一种柔性自愈合多模态传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种柔性自愈合多模态传感器及其制备方法，包括安装于机械手背面关节处的柔性自愈合压阻层与安装于机械手指尖内侧位置的柔性自愈合压电层，所述柔性自愈合压阻层包括H

【技术实现步骤摘要】
一种柔性自愈合多模态传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及柔性传感领域，具体涉及一种柔性自愈合多模态传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着人机交互技术、智能硬件、智能机器人的重大发展，触觉传感器研究也受到了广发关注，柔性触觉传感器也在这样的背景下运用到了数字信号处理、传感器信息融合与机器人等各方面。柔性触觉传感器常用的方法是将触觉信息转换为电信号，按照不同的工作方式分类，主要分为压阻式、电容式、压电式等几种类型。柔性触觉传感器具有体积小，灵敏度高，环境适应能力强等特点，弥补了视觉传感器、光电传感器等在恶劣的环境下工作效率低的问题。在机器人技术日益成熟发展的背景下，机器人能否拥有如人类一般的触觉感知能力已经成为机器人智能化的评判标准之一。
[0003]压阻传感器是能够感受压力信号，并且将压力信号转换为可用于进行处理的电信号的传感器。而压电传感器是能将接触信号转换为可供处理的电信号的传感器。
[0004]通常情况下，压阻传感器被认为能够有效地检测静态力，但对动态力检测的灵敏度较低。与压阻传感器特性相反，压电传感器对动态力能够起到较好的检测效果，但是无法检测到静态信号。对于物体的检测而言，其实是一个动静结合的过程，需要有静态数据也需要有动态数据，所以仅凭单一的传感器采集的数据很难实现对物体的准确检测。且常见的刚性传感器在使用过程中容易出现不同程度的磕碰损坏，随着使用时间的推移，传感器的精度也将下降，据此，本专利技术提出一种能够自愈合的多模态传感器以解决上述问题。
专利技术内容
[0005]为了克服上述现有技术中的缺陷，本专利技术提供了一种柔性自愈合多模态传感器及其制备方法，分别制备自愈合柔性压阻层以及自愈合柔性压电层，将二者组合使传感器能够同时检测到静态信号以及动态信号，且具有自愈合能力，延长传感器使用寿命。
[0006]技术方案
[0007]一种柔性自愈合多模态传感器，包括安装于机械手背面关节处的柔性自愈合压阻层与安装于机械手指尖内侧位置的柔性自愈合压电层，所述柔性自愈合压阻层包括H
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PDMS底层，所述H
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PDMS底层的上侧设置有液态金属电极层，所述液态金属电极层的两个开口端连接有导电铜箔，所述液态金属电极层与所述H
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PDMS底层的上侧覆盖有H
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PDMS封装层，所述H
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PDMS封装层与所述H
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PDMS底层,发生自愈合形成封装，所述柔性自愈合压电层包括掺杂PZT颗粒的H
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PDMS的压电薄膜层，所述压电薄膜层的上下两侧表面设置有金电极层。
[0008]进一步的，所述液态金属电极层通过将液态金属制备成液态金属油墨并涂抹在H
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PDMS底层而制成。
[0009]一种柔性自愈合多模态传感器的制备方法，包括如下步骤：
[0010]1)称量10g的PDMS
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NH2和0.7g的Et3N加入100ml的乙酸乙酯中，在冰水浴中充分混
合1h后加入0.21g的4,4
’‑
methylenebis(cyclohexyl isocyanate)和0.27g的isophorone diisocyanate，在氮气氛围的冰水浴中充分混合1h后，恢复至室温，并继续反应四天，反应结束后，得到H
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PDMS溶液，将溶液倒入PTEF模具中固化成型，制备出固化后的H
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PDMS薄膜；
[0011]2)在50ml所述H
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PDMS溶液中加入5g液态金属，用细胞粉碎机在500W的功率下粉碎30min，再经过离心，取下方沉淀物得到液态金属油墨；
[0012]3)将步骤一制得的所述固化后的H
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PDMS薄膜切割成两片尺寸为1cm*2.5cm*0.5mm的薄片制成H
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PDMS底层与H
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PDMS封装层，在H
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PDMS底层上方放置一层U型PI薄膜模具，根据U型PI薄膜模具的形状用棉签涂上液态金属油墨，然后揭去U型PI薄膜模具，在液态金属电极层的两端贴上导电铜箔后再用H
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PDMS封装层覆盖，在室温下静置24h后，H
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PDMS底层与H
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PDMS封装层发生自愈合形成封装，制备出柔性自愈合压阻层；
[0013]4)将3g改性后的PZT
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5H加入步骤一中的所述H
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PDMS溶液中充分搅拌混合，然后将混合后的溶液倒入PTEF模具中固化成型，固化完成后得到掺杂PZT颗粒的H
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PDMS压电薄膜层；
[0014]5)将掺杂PZT颗粒的H
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PDMS压电薄膜层放入4kV/mm的高压电场下极化，极化完成后再经磁控溅射仪在掺杂PZT颗粒的H
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PDMS压电薄膜层上下两个表面镀上金电极层，制备出柔性自愈合压电层。
[0015]进一步的，佩戴在机械手背面关节处的所述柔性自愈合压阻层在机械手做抓握动作时被拉伸，拉伸程度随关节弯曲角度的增大而增大，阻值也随之增大，不同拉伸程度能够反映物体的大小，佩戴在机械手的指尖内侧的所述柔性自愈合压电层在机械手做抓握动作时被压缩，根据抓握物体表面形貌的不同，指尖与物体间的接触力也不同，所述柔性自愈合压电层的输出电压也会不同，不同的电压能够反映物体表面形貌。
[0016]进一步的，将所述柔性自愈合压阻层的电阻变化信号与所述柔性自愈合压电层的输出电压变化信号结合分析，将两组信号通过CMYK颜色表示法表示后相加，得到传感器物体检测信号色块图，将所述传感器物体检测信号色块图与传感器物体检测信号色块参考标准图对比，进而反映所检测物体的尺寸以及表面形貌特征。
[0017]进一步的，表面粗糙度越大的物体位于所述传感器物体检测信号色块参考标准图的上方，尺寸越小的物体位于所述传感器物体检测信号色块参考标准图的右侧，所述传感器物体检测信号色块图与所述传感器物体检测信号色块参考标准图进行比对，不仅能区分不同尺寸的物体，也能区分不同表面形貌的物体。
[0018]有益效果
[0019]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
[0020]1.将柔性自愈合压阻层与柔性自愈合压电层组合在一起，实现传感器对两种不同电信号的采集；
[0021]2.制备出具有自愈合特性的H
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PDMS作为传感器材料的基底，在使传感器具有柔韧性、延展性的同时还具有类似人体皮肤的自愈合能力；
[0022]3.制备出液态金属油墨后将其涂抹在H
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PDMS基底上作为电极层，减少了压阻层的厚度，使传感器具有轻薄性；
[0023]4.制备掺杂PZT颗粒的H
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PDMS压电薄膜层时，需要经过高压电场的极化，经过高压电场极化后，压电薄膜层内PZT颗粒的偶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性自愈合多模态传感器，其特征在于：包括安装于机械手背面关节处的柔性自愈合压阻层(1)与安装于机械手指尖内侧位置的柔性自愈合压电层(2)，所述柔性自愈合压阻层(1)包括H
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PDMS底层(3)，所述H
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PDMS底层(3)的上侧设置有液态金属电极层(4)，所述液态金属电极层(4)的两个开口端连接有导电铜箔(5)，所述液态金属电极层(4)与所述H
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PDMS底层(3)的上侧覆盖有H
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PDMS封装层(6)，所述H
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PDMS封装层(6)与所述H
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PDMS底层(3)发生自愈合形成封装，所述柔性自愈合压电层(2)包括掺杂PZT颗粒的H
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PDMS的压电薄膜层(8)，所述压电薄膜层(8)的上下两侧表面设置有金电极层(7)。2.根据权利要求1所述的一种柔性自愈合多模态传感器，其特征在于：所述液态金属电极层(4)通过将液态金属制备成液态金属油墨并涂抹在H
‑
PDMS底层(3)而制成。3.一种柔性自愈合多模态传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
①
称量10g的PDMS
‑
NH2和0.7g的Et3N加入100ml的乙酸乙酯中，在冰水浴中充分混合1h后加入0.21g的4,4
’‑
methylenebis(cyclohexyl isocyanate)和0.27g的isophorone diisocyanate，在氮气氛围的冰水浴中充分混合1h后，恢复至室温，并继续反应四天，反应结束后，得到H
‑
PDMS溶液，将溶液倒入PTEF模具中固化成型，制备出固化后的H
‑
PDMS薄膜；
②
在50ml所述H
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PDMS溶液中加入5g液态金属，用细胞粉碎机在500W的功率下粉碎30min，再经过离心，取下方沉淀物得到液态金属油墨；
③
将步骤一制得的所述固化后的H
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PDMS薄膜切割成两片尺寸为1cm*2.5cm*0.5mm的薄片制成H
‑
PDMS底层与H
‑
PDMS封装层，在H
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【专利技术属性】
技术研发人员：刘爱萍，吴化平，程琳，季善鹏，罗轩梓，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：