一种具有触觉信息感知功能的柔性电子皮肤器件

本发明涉及触觉传感技术领域，具体地说，是一种具有触觉信息感知功能的柔性电子皮肤器件。

背景技术：

近年来，随着科技的进步，能够与人类进行交互的智能机器人技术得到了空前的发展。赋予机器人感知能力，使其能够像生命物种一样获取外部环境信息是智能机器人技术发展的关键。触觉是人体最重要的感知能力之一，人体通过皮肤与外界物体接触，感知物体的纹理、质感、温度以及滑动等信息。

与人手能够获得的大量接触反馈相比，目前的机械手很少甚至几乎不能感知到任何触觉信息。通过在机器人表面覆盖一层全柔性并带有数据处理能力的薄膜传感器，充当机器人的电子皮肤实现类似人体的触觉功能，以赋予机器人更加智能化的感知能力是目前的研究热点。覆盖于机器人表面的电子皮肤可以在其与外界互动过程中提供及时的触觉反馈，感知包括物体对机器人表面施加作用力的大小及方向，受力位置，接触物体表面的温度，物体在接触面上的滑移等信息。当机器人在非结构化环境中实行抓取任务时，精确的触觉反馈是能否成功完成抓取任务的关键。同时，机器人表面的柔性电子皮肤也能在其与人类交互时提供更可靠的安全性和舒适性。

技术实现要素：

本发明的目的在于设计一种具有触觉信息感知功能的柔性电子皮肤器件，为一种可以覆盖在机器人表面作为电子皮肤赋予其触觉感知能力的柔性器件，其集成了三维力信号检测、温度检测及滑动触觉感知功能。

本发明通过下述技术方案实现：一种具有触觉信息感知功能的柔性电子皮肤器件，包括

设置有多个平面电极的第一基板；

设置有多个平面电极的第二基板，且第一基板上平面电极的数量与第二基板上平面电极的数量比为1:3；

置于第一基板和第二基板之间的介电层，介电层为一种柔弹性介电物质；

温敏薄膜电阻，具有弹性，覆盖于第一基板上方，作为柔性电子皮肤器件与环境互动时的接触层。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述第一基板上的平面电极置于介电层和第一基板的设置面之间，所述第二基板上的平面电极置于介电层和第二基板的设置面之间。

从侧面观察柔性电子皮肤器件截面，自下至上依次为包含多个平面电极的第二基板、介电层、包含多个平面电极的第一基板及薄膜温敏电阻。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述第二基板上的任一平面电极在与第一基板上与之相对的三个平面电极部分重叠，将形成一个单元组，且单元组包含三个呈“品”字形分布的电容；当柔性电子皮肤与外界互动时，组成一个单元组(亦称三维力传感单元组)的三个电容(亦称三维力传感单元组电容)的相对变化将反映该位置处的受力大小及方向，产生信号的单元组所在位置将反映受力(接触力)施加的位置；单元组处的温敏薄膜电阻阻值将反映接触面的温度信息，对阻值变化的时域信号曲线做连续小波变换，得到电阻信号的时频曲线，通过分析时频曲线，能判断接触面物体是否发生滑动。

从上方观察柔性皮肤器件，位于上层的第一基板中的任一平面电极可以与位于下层的第二基板对应的三个平面电极部分重叠，重叠部分组成三个相同大小的电容，呈线性对称的“品”字形。

一个“品”字形重叠部分构成一个单元组，单元组中三个位于第二基板的平面电极均有部分区域超出重叠区域。

当在柔性皮肤器件顶部施加垂直于表面的法向力时，构成单元组的三个电容等比例增大。

当在柔性皮肤器件顶部施加剪切力时，构成单元组的三个电容值差异化增大或减小。

当向柔性皮肤器件施加任意方向的力时，第一基板受力位置处的平面电极相对于第二基板中对应的平面电极水平或垂直移动，通过测量第一基板、第二基板中平面电极重叠面积的变化反映剪切力的方向和大小，通过测量第一基板、第二基板中平面电极重叠区域的间距的变化反映法向力的大小。

检测到信号变化的单元组的位置即为外力施加的位置。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述温敏薄膜电阻、第一基板、介电层及第二基板皆具有可拉伸性，第一基板和第二基板的厚度皆大于温敏薄膜电阻的厚度，第一基板和第二基板的杨氏模量皆大于温敏薄膜电阻的杨氏模量；且介电层的厚度最大、杨氏模量最小，能够最大限度集中外力作用导致的形变。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述第一基板与第二基板的衬底材料为主剂与交联剂5:1质量比混合固化生成的pdms薄膜，优选的，第一基板与第二基板的衬底材料采用主剂与交联剂以5:1-10:1(优选的采用5：1)质量比配置并旋涂固化后的pdms薄膜；所述平面电极由银纳米线与石墨烯混合材料采用模板喷涂法制备；所述介电层为主剂与交联剂以20:1质量比混合固化生成的pdms薄膜，优选的，介电层采用主剂与交联剂以15:1-20:1(优选的采用20：1)质量比配置并通过模具注塑法制备的pdms薄膜；所述温敏薄膜电阻由pedot:pss(ph1000)与石墨烯粉末混合制备生成，优选的，温敏薄膜电阻由pedot:pss(ph1000)与石墨烯粉末组成的混合前驱体采用喷涂法制备生成。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述介电层内部具有多孔结构，且多孔结构的形成具体为：在制备介电层时，填充纳米级到微米级的可溶性颗粒(如食盐、食糖等)，并在固化成膜后放入相应溶剂中去除填充的可溶性颗粒，即成，形成的多孔结构可以用于引入空气。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述温敏薄膜电阻在(均匀)压力作用下电阻值无明显变化，在拉力作用下阻值(显著)增大。

作为电子皮肤接触面的温敏薄膜电阻的阻值随温度的增加而减小。

当温敏薄膜电阻置于空气中时，其温度与环境温度一致，测量其电阻值可以反映环境温度。当温敏薄膜电阻与外界物体接触时，在热对流作用下，其温度将逐渐与物体表面温度一致，通过测量其电阻值变化可以反映出接触物体的温度。

对温敏薄膜电阻的阻值变化曲线做连续小波变换，根据变换结果能够得到电阻信号的时频曲线。所述温敏薄膜电阻满足当接触面物体静态放置于温敏薄膜电阻表面时，即物体对接触面的剪切力与静摩擦力相等时，电阻信号的时频曲线无高频信号。

当物体在电子皮肤接触面发生滑动前，物体对接触面作用力的切向分量逐渐大于物体与接触面的最大静摩擦力，滑动发生瞬间，表面摩擦力数值跳变，温敏薄膜电阻时域信号曲线经连续小波变换后的时频曲线出现明显的高频信号。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：可以采用模板转印法在第一基板与第二基板表面生成凸起状微结构，以增加其在微弱力作用下的灵敏度。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述模板转印法所采用的模板为光刻硅模板、磨砂玻璃或丝织物。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明当与外界物体接触时，电子皮肤可以实时检测接触力的大小与方向，受力位置及物体表面的温度，并且当物体在电子皮肤表面发生滑动时，及时生成滑移信号反馈。其中接触力的大小与方向及受力位置通过一单元组内呈阵列(品字形)排布的电容实现，温度与滑移信号由一层基于柔性可拉伸温敏薄膜电阻产生，温敏薄膜电阻在无外力作用或静态力作用下的时域信号可以反映温度变化，对时域信号做连续小波变换得到时频曲线，其频率分量可以反应电子皮肤表面的接触物体是否发生滑移。。

本发明结合第一基板的平面电极与对应的第二基板的平面电极重叠部分组成的电容信号，顶层温敏薄膜电阻的时域信号与频域信号，设计了一种可以同时感知接触外界物体时三维力的大小与方向，受力位置，接触面温度，以及物体在接触面滑移信息的柔性电子皮肤器件。与现有同类发明相比，本发明在触觉感知功能上更为全面，并且制备方法简单，成本低，制备过程无污染，在机器触觉领域有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构分解示意图。

图2为本发明的俯视平面图。

图3为本发明的截面示意图。

图4示出当沿x轴正方向的切向力施加于电子皮肤接触面时，三维力传感单元组电容的变化。

图5示出当沿y轴正方向的切向力施加于电子皮肤接触面时，三维力传感单元组电容的变化。

其中，1-温敏薄膜电阻、2-第一基板、3-介电层、4-第二基板、5-平面电极。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

值得注意的是：在本申请中，某些需要应用到本领域的公知技术或常规技术手段时，申请人可能存在没有在文中具体的阐述该公知技术或/和常规技术手段是一种什么样的技术手段，但不能以文中没有具体公布该技术手段，而认为本申请不符合专利法第二十六条第三款的情况。

名词解释：

pdms：聚二甲基硅氧烷。

pedot:pss(ph1000)：聚3，4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐(ph1000型)。

实施例1：

一种具有触觉信息感知功能的柔性电子皮肤器件，为一种可以覆盖在机器人表面作为电子皮肤赋予其触觉感知能力的柔性器件，其集成了三维力信号检测、温度检测及滑动触觉感知功能，如图1～图4所示，特别采用下述设置方式：包括

设置有多个平面电极5的第一基板2；

设置有多个平面电极5的第二基板4，且第一基板2上平面电极5的数量与第二基板4上平面电极5的数量比为1：3；

置于第一基板2和第二基板4之间的介电层3，介电层为一种柔弹性介电物质；

温敏薄膜电阻1，具有弹性，覆盖于第一基板2上方，作为柔性电子皮肤器件与环境互动时的接触层。

在设置时，第一基板2上的平面电极5置于介电层3和第一基板2的设置面之间，第二基板4上的平面电极5置于介电层3和第二基板4的设置面之间。

从侧面观察柔性电子皮肤器件截面，自下至上依次为包含多个平面电极的第二基板、介电层、包含多个平面电极的第一基板及薄膜温敏电阻。

实施例2：

本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，如图1～图4所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述第二基板4上的任一平面电极5在与第一基板2上与之相对的三个平面电极5部分重叠，将形成一个单元组，且单元组包含三个呈“品”字形分布的电容；当柔性电子皮肤与外界互动时，组成一个单元组(亦称三维力传感单元组)的三个电容(亦称三维力传感单元组电容)的相对变化将反映该位置处的受力大小及方向，产生信号的单元组所在位置将反映受力(接触力)施加的位置；单元组处的温敏薄膜电阻1阻值将反映接触面的温度信息，对阻值变化的时域信号曲线做连续小波变换，得到电阻信号的时频曲线，通过分析时频曲线，能判断接触面物体是否发生滑动。

从上方观察柔性皮肤器件，位于上层的第一基板2中的任一平面电极5可以与位于下层的第二基板4对应的三个平面电极5部分重叠，重叠部分组成三个相同大小的电容，呈线性对称的“品”字形。

一个“品”字形重叠部分构成一个单元组，单元组中三个位于第二基板4的平面电极5均有部分区域超出重叠区域。

当在柔性皮肤器件顶部施加垂直于表面的法向力时，构成单元组的三个电容等比例增大。

当在柔性皮肤器件顶部施加剪切力时，构成单元组的三个电容值差异化增大或减小。

当向柔性皮肤器件施加任意方向的力时，第一基板2受力位置处的平面电极5相对于第二基板4中对应的平面电极5水平或垂直移动，通过测量第一基板2、第二基板4中平面电极5重叠面积的变化反映剪切力的方向和大小，通过测量第一基板2、第二基板4中平面电极5重叠区域的间距的变化反映法向力的大小。

检测到信号变化的单元组的位置即为外力施加的位置。

实施例3：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，如图1～图4所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述温敏薄膜电阻1、第一基板2、介电层3及第二基板4皆具有可拉伸性，第一基板2和第二基板4的厚度皆大于温敏薄膜电阻1的厚度，第一基板2和第二基板4的杨氏模量皆大于温敏薄膜电阻1的杨氏模量；且温敏薄膜电阻1、第一基板2、介电层3、第二基板4中，介电层3的厚度最大、杨氏模量最小，能够最大限度集中外力作用导致的形变。

实施例4：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，如图1～图4所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述第一基板2与第二基板4的衬底材料为主剂与交联剂5:1质量比混合固化生成的pdms薄膜，优选的，第一基板2与第二基板4的衬底材料采用主剂与交联剂以5:1-10:1(优选的采用5：1)质量比配置并旋涂固化后的pdms薄膜；所述平面电极5由银纳米线与石墨烯混合材料采用模板喷涂法制备；所述介电层3为主剂与交联剂以15:1-20:1质量比混合固化生成的pdms薄膜，优选的，介电层3采用主剂与交联剂以20:1质量比配置并通过模具注塑法制备的pdms薄膜；所述温敏薄膜电阻1由pedot:pss(ph1000)与石墨烯粉末混合制备生成，优选的，温敏薄膜电阻1由pedot:pss(ph1000)与石墨烯粉末组成的混合前驱体采用喷涂法制备生成。

优选的，介电层3内部还具有多孔结构，且多孔结构的形成具体为：在制备介电层3时，填充纳米级到微米级的可溶性颗粒(如食盐、食糖、聚苯乙烯微球等)，并在固化成膜后放入相应溶剂中去除填充的可溶性颗粒，即成，形成的多孔结构可以用于引入空气，增强电子皮肤器件的力传感性能。

实施例5：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，如图1～图4所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述温敏薄膜电阻1在(均匀)压力作用下电阻值无明显变化，在拉力作用下阻值(显著)增大。

在应用时，当电子皮肤在外力作用下工作时，温度与外力作用同时对温敏薄膜电阻1的电阻值产生影响，因此须根据“品”字形单元组产生的电容信号对温敏薄膜电阻1的电阻信号做应变补偿，获得更准确的温度信息。

作为电子皮肤接触面的温敏薄膜电阻的阻值随温度的增加而减小。

当温敏薄膜电阻1置于空气中时，其温度与环境温度一致，测量其电阻值可以反映环境温度。当温敏薄膜电阻1与外界物体接触时，在热对流作用下，其温度将逐渐与物体表面温度一致，通过测量其电阻值变化可以反映出接触物体的温度。

对温敏薄膜电阻1的阻值变化曲线(即时域信号)做连续小波变换(cwt)，根据变换结果能够得到电阻信号的时频曲线。所述温敏薄膜电阻1满足当接触面物体静态放置于温敏薄膜电阻表面时，即物体对接触面的剪切力与静摩擦力相等时，电阻信号的时频曲线无高频信号。

当物体在电子皮肤接触面发生滑动前，物体对接触面作用力的切向分量逐渐大于物体与接触面的最大静摩擦力，滑动发生瞬间，表面摩擦力数值跳变，温敏薄膜电阻1时域信号曲线经连续小波变换(cwt)后的时频曲线出现明显的高频信号。

实施例6：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，如图1～图4所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：可以采用模板转印法在第一基板与第二基板表面生成凸起状微结构，以增加其在微弱力作用下的灵敏度。

所述模板转印法所采用的模板为光刻硅模板、磨砂玻璃或丝织物。

实施例7：

一种具有触觉信息感知功能的柔性电子皮肤器件，参照图1至图3中示出的器件结构图、平面图以及截面图可以看出，本实施例中的柔性电子皮肤器件由包含27个平面电极5的第二基板4，包含9个平面电极5的第一基板2，设置在第一基板2与第二基板4中间的介电物质(介电层3)，设置在第一基板2上方的温敏薄膜电阻1构成。第一基板中任一平面电极5可以与第二基板4中对应的三个平面电极5形成一个“品”字形三维力传感单元组。温敏薄膜电阻1作为柔性电子皮肤与外界的接触层，感知温度信息，并判断柔性电子皮肤器件表面接触物体是否在表面发生了滑移。

柔性电子皮肤器件制备流程如下：

步骤1：配置主剂与交联剂质量比为5:1与20:1的pdms前驱体各一份。

步骤2：将两种前驱体分别制成薄膜并在80℃条件下固化2h，配置比为5:1的前驱体采用旋涂法制备，成膜较薄，作为第一基板和第二基板的衬底；配置比为20:1前驱体采用注塑法制备，成膜较厚，作为介电层3；

步骤3：将银纳米线与石墨烯的混合分散液采用模板喷涂法沉积在第一基板2与第二基板4上作为平面电极5；

步骤4：将沉积平面电极5后的第一基板2、第二基板4与介电层3在显微镜下对齐，并通过压印贴合；

步骤5：将pedot:pss(ph1000)与石墨烯(粉末)以10：1质量比混和并充分搅拌获得均匀的分散液，用喷涂法将其沉积在第一基板2上方；

步骤6：将步骤5得到的样品在160℃条件下退火2小时，得到完整的电柔性子皮肤器件。

假定三维力传感单元组的三个三维力传感单元组的初始电容值分别为c1，c2，c3，在任意静态外力作用下，三个电容值的相对初始值的变化率分别为δc1，δc2，δc3。用ε0表示真空介电常数，εr表示介电物质的相对介电常数，s表示电容极板重叠面积，d表示极板间距，电容计算公式为：

当某一单元组受到垂直于电子皮肤表面的力作用时，组成单元组三个电容s不变，d减小，因此单元组的三个电容值等比例增大，此时有δc1＝δc2＝δc3，此时z方向；当沿x轴正方向的剪切力施加到电子皮肤的接触面时，如图4所示，此时c1不变，c2减小，c3增大，有δc1＝0，δc2＝-δc3；当沿y轴正方向的力作用于电子皮肤表面时，如图5所示，此时c1增大，c2，c3减小，有δc1＝-δc2＝-δc3；当任意方向的静态力f(fx，fy，fz)施加于电子皮肤表面时，c1，c2，c3的值分别变化为c1’，c2’，c3’，此时可以推知，三维力传感的灵敏度(δfx，δfy，δfz)可以分别表示为：

因此，通过由第一基板2、第二基板4与介电层3组成的电容阵列，可以用于感知三维力信息。

当物体静置于电子皮肤表面时，接触面的温敏薄膜电阻1输出随表面温度变化而变化的电阻信号。当物体对电子皮肤接触面施加的剪切力增大，逐渐大于最大静摩擦力，或法向压力减小，使得接触面的最大静摩擦力逐渐小于物体在电子皮肤接触面施加的剪切力时，物体将在电子皮肤表面发生滑动。在物体由静态转向滑动态的瞬间，由于表面剪切力信号的突变，温敏薄膜电阻1材料内部将发生高频振动，其输出的信号将随之产生高频振动。对电阻信号做连续小波变换，采样频率可以为10khz，得到电阻信号的时频信息(时频曲线)。在滑动发生前的一瞬间可以观察到显著高于静态力作用下的高频信号。由于应变会影响温敏薄膜电阻1的阻值，因此，在分析数据时，须根据温敏薄膜电阻1在不同外力作用下的响应特性对温敏电阻信号做应变补偿。因此，将(弹性)薄膜温敏电阻1作为电子皮肤的接触面，其时域信号与时频信号可以分别用于检测接触面的温度信息以及物体在电子皮肤表面的滑移信息。

通过上述实施例，在与外界互动过程中实现触觉感知功能的柔性电子皮肤不仅可以应用于工业智能制造，也可应用于医疗服务，如智能手术，病理诊断等。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均在本发明的保护范围之内。