本發(fā)明涉及一種用于機(jī)械手靈巧操作的全柔性接近覺和觸覺雙模態(tài)仿生電子皮膚，屬于傳感。

背景技術(shù)：

1、強(qiáng)大的感知能力對于機(jī)械手實現(xiàn)類人靈巧操作具有很重要的價值。目前，機(jī)器人主要依靠各種傳感器感知外界環(huán)境變化，電子仿生皮膚是除機(jī)器人視覺系統(tǒng)之外最重要的感知方式，其中接近覺感知和觸覺感知作為互補(bǔ)功能，可以實現(xiàn)對接近物體位置、形狀與材料的識別，以及物體接觸時的壓力感知，對于機(jī)械手靈巧操作時的預(yù)減速驅(qū)動、針對不同材料與形狀采用不同抓取策略的快速反應(yīng)，進(jìn)而實現(xiàn)與外周環(huán)境進(jìn)行安全高效交互具有重要意義。

2、目前機(jī)器人用的接近覺傳感器主要基于紅外光、超聲波、電容、磁感應(yīng)等原理，是非柔性的，通常體積較大，較難應(yīng)用在對于尺寸和柔性高要求的靈巧手指尖上。與此同時，基于紅外光的接近覺傳感器易受到物體顏色與環(huán)境光的干擾；基于磁感應(yīng)的接近覺傳感感知接近物體的材料受限；基于超聲波的接近覺傳感器較難探測亞厘米距離下的接近信息；基于電容的接近覺傳感器較難兼具快速響應(yīng)時間和較遠(yuǎn)的感知距離；目前機(jī)器人用的觸覺傳感器較難在寬壓強(qiáng)范圍內(nèi)保持良好的線性度。而且全柔性接近覺和觸覺雙模態(tài)傳感器的集成與制備也存在一定挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述問題，本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)無法實現(xiàn)靈巧手在接近物體時快速的距離和材料識別以及接觸物體后實現(xiàn)在寬壓強(qiáng)范圍內(nèi)具有良好線性度的觸覺感知，提供一種用于機(jī)械手靈巧操作的全柔性接近覺和觸覺雙模態(tài)仿生電子皮膚，該電子皮膚全柔性、制備工藝簡單、易于陣列化設(shè)計，接近覺傳感單元可以實現(xiàn)快速響應(yīng)時間和材料識別，觸覺傳感單元可以在寬壓強(qiáng)范圍內(nèi)保持良好的線性度。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

3、一種用于機(jī)械手靈巧操作的全柔性接近覺和觸覺雙模態(tài)仿生電子皮膚，包括：

4、接近覺傳感單元層、觸覺傳感單元層、聚合物間隔層以及聚合物封裝層；

5、所述接近覺傳感單元層用于基于麥克斯韋位移電流將接近物體的距離和材料信息轉(zhuǎn)換為電信號；

6、所述觸覺傳感單元層用于基于離電式電容對接近物體接觸后的壓力信息進(jìn)行檢測；

7、所述聚合物間隔層設(shè)置于所述接近覺傳感單元層和觸覺傳感單元層之間，用于對所述接近覺傳感單元層和觸覺傳感單元層進(jìn)行隔離；

8、所述聚合物封裝層設(shè)置于所述觸覺傳感單元層下方，用于對所述接近覺傳感單元層、觸覺傳感單元層進(jìn)行封裝。

9、進(jìn)一步，所述接近覺傳感器單元包括自上向下依次水平放置的靜電感應(yīng)層和離子凝膠電極；

10、所述靜電感應(yīng)層用于基于靜電感應(yīng)效應(yīng)感知帶電物體的接近；

11、所述離子凝膠電極作為所述靜電感應(yīng)層的背電極，用于傳遞帶電物體接近時引起的電荷遷移，并連接測試單元的測試線。

12、進(jìn)一步，所述靜電感應(yīng)層采用摻有二氧化硅納米顆粒的硅膠制作，且所述靜電感應(yīng)層上設(shè)置有多圈類指紋微結(jié)構(gòu)。

13、進(jìn)一步，所述靜電感應(yīng)層的制作方法為：通過行星混勻儀將二氧化硅均勻摻入到硅膠溶液中，并導(dǎo)入模具烘干，得到摻有二氧化硅納米顆粒的硅膠作為靜電感應(yīng)層。

14、進(jìn)一步，所述觸覺傳感單元包括離電式電容上電極層、離子凝膠介電層和離電式電容下電極層；

15、所述離子凝膠介電層鋪設(shè)于所述離電式電容上電極層和離電式電容下電極層之間并緊密接觸，且離電式電容值由所述離電式電容上電極層和離電式電容下電極層與所述離子凝膠介電層接觸后形成的離子-電子界面的面積決定。

16、進(jìn)一步，所述離子凝膠介電層上設(shè)置有若干觸覺傳感單元，且各所述觸覺傳感單元根據(jù)靈巧手指指尖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)呈陣列分布。

17、進(jìn)一步，各所述觸覺傳感單元采用分級微結(jié)構(gòu)，其包括若干呈環(huán)形陣列排布的第一離子凝聚半球，且各層第一離子凝聚半球的半徑由內(nèi)向外依次遞增；

18、各所述第一離子凝聚半球上均環(huán)形陣列排布有第二離子凝聚半球，且所述第二離子凝聚半球的半徑均相同。

19、進(jìn)一步，所述觸覺傳感單元的中心是1個半徑為100μm的第一離子凝聚半球，第二層是5個半徑為200μm的第二離子凝聚半球環(huán)形陣列排布，第三層是10個半徑為300μm的第一離子凝聚半球環(huán)形陣列排布。

20、進(jìn)一步，所述第二離子凝聚半球的半徑為25μm。

21、本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明提出一種用于機(jī)械手靈巧操作的全柔性接近覺和觸覺雙模態(tài)仿生電子皮膚。該電子皮膚全柔性、制備工藝簡單、易于陣列化設(shè)計，接近覺傳感單元可以實現(xiàn)快速響應(yīng)時間和材料識別，觸覺傳感單元可以在寬壓強(qiáng)范圍內(nèi)保持良好的線性度。易于與靈巧手集成而不會影響靈巧手的結(jié)構(gòu)性能，也不會限制靈巧手的正常運(yùn)動。通過集成至靈巧手指尖能夠?qū)崿F(xiàn)三維物體靈巧抓取時的形狀與材料識別。

技術(shù)特征：

1.一種用于機(jī)械手靈巧操作的全柔性接近覺和觸覺雙模態(tài)仿生電子皮膚，其特征在于，包括：

2.如權(quán)利要求1所述的一種用于機(jī)械手靈巧操作的全柔性接近覺和觸覺雙模態(tài)仿生電子皮膚，其特征在于，所述接近覺傳感器單元包括自上向下依次水平放置的靜電感應(yīng)層和離子凝膠電極；

3.如權(quán)利要求2所述的一種用于機(jī)械手靈巧操作的全柔性接近覺和觸覺雙模態(tài)仿生電子皮膚，其特征在于，所述靜電感應(yīng)層采用摻有二氧化硅納米顆粒的硅膠制作，且所述靜電感應(yīng)層上設(shè)置有多圈類指紋微結(jié)構(gòu)。

4.如權(quán)利要求3所述的一種用于機(jī)械手靈巧操作的全柔性接近覺和觸覺雙模態(tài)仿生電子皮膚，其特征在于，所述靜電感應(yīng)層的制作方法為：通過行星混勻儀將二氧化硅均勻摻入到硅膠溶液中，并導(dǎo)入模具烘干，得到摻有二氧化硅納米顆粒的硅膠作為靜電感應(yīng)層。

5.如權(quán)利要求1所述的一種用于機(jī)械手靈巧操作的全柔性接近覺和觸覺雙模態(tài)仿生電子皮膚，其特征在于，所述觸覺傳感單元包括離電式電容上電極層、離子凝膠介電層和離電式電容下電極層；

6.如權(quán)利要求5所述的一種用于機(jī)械手靈巧操作的全柔性接近覺和觸覺雙模態(tài)仿生電子皮膚，其特征在于，所述離子凝膠介電層上設(shè)置有若干觸覺傳感單元，且各所述觸覺傳感單元根據(jù)靈巧手指指尖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)呈陣列分布。

7.如權(quán)利要求6所述的一種用于機(jī)械手靈巧操作的全柔性接近覺和觸覺雙模態(tài)仿生電子皮膚，其特征在于，各所述觸覺傳感單元采用分級微結(jié)構(gòu)，其包括若干呈環(huán)形陣列排布的第一離子凝聚半球，且各層第一離子凝聚半球的半徑由內(nèi)向外依次遞增；

8.如權(quán)利要求7所述的一種用于機(jī)械手靈巧操作的全柔性接近覺和觸覺雙模態(tài)仿生電子皮膚，其特征在于，所述觸覺傳感單元的中心是1個半徑為100μm的第一離子凝聚半球，第二層是5個半徑為200μm的第二離子凝聚半球環(huán)形陣列排布，第三層是10個半徑為300μm的第一離子凝聚半球環(huán)形陣列排布。

9.如權(quán)利要求7所述的一種用于機(jī)械手靈巧操作的全柔性接近覺和觸覺雙模態(tài)仿生電子皮膚，其特征在于，所述第二離子凝聚半球的半徑為25μm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種用于機(jī)械手靈巧操作的全柔性接近覺和觸覺雙模態(tài)仿生電子皮膚，包括：接近覺傳感單元層、觸覺傳感單元層、聚合物間隔層以及聚合物封裝層；所述接近覺傳感單元層用于基于麥克斯韋位移電流將接近物體的距離和材料信息轉(zhuǎn)換為電信號；所述觸覺傳感單元層用于基于離電式電容對接近物體接觸后的壓力信息進(jìn)行檢測；所述聚合物間隔層設(shè)置于所述接近覺傳感單元層和觸覺傳感單元層之間，用于對所述接近覺傳感單元層和觸覺傳感單元層進(jìn)行隔離；所述聚合物封裝層設(shè)置于所述觸覺傳感單元層下方，用于對所述接近覺傳感單元層、觸覺傳感單元層進(jìn)行封裝。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于傳感技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：王啟寧,蔣東杰,王天童
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/5