[发明专利]一种用于人机交互安全的弹性仿生绒毛式电子皮肤

说明书

本发明涉及一种用于人机交互安全的弹性仿生绒毛式电子皮肤，属于仿生技术领域。该电子皮肤由下层弹性缓冲层，所述弹性缓冲层由特种合成橡胶丁基橡胶构成；中层敏感单元层，所述传感单元层上设置有若干阵列电路连接的混合材料作为填料1的传感单元，所述传感单元依靠电阻变化将压力值转换为电压信号；上层绒毛层，所述绒毛层由阵列电路连接的绒毛式传感单元构成，所述绒毛式传感单元由混合材料作为填料2的应变传感单元与阵列电路连接。本发明提高了传感器的灵敏度；采用特种合成橡胶丁基橡胶作为接触时的缓冲层，降低了发生事故时的严重性；采用柔性聚酯薄膜，提高了传感器的柔性，方便于贴合在各种复杂的机器人表面和关节处。

技术领域

本发明属于仿生技术领域，涉及一种用于人机交互安全的弹性仿生绒毛式电子皮肤。

背景技术

人类皮肤能感知触觉、痛觉、热觉等多种感觉，其中触觉的感知尤为重要。在人机交互过程中人和机器人不可避免的发生碰撞，对人的安全造成很大的威胁。因此，如何保证人和机器人的安全交互成为机器人应用和发展亟待解决的首要问题，而触觉仿生电子皮肤可以在这个问题中发挥重要作用。

将一层电子皮肤附着在机器人表面，以便模仿甚或超越人类皮肤感觉功能。电子皮肤的设计要求包括两方面，第一，电子皮肤应该具有仿生功能。在人或者其他物体在和机器人接触时，会依次有以下过程，接触-按压-挤压。如果在刚接触的时候就可以感知到，进而根据是否发生按压甚至挤压作出反应，这主要通过传感器结构来实现；第二，仿生电子皮肤不但具有感受外界环境信息的能力，还要能够在一些机器人复杂的表面和活动的关节上完全覆盖，这就要求电子皮肤必须具备一定的柔性与弹性。电子皮肤有非常多的种类和应用，而用于触觉检测的弹性仿生电子皮肤是其中最具研究性和应用潜力最大的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于人机交互安全的弹性仿生绒毛式电子皮肤。实现人机交互过程中，现有电子皮肤的柔性弹性和测量的精度不能兼顾的问题。在人机交互中，1，当机器以非常近的距离掠过物体但未直接接触时，电子皮肤应该能够像人类皮肤一样感应出。而人类皮肤主要是通过表面的绒毛来感应。2，当机器和物体或者人发生接触时，传感器应该更加灵敏和以更广的压力量程检测到接触。3，当人或者物体和机器发生更为剧烈的挤压时，传感器应该也可以做到检测。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于人机交互安全的弹性仿生绒毛式电子皮肤，包括表面下层的弹性缓冲层，中层的敏感单元层，上层的绒毛层；

所述弹性缓冲层由特种合成橡胶丁基橡胶构成；

所述敏感单元层设置有若干阵列电路以及与其连接的混合材料作为填料1的传感单元；

所述传感单元依靠电阻变化将压力值转换为电压信号；

所述绒毛层由阵列电路连接的绒毛式传感单元构成；

所述绒毛式传感单元由混合材料作为填料2的应变传感单元与阵列电路连接。

可选的，所述弹性缓冲层由特种合成橡胶丁基橡胶作为缓冲层，厚度为2mm。

可选的，所述敏感单元层上开有凹槽，电极做成叉指电极；所述混合材料作为填料1的传感单元与阵列电路贴合，并将凹槽覆盖。

可选的，所述填料1为碳纳米管、C₆₀、石墨烯微片的混合材料，其中比例为：碳纳米管不少于56％，C₆₀不少于23％，石墨烯微片不少于21％。

可选的，所述传感单元在柔性聚酯薄膜上制作，各个传感单元以行列式的形式连接，利用粘合层粘贴在柔性电路板上，通过模拟开关控制传感单元的选通。

可选的，所述绒毛式传感单元采用混合材料作为填料2的传感单元，填料2分布在绒毛外边缘；叉指电极即横向和纵向电极与绒毛传感单元两端连接，并通过模拟开关控制传感单元的选通。