[发明专利]触觉/滑觉传感器及其制备方法、电子设备、盲文识别设备、机器人

说明书

本发明公开了一种电容式触觉/滑觉传感器，其包括相对设置的两个电极层，以及位于两个电极层之间的介电层，其中至少一个电极层上对应于介电层的一侧设置有微纳结构，且介电层与该具有微纳结构的电极层共形一体化形成介电层‑电极共形一体结构，从而提高了期间的集成度和稳定性，并且由于电极层上采用具有微纳结构的石墨烯纳米墙，从而提高了传感器的灵敏度和量程。相应地，本发明还提供了该电容式触觉/滑觉传感器的制备方法，以及具有该电容式触觉/滑觉传感器的电子设备、盲文识别设备和机器人。

技术领域

本发明涉及传感技术，具有涉及一种基于石墨烯纳米墙的电容式触觉/滑觉传感器及其制备方法，以及具有该电容式触觉/滑觉传感器的电子设备、盲文识别设备和机器人。

背景技术

人体皮肤上分布着一系列的感知单元，能够感知外界的温度，外界复杂的形状和质地，还能感知不同程度的压力，这是因为皮肤上广泛分布着触觉受体以及复杂的内部神经结构，并且由这些感知受体将所感知的外界信息转化为神经电流信号传输给大脑，再由复杂的神经系统分析出接触物体的信息。随着机器人技术的不断发展，人们也想让机器人拥有与人类皮肤相同功能的电子皮肤，人类皮肤感知力与温度都是一个感性的值，而机器人拥有的电子皮肤则能将人类触摸到的温度、压力、质感反馈成一系列定量的数据。

机器人触觉传感技术的研究目标就是模拟人的触觉，进行仿生学硏究探测物体的外观形貌，尺寸大小、表面粗糙度。感知技术是机器人一系列功能的前提和基础，触觉技术的发展很大程度上决定了机器人技术的发展。视觉和触觉是机器人技术的两个重要的研究方向。在视觉传感领域，由于视觉图像的实时性和复杂性，以及后期大量复杂的信号处理，机器人的视觉还完全达不到人类的视觉水平，所以触觉传感器是机器人除了视觉以外的另一大信息来源。装备有触觉传感器的智能机器人可以获得丰富的外界环境信息，如材料硬度、法向力、切向力、滑移、温度等物理量，并对以上信息进行整合，就可以在机器人处理器中还原出操作对象的体积形状和刚度特性，从而可以对操作对象完成简单的分类或者更加复杂的模式识别。触觉传感器可以模仿人类的皮肤实现数据的采集和转换，所以大量应用在医疗健康、工农业生产、社会服务等多个领域，不仅可以替代人类在一些危险的环境中作业，还能够帮助一些人士重新拥有感知世界的能力。

80年代是机器人触觉传感技术研究、发展的快速增长期，在次期间涌现出了各式各样的触觉传感器，给后来的触觉传感器的发展奠定了坚实的基础。但是触觉传感器目前为止都没有实现广泛的商业应用，说明触觉传感器在现阶段还不成熟，还有大量的难题需要去克服，比如器件的灵敏度，器件的稳定性与实际应用要求还存在一定差距。因此，对触觉传感器的系列研究显得尤为重要。近年来触觉传感器得到了广泛地关注，许许多多的运用新结构与新材料的触觉传感器相继问世，其中石墨烯材料的引入使传感器的设计与制作进入了一个新的阶段。2010年的诺贝尔物理学奖将一种名为石墨烯的材料带入了人们的视线，2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授通过一种很简单的方法从石墨薄片中剥离出了石墨烯，为此他们二人也荣获2010年诺贝尔物理学奖。单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，即0.335纳米，相当于一根头发的20万分之一的厚度，1毫米厚的石墨中将将近有150万层左右的石墨烯。石墨烯是已知的最薄的一种材料，并且具有极高的比表面积、超强的导电性和强度等优点。石墨烯材料被广泛应用于各种领域，在力学传感领域，二维或三维石墨烯材料有着性能稳定，灵敏度高等优势，能够对现有的触觉传感器性能带来一个显著的提高。

柔性触滑觉复合传感器是机器手或微创手术器械获取夹持状态信息不可或缺的手段。根据传感器反馈的信号，可计算出夹持装置与被夹持物之间正压力、摩擦力、相对运动状态等物理量，以实现对被夹持物稳定地夹取。目前大多数触觉传感器只能检测正向接触力，不具有滑觉感知功能。

因此，研究出高灵敏度和大量程的柔性矢量触滑觉复合传感器，使其能便捷、紧密黏贴在机器手表面或微创手术夹钳表面上，同时可检测出接触压力、摩擦力、滑移状态等力学信息，可提升器械智能化，提高微创手术的安全性与实用性。

发明内容