成多个结构完全相同的超声波传感器，都同时具备正向压电效应和逆向压电效应。每一个传感器都可以根据具体需求来决定用作发射端或者接收端，因此可以实现在一张皮肤上，超声波发射传感器和超声波接收传感器可以任意进行排布，自由定义发射端和接收端的数量。

实施例2

一种具有超声波传感功能的柔性电子皮肤制作方法，所述方法包括：

对聚合物薄膜9使用热压机在低温下对其进行压缩，使得厚度达到50微米左右；

在聚合物薄膜9内部开设孔洞结构11，并使用物理发泡或化学发泡的形式进行发泡处理，最终得到大小不一的内部孔洞结构11；

在聚合物薄膜9的上下两个表面通过使用磁控离子溅射仪在氩气环境状态下，以导电金属作为靶材料，将矩形薄层金属镀在薄膜材料9的上下表面，得到的聚合物薄膜材料具备导电性；

对聚合物薄膜9进行高电压极化处理，处理后孔洞结构11内部形成高度定向的巨型偶极子，每一个孔洞内部上下内表面均带有等量异种电荷，上表面带有正电荷，下表面带有负电荷，得到聚合物薄膜9上表面带有上电极层8，下表面带有下电极层10。

柔性电子皮肤具体制作方法包括：超声传感器的制造从具有压电效应的聚合物薄膜9开始，通常采用柔性可拉伸且内部含有孔洞结构的聚合物材料，如聚丙烯、聚四氟乙烯、氟化聚乙烯丙烯、环烯烃共聚物、聚萘二甲酸乙二醇酯以及环状透明光学聚合物等材料。由于要实现小型化，因此使用热压机在低温下对其进行压缩，使得厚度达到50微米左右。此时内部孔洞结构11通过使用物理发泡或化学发泡的形式进行发泡处理，最终得到大小不一的内部孔洞结构11，基本呈现出类似椭圆形的形状，长度大约1—100微米不等，宽度大约1—20微米不等，杂乱分布在聚合物薄膜9内部。

得到上述含有孔洞结构的聚合物薄膜9后，接下来在聚合物薄膜9的上下两个表面通过使用磁控离子溅射仪在氩气环境状态下，以导电金属作为靶材料，将矩形薄层金属镀在上述薄膜材料9的上下表面。此时得到的聚合物薄膜材料具备导电性，以保证后续传感器的正常工作。由于本发明中提出的是以阵列形式排布的电极，因此在镀金属薄膜前，采用相应图案的掩模板覆盖在聚合物薄膜9上再进行镀膜工作，最终得到上述信号发射端电极12、信号接收端电极13。

完成上述工作后，因为上述聚合物薄膜9属于完全非极性材料，内部孔洞结构11中不含有任何电荷，因此需要对聚合物薄膜9进行高电压极化处理。处理后孔洞结构11内部形成高度定向的巨型偶极子，每一个孔洞内部上下内表面均带有等量异种电荷，一般情况下孔洞结构11上表面带有正电荷，下表面带有负电荷。此时在聚合物薄膜材料9的上下表面的金属电极层8，10上将会感应出空气中的自由电荷，电荷类型与孔洞结构11上下表面所带电荷极性相反。如上述图3、图4所示。在极化过程中，施加的高电压不能过大也不能过小，过大会导致将聚合物薄膜材料9直接击穿损坏；过小会导致孔洞结构11内部无法击穿，无法形成巨型偶极子。此时聚合物薄膜9具有了正逆压电效应。

图5、图6为具有超声波传感功能的柔性电子皮肤表面电极分布示意图，采用阵列式排布，其中信号发射端电极12用作超声信号发射端，外部连接电源，信号接收端电极13用作超声信号接收端，外部连接机器人微处理器6。图5所示的排列方式为发射端和接收端间隔排列，是众多排布方式中的一种。图6所示，是另一种排布方式，仅有一个传感器作为发射端，剩下所有传感器都作为接收端，在实际操作中可以根据需求随意排布两种不同功能的电极。上述图5、图6中引线14采用金属导电引线，将表面电极连通到外部以施加电信号或进行数据分析。

一种机器人，包括上述所述的具有超声波传感功能的柔性电子皮肤；所述柔性电子皮肤包裹在机器人1外部，所述信号发射端电极12接收到电源3的电信号时，将产生超声波向前传播，直到碰到环境中的圆柱体2时，形成反射超声波，所述信号接收端电极13收到反射超声波时，将声压转换为电信号传递给微处理器6，通过微处理器6的分析后得到与外界干扰物显示信息并进行显示。

机器人电子皮肤探测和识别周围外部环境中的物体信息流程，由超声信号发射端12发出超声波信号，该信号碰到干扰物一2、干扰物二15后反射到超声信号接收端13，进而传输给机器人微处理器6，即可识别到物体信息。

本发明的实现得益于机械作用力信号与电信号之间的相互转换，通过在经处理后具有压电效应的薄膜材料上下表面镀上以阵列形式排布的电极，从而由薄膜上下各一个电极加上中间薄膜层即构成一个超声波传感器，因此一张机器人皮肤上具有多个超声波传感器形成传感器阵列。

上述超声波传感器按照所需功能将被分为两类，一类传感器通过外部接通电信号，可将电信号转为超声波信号在环境中进行传播；剩下一类传感器，通过外部接通信号收集装置，可接收触碰到物体反射回来的超声波，通过机器人微处理器分析后得到外部环境中物体的相关信息。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有超声波传感功能的柔性电子皮肤，其特征在于，包括：

聚合物薄膜，所述聚合物薄膜通过高电压极化处理，在所述聚合物薄膜上表面镀上以阵列形式排布的多个上电极，下表面镀上以阵列形式排布的多个下电极，其中一个所述上电极和其中一个所述下电极与中间聚合物薄膜构成一个超声波传感器，所述上电极设于聚合物薄膜一面，所述下电极设于聚合物薄膜另一面，所述聚合物薄膜中间设有孔洞结构，所述超声波传感器包括信号发射端电极和信号接收端电极，所述信号发射端电极用于超声信号发射端，与外部电源连接；所述信号接收端电极用于超声信号接收端，与外部微处理器连接。

2.根据权利要求1所述的具有超声波传感功能的柔性电子皮肤，其特征在于，所述超声波传感器分为两类，其中一类通过外部接通电信号，将电信号转为超声波信号在环境中进行传播，另一类接收触碰到物体反射回来的超声波，将超声波信号转换为电信号，通过外部电信号采集装置、机器人微处理器分析后得到外部环境中物体的相关信息。

3.根据权利要求1所述的具有超声波传感功能的柔性电子皮肤，其特征在于，所述聚合物薄膜通过高电压极化处理使所述孔洞结构内部形成高度定向的巨型偶极子，每一个所述孔洞结构内部上下内表面均带有等量异种电荷。

4.根据权利要求1所述的具有超声波传感功能的柔性电子皮肤，其特征在于，所述孔洞结构长度为1微米-100微米，宽度为1微米-20微米。

5.根据权利要求1所述的具有超声波传感功能的柔性电子皮肤，其特征在于，所述信号发射端电极和信号接收端电极之间通过引线连接。

6.根据权利要求1所述的具有超声波传感功能的柔性电子皮肤，其特征在于，所述聚合物薄膜采用柔性可拉伸且内部含有孔洞结构的聚合物材料。

7.根据权利要求1所述的具有超声波传感功能的柔性电子皮肤，其特征在于，所述孔洞结构呈椭圆形的形状。

8.一种机器人，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的具有超声波传感功能的柔性电子皮肤；所述柔性电子皮肤包裹在机器人外部，所述信号发射端电极接收到电源的交流电信号时，超声波传感器开始振动并带动空气中产生超声波向前传播，直到碰到干扰物时，形成反射超声波，所述信号接收端电极收到反射超声波时，将声压转换为电信号传递给微处理器，通过微处理器的分析后得到外界物体的各项信息并进行显示。

9.一种具有超声波传感功能的柔性电子皮肤制作方法，其特征在于，所述方法包括：

对聚合物薄膜使用热压机在低温下对其进行压缩，使得厚度达到50微米左右；

在聚合物薄膜内部开设孔洞结构，使用物理发泡或化学发泡的形式进行发泡处理，最终得到大小不一的内部孔洞；

在聚合物薄膜的上下两个表面通过使用磁控离子溅射仪在氩气环境状态下，以导电金属作为靶材料，将矩形薄层金属镀在薄膜材料的上下外表面，得到的聚合物薄膜材料外表面具备导电性；

对聚合物薄膜进行高电压极化处理，处理后孔洞结构内部形成高度定向的巨型偶极子，每一个孔洞内部上下内表面均带有等量异种电荷，上表面带有正电荷，下表面带有负电荷，得到的聚合物薄膜材料具备正逆压电性；

得到聚合物薄膜上外表面带有上电极层，下外表面带有下电极层。

10.根据权利要求9所述的具有超声波传感功能的柔性电子皮肤制作方法，其特征在于，所述方法还包括：

在镀金属薄膜前，采用相应图案的掩模板覆盖在聚合物薄膜上再进行镀膜工作，在聚合物薄膜上下外表面形成多个独立电极以作为信号发射端电极和信号接收端电极。

Images