一种电子仿生皮肤系统的制作方法

本发明涉及机器仿生技术领域，更具体地涉及一种电子仿生皮肤系统。

背景技术：

皮肤是动物体与外界环境的一个良好沟通的凭借。由于皮肤中分布着各式各类的感受器，人类通常通过皮肤来感知周围环境(比如温度、压力、湿度等)。但是由于皮肤与外界环境直接接触，皮肤的伤害也是难以避免的，据报道分析，烧伤、机械创伤以及慢性疾病导致溃疡是造成皮肤缺损及功能丧失的主要原因。全国每年需要进行皮肤移植的病例大约在300万人次以上，依靠自体皮移植往往存在供皮部位不足等问题。电子仿生皮肤是解决此难题的优良途径，近年来，也受到广大研究学者的关注，应用于机器人、人造假肢以及可穿戴器件中。

在模拟皮肤的各种功能，例如感受冷、热、痛以及机械作用等中，电子仿生皮肤实现机械作用是最有挑战的工作之一。目前，有很多相关文献报道的电子仿生皮肤的灵敏度很高，可以感受到一只蚂蚁或者一小片羽毛，但是当电子仿生皮肤需要与人类皮肤直接连接时，其感受信号并且与人体皮肤的通讯仍是个难题。人体皮肤在感受到外界刺激时通常是通过人体脉冲电信号的频率变化告知人体的神经系统，而目前用于电子仿生皮肤的压力传感器“感受”到外界压力刺激时通常将该压力变化信号转化为电信号的幅值变化，例如电压、电流、阻抗等的幅值变化，因此该电子仿生皮肤无法与人体皮肤直接“通讯”，限制了其实现真正皮肤的功能。

技术实现要素：

针对上述技术现状，本发明提出一种电子仿生皮肤系统，该系统能够“感受”外界压力刺激，并且将其转换为脉冲电信号的频率变化，可进一步接近真实皮肤的功能。

本发明所采用的技术方案为：一种电子仿生皮肤系统，包括压力感受部分与信号编码部分；

所述的压力感受部分包括支撑壳体，以及位于支撑壳体内的电感线圈与磁场单元，该磁场单元能够产生磁场；

所述的支撑壳体包括支撑面，支撑面连接磁场单元；

工作状态时，外界应力作用于支撑面，支撑面形变，引起磁场单元作用于电感线圈中的磁通量变化，线圈电感随之改变；将该电感信号作为压力感受部分的输出信号；

所述的信号编码部分包括lc振荡电路、边沿检波电路、分频电路以及微分电路；

由压力感受部分输出的电感信号与电容构成lc振荡电路，在外界应力作用下压力感受部分输出的电感变化，通过lc振荡电路转化为正弦电压信号的频率变化；然后通过边沿检波电路、分频电路与微分电路，将输出的正弦信号经边沿检波电路转换为方波信号，高频信号经分频电路转换为低频信号，得到低频方波信号，再经微分电路转换为低频脉冲信号。

所述的lc振荡电路主要由电感、电容、电阻构成。

所述的边沿检波电路主要由电容、电阻以及反相器芯片构成。

所述的分频电路主要由分频器构成。

所述的微分电路主要由电容以及电阻构成。

作为优选，所述的lc振荡电路与边沿检波电路之间设置缓冲电路。作为进一步优选，所述的缓冲电路主要是由电压缓冲器构成。

为了提高外界压力的探测灵敏度，能够通过本发明中的压力感受部分探测到微弱应力，所述的支撑面优选由柔性材料制得，所述的柔性材料不限，包括聚二甲基硅氧烷(pdms)、橡胶等。进一步优选，所述的柔性支撑面上方连接柔性突起，工作状态时，外界微弱应力作用在柔性突起上，柔性突起产生压应力带动柔性支撑面发生形变。所述的柔性突起材料不限，包括pdms、橡胶等。

更优选地，所述的磁场单元为柔性材料，作为一种优选的实现方式，所述的磁场单元采用柔性材料与磁致伸缩材料构成；可以采用物理混合或者物理镀膜的方法制备；其中，柔性材料包括但不限于pdms、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(sbs)或eco-flex等；磁致伸缩材料不限，包括钕铁硼等一类的硬磁材料、铁硅硼等一类的软磁材料；作为优选，采用pdms与钕铁硼磁粉混合制备。

所述的电感线圈可以采用平面电感，磁芯采用磁性金属、磁性合金、非晶磁性材料薄膜，也可以采用铜线绕成的电感线圈，磁芯为磁性金属、磁性合金、非晶磁性材料；作为优选，所述的磁芯为非晶磁致伸缩材料；进一步优选，所述的非晶磁致伸缩材料是铁基非晶软磁材料或者钴基非晶软磁材料。

所述的支撑壳体的形状不限，可以是中空柱体(或称为鼓形)，其横截面形状不限，包括圆形、矩形、多边形等，也可以是中空锥体，其横截面形状不限，包括圆形、矩形、多边形等。

综上所述，本发明将电子仿生皮肤系统设计为包括压力感受部分与信号编码部分。其中，压力感受部分采用电感式压力传感器，用于感知外界压力；信号编码部分主要包括lc振荡电路、缓冲电路、边沿检波电路、分频电路以及微分电路。工作状态时，外界应力作用于支撑面，支撑面形变，引起磁场单元作用于电感线圈中的磁通量变化，线圈电感随之改变，作为输出信号输出；然后，该输出信号与电容构成lc振荡电路，通过lc振荡电路将输出的电感变化转化为正弦电压信号的频率变化，输出的正弦信号通过边沿检波信号转化为方波信号，方波信号经过分频电路将高频信号转换为低频信号，低频信号经过微分电路即可转换成低频脉冲信号。因此，该电子仿生皮肤系统进一步接近了人体皮肤的功能，能够与人体皮肤兼容，实现与人体皮肤直接“通讯”的功能。

附图说明

图1是本发明实施例1中电子仿生皮肤系统的压力感受部分的结构示意图；

图2是用于制备图1中支撑壳体上部分的模具结构示意图；

图3是用于制备图1中支撑壳体底座的模具结构示意图；

图4是本发明实施例1中电子仿生皮肤系统的信号编码部分的电路图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而不对其起任何限定作用。

实施例1：

下面结合附图与实施例，进一步阐明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。

图1至3中的附图标记为：电感线圈1、支撑壳体2、磁场单元3、位置6、位置7、集成磁场单元的壳体上部分8、lc振荡电路9、缓冲电路10、边沿检波电路11、分频电路12、微分电路13。

本实施例中，电子仿生皮肤系统，包括压力感受部分与信号编码部分。

如图1所示，压力感受部分包括支撑壳体2以及位于支撑壳体内的电感线圈1与磁场单元3，该磁场单元能够产生磁场。支撑壳体2包括一支撑面，磁场单元3连接在该支撑面下方。该支撑面为柔性支撑面。

电感线圈1包括磁芯与空心线圈，磁芯穿过空心线圈内部。磁芯为钴基非晶软磁材料。线圈是铜线绕行250匝而制成。

磁场单元3为柔性磁体，该柔性磁体材料由pdms与分布在pdms中的磁粉组成。

上述压力感受部分的制备方法包括如下步骤：

(1)制备磁场单元3

pdms呈液态，由pdms主剂与固化剂按质量比为10：1混合组成pdms混合液，将pdms混合液与磁粉按质量比为2：1混合均匀，在甩胶机上以600转/分的转速在玻璃片甩上上述的混合液，在120℃中烘干1小时后取出，然后在2特斯拉磁场中磁化，得到磁场单元3；

(2)制备支撑壳体

支撑壳体由壳体底座以及壳体上部分组成，所述的壳体上部分包括除壳体底座外的壳体其余部分，即包括柔性支撑面与壳体侧壁；

(2-1)制备壳体上部分

采用模具制备所述的壳体上部分，壳体上部分的模具结构示意图如图2所示，由上模具与下模具组成；将pdms主剂与固化剂按照质量比为10：1混合均匀后灌注在下模具中，然后将步骤(1)制得的磁场单元3放置在下模具底部中央位置，如图2中位置6所示，再扣合上模具，在120℃烘干3小时，得到集成磁场单元3的壳体上部分8。

(2-2)制备壳体底座

采用模具制备所述的壳体底座，壳体底座模具结构示意图如图3所示；将pdms主剂与固化剂按照质量比为10：1混合均匀后灌注在壳体底座模具中，然后将电感线圈置于壳体底座模具的底部中央位置，如图3所示的位置7，再扣合上步骤(2-1)制得的集成磁场单元的壳体上部分8，经70℃烘干3小时后，得到集成磁场单元与电感线圈的支撑壳体。

工作状态时，外界应力作用于压力感受部分的柔性支撑面，柔性支撑面形变，引起磁场单元3作用于电感线圈1中的磁通量变化，线圈电感随之改变，将该电感信号作为压力感受部分的输出信号。

如图4所示，信号编码部分包括lc振荡电路9、缓冲电路10、边沿检波电路11、分频电路12以及微分电路13。由压力感受部分输出的电感信号与100nf电容构成lc振荡电路，lc振荡电路连接由tlc084电压缓冲器芯片构建的缓冲电路，缓冲电路连接由100nf电容、10kω的电阻以及型号为74lc04反相器芯片构成的边沿检波电路，边沿检波电路连接由74hc390芯片构成的8000倍分频电路，分频电路连接由10nf电容与2kω的电阻构成的微分电路。

在外界应力作用下引起压力感受部分输出的电感变化，通过lc振荡电路转化为正弦电压信号的频率变化；然后通过边沿检波电路、分频电路与微分电路，将输出的正弦信号经边沿检波电路转换为方波信号，高频信号经分频电路转换为20hz左右的低频信号，得到低频方波信号，再经微分电路转换为20hz左右的低频脉冲信号。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。