一种用于机械手灵巧操作的全柔性接近觉和触觉双模态仿生电子皮肤

本发明涉及一种用于机械手灵巧操作的全柔性接近觉和触觉双模态仿生电子皮肤，属于传感。

背景技术：

1、强大的感知能力对于机械手实现类人灵巧操作具有很重要的价值。目前，机器人主要依靠各种传感器感知外界环境变化，电子仿生皮肤是除机器人视觉系统之外最重要的感知方式，其中接近觉感知和触觉感知作为互补功能，可以实现对接近物体位置、形状与材料的识别，以及物体接触时的压力感知，对于机械手灵巧操作时的预减速驱动、针对不同材料与形状采用不同抓取策略的快速反应，进而实现与外周环境进行安全高效交互具有重要意义。

2、目前机器人用的接近觉传感器主要基于红外光、超声波、电容、磁感应等原理，是非柔性的，通常体积较大，较难应用在对于尺寸和柔性高要求的灵巧手指尖上。与此同时，基于红外光的接近觉传感器易受到物体颜色与环境光的干扰；基于磁感应的接近觉传感感知接近物体的材料受限；基于超声波的接近觉传感器较难探测亚厘米距离下的接近信息；基于电容的接近觉传感器较难兼具快速响应时间和较远的感知距离；目前机器人用的触觉传感器较难在宽压强范围内保持良好的线性度。而且全柔性接近觉和触觉双模态传感器的集成与制备也存在一定挑战。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的是针对现有技术无法实现灵巧手在接近物体时快速的距离和材料识别以及接触物体后实现在宽压强范围内具有良好线性度的触觉感知，提供一种用于机械手灵巧操作的全柔性接近觉和触觉双模态仿生电子皮肤，该电子皮肤全柔性、制备工艺简单、易于阵列化设计，接近觉传感单元可以实现快速响应时间和材料识别，触觉传感单元可以在宽压强范围内保持良好的线性度。

2、为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

3、一种用于机械手灵巧操作的全柔性接近觉和触觉双模态仿生电子皮肤，包括：

4、接近觉传感单元层、触觉传感单元层、聚合物间隔层以及聚合物封装层；

5、所述接近觉传感单元层用于基于麦克斯韦位移电流将接近物体的距离和材料信息转换为电信号；

6、所述触觉传感单元层用于基于离电式电容对接近物体接触后的压力信息进行检测；

7、所述聚合物间隔层设置于所述接近觉传感单元层和触觉传感单元层之间，用于对所述接近觉传感单元层和触觉传感单元层进行隔离；

8、所述聚合物封装层设置于所述触觉传感单元层下方，用于对所述接近觉传感单元层、触觉传感单元层进行封装。

9、进一步，所述接近觉传感器单元包括自上向下依次水平放置的静电感应层和离子凝胶电极；

10、所述静电感应层用于基于静电感应效应感知带电物体的接近；

11、所述离子凝胶电极作为所述静电感应层的背电极，用于传递带电物体接近时引起的电荷迁移，并连接测试单元的测试线。

12、进一步，所述静电感应层采用掺有二氧化硅纳米颗粒的硅胶制作，且所述静电感应层上设置有多圈类指纹微结构。

13、进一步，所述静电感应层的制作方法为：通过行星混匀仪将二氧化硅均匀掺入到硅胶溶液中，并导入模具烘干，得到掺有二氧化硅纳米颗粒的硅胶作为静电感应层。

14、进一步，所述触觉传感单元包括离电式电容上电极层、离子凝胶介电层和离电式电容下电极层；

15、所述离子凝胶介电层铺设于所述离电式电容上电极层和离电式电容下电极层之间并紧密接触，且离电式电容值由所述离电式电容上电极层和离电式电容下电极层与所述离子凝胶介电层接触后形成的离子-电子界面的面积决定。

16、进一步，所述离子凝胶介电层上设置有若干触觉传感单元，且各所述触觉传感单元根据灵巧手指指尖的结构特点呈阵列分布。

17、进一步，各所述触觉传感单元采用分级微结构，其包括若干呈环形阵列排布的第一离子凝聚半球，且各层第一离子凝聚半球的半径由内向外依次递增；

18、各所述第一离子凝聚半球上均环形阵列排布有第二离子凝聚半球，且所述第二离子凝聚半球的半径均相同。

19、进一步，所述触觉传感单元的中心是1个半径为100μm的第一离子凝聚半球，第二层是5个半径为200μm的第二离子凝聚半球环形阵列排布，第三层是10个半径为300μm的第一离子凝聚半球环形阵列排布。

20、进一步，所述第二离子凝聚半球的半径为25μm。

21、本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明提出一种用于机械手灵巧操作的全柔性接近觉和触觉双模态仿生电子皮肤。该电子皮肤全柔性、制备工艺简单、易于阵列化设计，接近觉传感单元可以实现快速响应时间和材料识别，触觉传感单元可以在宽压强范围内保持良好的线性度。易于与灵巧手集成而不会影响灵巧手的结构性能，也不会限制灵巧手的正常运动。通过集成至灵巧手指尖能够实现三维物体灵巧抓取时的形状与材料识别。

技术特征：

1.一种用于机械手灵巧操作的全柔性接近觉和触觉双模态仿生电子皮肤，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的一种用于机械手灵巧操作的全柔性接近觉和触觉双模态仿生电子皮肤，其特征在于，所述接近觉传感器单元包括自上向下依次水平放置的静电感应层和离子凝胶电极；

3.如权利要求2所述的一种用于机械手灵巧操作的全柔性接近觉和触觉双模态仿生电子皮肤，其特征在于，所述静电感应层采用掺有二氧化硅纳米颗粒的硅胶制作，且所述静电感应层上设置有多圈类指纹微结构。

4.如权利要求3所述的一种用于机械手灵巧操作的全柔性接近觉和触觉双模态仿生电子皮肤，其特征在于，所述静电感应层的制作方法为：通过行星混匀仪将二氧化硅均匀掺入到硅胶溶液中，并导入模具烘干，得到掺有二氧化硅纳米颗粒的硅胶作为静电感应层。

5.如权利要求1所述的一种用于机械手灵巧操作的全柔性接近觉和触觉双模态仿生电子皮肤，其特征在于，所述触觉传感单元包括离电式电容上电极层、离子凝胶介电层和离电式电容下电极层；

6.如权利要求5所述的一种用于机械手灵巧操作的全柔性接近觉和触觉双模态仿生电子皮肤，其特征在于，所述离子凝胶介电层上设置有若干触觉传感单元，且各所述触觉传感单元根据灵巧手指指尖的结构特点呈阵列分布。

7.如权利要求6所述的一种用于机械手灵巧操作的全柔性接近觉和触觉双模态仿生电子皮肤，其特征在于，各所述触觉传感单元采用分级微结构，其包括若干呈环形阵列排布的第一离子凝聚半球，且各层第一离子凝聚半球的半径由内向外依次递增；

8.如权利要求7所述的一种用于机械手灵巧操作的全柔性接近觉和触觉双模态仿生电子皮肤，其特征在于，所述触觉传感单元的中心是1个半径为100μm的第一离子凝聚半球，第二层是5个半径为200μm的第二离子凝聚半球环形阵列排布，第三层是10个半径为300μm的第一离子凝聚半球环形阵列排布。

9.如权利要求7所述的一种用于机械手灵巧操作的全柔性接近觉和触觉双模态仿生电子皮肤，其特征在于，所述第二离子凝聚半球的半径为25μm。

技术总结
本发明涉及一种用于机械手灵巧操作的全柔性接近觉和触觉双模态仿生电子皮肤，包括：接近觉传感单元层、触觉传感单元层、聚合物间隔层以及聚合物封装层；所述接近觉传感单元层用于基于麦克斯韦位移电流将接近物体的距离和材料信息转换为电信号；所述触觉传感单元层用于基于离电式电容对接近物体接触后的压力信息进行检测；所述聚合物间隔层设置于所述接近觉传感单元层和触觉传感单元层之间，用于对所述接近觉传感单元层和触觉传感单元层进行隔离；所述聚合物封装层设置于所述触觉传感单元层下方，用于对所述接近觉传感单元层、触觉传感单元层进行封装。本发明可以广泛应用于传感技术领域。

技术研发人员：王启宁,蒋东杰,王天童
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5