一种柔性仿生电子皮肤感知机构
阅读说明：本技术 一种柔性仿生电子皮肤感知机构 (Flexible bionic electronic skin sensing mechanism ) 是由 周艳敏 何斌 汪亚飞 王启刚 王志鹏 朱忠攀 于 2021-08-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种柔性仿生电子皮肤感知机构,包括凝胶层、PDMS隔离层和多个电容式感知单元,PDMS隔离层的顶面贴合凝胶层的底面,多个电容式感知单元均匀分布贴合在PDMS隔离层的底面,其中,每个电容式感知单元包括中间层以及贴合中间层上下两侧的电极层,电极层由PDMS材料中置入金属纤维网络构成,中间层由凝胶中混入活性炭并嵌入微结构多孔的PDMS材料构成。与现有技术相比,本发明能实现同一接触点的精确触觉定位和压觉感知,而且结构稳定性好。(The invention relates to a flexible bionic electronic skin sensing mechanism which comprises a gel layer, a PDMS (polydimethylsiloxane) isolation layer and a plurality of capacitive sensing units, wherein the top surface of the PDMS isolation layer is attached to the bottom surface of the gel layer, the capacitive sensing units are uniformly distributed and attached to the bottom surface of the PDMS isolation layer, each capacitive sensing unit comprises an intermediate layer and electrode layers attached to the upper side and the lower side of the intermediate layer, the electrode layers are formed by placing metal fiber networks in PDMS materials, and the intermediate layer is formed by mixing activated carbon in gel and embedding a microstructure porous PDMS material. Compared with the prior art, the invention can realize the accurate touch positioning and pressure perception of the same contact point and has good structural stability.)
技术领域
本发明涉及一种于电子仿生技术领域，尤其是涉及一种柔性仿生电子皮肤感知机构。
背景技术
对于柔性感知的研究始于二十世纪七十年代。2000年至今，随着化学和材料科学的进步，触觉传感器的改进与开发也取得了显著的成果，而且更加注重模拟生物感知系统的机械性质。触、压觉感知器件的传感机制主要包括压电效应、压阻效应和电容效应。基于压电效应的传感器通常只用来检测动态接触，且需要额外晶体管从传感原件中读取和放大信号，因而构型复杂、制作难度大且功耗高。压阻型材料的传感器因其原理简单、读取方便而被广泛应用于商业传感器中，然而其灵敏度低，难以检测低压信号。电容式传感器对温度变化的敏感度和灵敏度比较低，输出稳定性较好，在医学工程、生物力学和机器人学等学科具有广泛的应用前景，也是现在的主流传感器。
但是，上述传感器(触、压觉感知器件)仍然存在以下问题：1、传感器的结构通常都是采用柔性电极板和金属铜片的形式，由于金属铜片的存在其整体柔性较差，和软体输入设备的贴合度较差。2、柔性电路板上的传感器只能进行压力检测，而触觉定位是通过多个传感器的阵列排布反馈经计算实现，定位精度和传感器的分布离散度紧密相关，导致精度较差。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种柔性仿生电子皮肤感知机构。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种柔性仿生电子皮肤感知机构，包括凝胶层、PDMS隔离层和多个电容式感知单元，所述PDMS隔离层的顶面贴合凝胶层的底面，所述多个电容式感知单元均匀分布贴合在PDMS隔离层的底面，其中，每个电容式感知单元包括中间层以及贴合中间层上下两侧的电极层，所述电极层由PDMS材料中置入金属纤维网络构成，所述中间层由凝胶中混入活性炭并嵌入微结构多孔的PDMS材料构成。
进一步地，所述多个电容式感知单元呈矩阵式分布在PDMS隔离层的底面。
进一步地，所述凝胶层为包括BMIMBF4、HEMA以及氧化锆的混合液凝胶。
进一步地，所述电容式感知单元的电极层连接电容测量仪；
当凝胶层上具有接触点时，对应位置的电容式感知单元的电容值发生变化，通过电容测量仪测得的电容值，以及预设的电容值和压强值的对应关系，获取接触点的压强值。
进一步地，电容值和压强值的对应关系为线性关系。
进一步地，所述凝胶层上设有一个圆形区域，在圆形区域的圆形边缘上均匀设有四个测量支路；
当凝胶层上具有接触点时，通过四个测量支路分别测得的数据进行计算，获取接触点的位置信息。
进一步地，以圆形区域的圆点为极点建立极坐标，接触点的位置信息为坐标(ρ，θ)，每个测量支路测得的数据为电压值，坐标(ρ，θ)中ρ和θ中的计算表达式为：
式中，V1、V2、V3和V4分别为四个测量支路测得的电压值，c、d和e为系数。
进一步地，每个测量支路包括支路电阻和电压表，支路电阻的一端连接凝胶层上的圆形边缘，另一端连接电源，所述电压表并联在支路电阻的两端，所述四个测量支路的支路电阻阻值相同。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明设置了凝胶层和电容式感知单元，通过凝胶层实现触觉定位，通过电容式感知单元实现压觉感知，并且将凝胶层和电容式感知单元通过PDMS隔离层进行隔离和黏合，使其既能实现同一接触点的精确触觉定位和压觉感知，而且结构稳定性好。同时，本发明的电容式感知单元采用了PDMS和金属纤维网络组成的电极层，采用微结构多孔的PDMS加凝胶和活性炭组成中间层，实现全柔性结构，可在使用时完全贴合软体输入设备，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为电容值和感知压强的关系示意图。
图3为测量支路的结构示意图。
附图标记：1、凝胶层，2、PDMS隔离层，3、电容式感知单元，31、电极层，32、中间层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例提供了一种柔性仿生电子皮肤感知机构，包括三层结构：顶层为凝胶层1，用于实现触觉定位；底层为多个均匀分布的电容式感知单元3，用于实现压觉感知，本实施例中采用矩阵形式分布；中间层为PDMS(聚二甲基硅氧烷)隔离层，用于实现电路隔离和固定，粘结凝胶层1和电容式感知单元3。
其中，每个电容式感知单元3包括中间层32以及贴合中间层32上下两侧的电极层31。电极层31由PDMS材料中置入金属纤维网络构成，中间层32由凝胶中混入活性炭并嵌入微结构多孔的PDMS材料构成，由此电容式感知单元3形成了一个全柔性的电容结构。
本实施例中，凝胶层1采用常规的导电凝胶，可以采用包括BMIMBF4(甲基咪唑四氟硼酸盐)、HEMA(甲基丙烯酸羟乙酯)以及氧化锆的混合液凝胶。该材料的强度和粘合性可通过材料配比和制作工艺调节，具有优良的强度匹配能力。电容式感知单元3的中间层32中的凝胶采用凝胶层1的同种材料。
对于压觉感知：
使用前，本实施例先需要进行电容式感知单元3进行压觉感知测试，以获得电容值和感知压强的关系。在一个电容式感知单元3的上下两个电极层31接入铂电极，并接入高精度电容表；然后在凝胶层1上施加相同接触面积的不同重物，获得并记录相应电容值；最后计算重物相应压强值，获得压强C与电容值P的关系函数：
C＝aP+b
式中，a和b是函数系数，函数关系图如图2所示。
使用时，当凝胶层1上具有接触点时，电容式感知单元3会随之形变，对应位置的电容式感知单元3的电容值发生变化，通过电容测量仪测得的电容值，依据测得的电容值和压强值的对应关系，获取接触点的压强值。
对于触觉定位：
触觉定位采用建立极坐标的方式实现。在凝胶层1上设置一个圆形区域，在圆形区域的圆形边缘上均匀设有四个测量支路。如图3所示，每个测量支路包括支路电阻和电压表(电压表未示出)，支路电阻的一端连接凝胶层1上的圆形边缘，另一端连接电源；电压表并联在支路电阻的两端，四个测量支路的支路电阻阻值相同。
使用时，当凝胶层1上具有接触点时，通过四个测量支路分别测得的数据进行计算，从而获取接触点的位置信息，具体为：
以圆形区域的圆点为极点建立极坐标，接触点的位置信息为坐标(ρ，θ)，每个测量支路测得的数据为电压值，坐标(ρ，θ)中ρ和θ中的计算表达式为：
式中，V1、V2、V3和V4分别为四个测量支路测得的电压值，c、d和e为系数。
综上，本实施例通过凝胶层1实现触觉定位，通过电容式感知单元3实现压觉感知，并且将凝胶层1和电容式感知单元3通过PDMS隔离层2进行隔离和黏合，使其既能实现同一接触点的精确触觉定位和压觉感知，而且结构稳定性好。同时，本实施例的电容式感知单元采用了PDMS和金属纤维网络组成的电极层，采用微结构多孔的PDMS加凝胶和活性炭组成中间层，实现全柔性结构，可在使用时完全贴合软体输入设备，具有良好的应用前景。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。