面向智能感知的电子皮肤系统的设计及其关键特性研究

作     者：魏潇 

作者单位：济南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：岳文静;李阳

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：电子皮肤 关键特性 智能感知 

摘      要：电子皮肤(e-skin)是一种能够模拟人体皮肤感知外界刺激的电子设备,被认为是机器人、可穿戴健康监测和人机交互应用的关键技术。虽然电子皮肤吸引了越来越多的研究者的注意,但是,大多数研究只关注单一类别的静态或动态信号的检测,这远远达不到实际应用的要求。为了将电子皮肤从理论上推向实际应用,模仿人类触觉感知功能以实现智能感知是必不可少的。到目前为止,研究人员感兴趣的研究点大多数在于器件性能方面,尤其是在实现高灵敏度方面,因为高灵敏度是对微弱信号检测的关键。然而,这些器件的高灵敏度可能难以在实际应用中复制,并且缺乏灵敏度预测的理论指导或通用参考模型。此外,用于制备高性能传感器的光刻或纳米压印等制造技术复杂且成本高昂,而且大多数制备工艺和最终器件都不具环保性。为了解决上述挑战,本文展示了一种基于压阻式压力传感器(PPS)和摩擦电纳米发电机(TENG)集成的新型混合式电子皮肤(简称PTES),主要将其用于解码静态和动态触觉信息。主要研究内容如下:(1)为了克服上述制备过程中存在的工艺复杂等问题,本文利用环境友好的天然鸡蛋膜,通过一种简单且经济的浸润方法实现压阻式压力传感器功能层的制备。为了建立一种压阻式压力传感器通用的高灵敏度设计方法,创新性地提出将传统的压阻式传感器与薄膜电阻并联,以增加额外的导电路径,从而获得初始电阻稳定、最大灵敏度为291699.6 k Pa的新型压阻式压力传感器。此外,得益于这种结构设计,首次建立了一个灵敏度预测模型,可以通过简单地改变初始电阻值来实现灵敏度的线性调节。并且这一模型还可用于传感器灵敏度的定制,实现具有不同灵敏度的压阻式压力传感器,以满足不同应用条件下的灵敏度需求。(2)本文利用鸡蛋膜浸润导电填料制备接触起电层的方法,实现了一种单电极模式的摩擦电纳米发电机,其能够感应动态压力刺激并且还具有自供电的性能。设计的摩擦电纳米发电机能够感应不同频率的压力,并且具有250 k Pa的宽的压力感应范围。对于器件的自供电性能,最大输出的功率密度可达到58 m W/m,具有驱动小型电子设备正常工作的潜能。(3)为了实现静态压力和动态压力的同时检测,本文设计了一种由压阻式压力传感器和摩擦电纳米发电机组成的混合式电子皮肤。该混合式电子皮肤可以应用于鼠标信号响应、台灯开关信号响应、机械手抓取监测、人体走路状态监测、压力宽范围响应等方面,为实际应用提供了可能。(4)为了提高所开发的高性能混合式电子皮肤的实用性,本文引入了基于现场可编程门阵列(FPGA)的信号采集硬件电路和基于多层感知器(MLP)神经网络的机器学习技术,并将其与混合式电子皮肤结合,构建了一个用于材料感知的智能感知系统。结果表明,该系统能够通过一次触摸实现对12种形态模糊、表面光滑材料的实时识别,感知准确率为98.9%。最后,又开发了一个3×4的混合式电子皮肤阵列,以证明其在同时感知多个物体的材料特性和位置方面的应用潜力,并且成功地展示了混合式电子皮肤阵列同时处理多种信息的能力。研究表明,所提出的电子皮肤的制备方法、灵敏度可调建模方法和智能材料感知系统为实现具有良好感知能力的智能机器人铺平了道路,并可应用于柔性电子、人工智能、人体假肢、以及人机交互等领域。