基于柔性材料和热敏电阻材料的人工皮肤及其检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于柔性材料和热敏电阻材料的人工皮肤，它包括信号采集部分和电路部分，信号采集部分包括器件保护层以及设置于器件保护层下面的复合信号采集层，电路部分包括前端电路和后端电路，后端电路可采用第一后端电路或第二后端电路。本发明专利技术还公开了利用上述人工皮肤检测压力和温度的方法。本发明专利技术结构简单、易于小型化和集成化，测试方法简洁、严谨。本发明专利技术适用于制作人工智能皮肤。

Artificial skin based on flexible material and thermistor material and its detection method

The invention discloses a flexible material and thermistor materials based on artificial skin, which comprises a signal acquisition part and circuit part, signal acquisition part comprises a protection layer and device arranged on the device protection layer below the composite signal collection layer, the circuit part comprises a front-end circuit and circuit, circuit can adopt the first circuit or the second circuit. The invention also discloses a method for detecting pressure and temperature by using the artificial skin. The invention is simple in structure, easy to be miniaturized and integrated, and the test method is concise and rigorous. The invention is suitable for making artificial intelligent skin.

【技术实现步骤摘要】
基于柔性材料和热敏电阻材料的人工皮肤及其检测方法
本专利技术属于医疗器械、人工智能、教学设备
,用于制作人工智能皮肤，具体地说是一种基于柔性材料和热敏电阻材料的人工皮肤及其检测方法。
技术介绍
皮肤是人类最为重要的感知器官之一，随着机器人技术和电子医疗技术的高速发展，人工智能皮肤受到广泛的关注。人工智能皮肤是用功能型材料来模仿人体皮肤的产品。现有的人工智能皮肤大都采用传感器等电路结构采集信号，结构复杂，不利于小型化和集成化，不易扩展到大面积，并且检测灵敏度低。此外，现有的人工皮肤不具备智能检测功能。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种基于柔性材料和热敏电阻材料的人工皮肤，以期能够解决现有技术所存在的上述问题。本专利技术的另外一个目的是提供利用上述人工皮肤检测压力和温度的方法。本专利技术为实现上述目的，所采用的技术方案如下：一种基于柔性材料和热敏电阻材料的人工皮肤，它包括信号采集部分和电路部分；一）信号采集部分所述信号采集部分包括器件保护层以及设置于器件保护层下面的复合信号采集层；所述复合信号采集层采用第一复合信号采集层或者第二复合信号采集层；其中，①第一复合信号采集层所述第一复合信号采集层由自上而下依次设置的第一电极层、热敏电阻材料层、第二电极层、柔性材料层和第三电极层组成；所述第一电极层、热敏电阻材料层和第二电极层一起组成温度检测层；所述第二电极层、柔性材料层和第三电极层一起组成压力检测层；②第二复合信号采集层所述第二复合信号采集层由自上而下依次设置的第三电极层、柔性材料层、第二电极层、热敏电阻材料层和第一电极层组成；所述第三电极层、柔性材料层和第二电极层一起组成压力检测层；所述第二电极层、热敏电阻材料层和第一电极层一起组成温度检测层；二）电路部分所述电路部分包括前端电路和后端电路；所述前端电路包括第一控制器、第二控制器，所述第一控制器的控制信号输出端与第一电极层、第二电极层的信号输入端相连，所述第二控制器的控制信号输出端与第三电极层、第二电极层的信号输入端相连；所述后端电路采用第一后端电路或第二后端电路之一，其中，A.第一后端电路所述第一后端电路包括依次串接的滤波单元、第一模数转换单元、第一中央处理器，所述滤波单元包括并联的低通滤波器和高通滤波器，第一模数转换单元包括第一模数转换器和第二模数转换器；所述温度检测层和压力检测层的信号输出端均与滤波单元的信号输入端相连，所述低通滤波器的信号输出端通过第一模数转换器连接第一中央处理器，高通滤波器的信号输出端通过第二模数转换器连接第一中央处理器；B.第二后端电路所述第二后端电路包括依次串接的第二模数转换单元和第二中央处理器；所述温度检测层和压力检测层的信号输出端均与第二模数转换单元的信号输入端相连。作为限定：所述第一电极层包括N1（N1≥1）个小电极，第三电极层包括N2（N2≥1）个小电极；所述前端电路还包括第一多路调制器和第二多路调制器；所述第一控制器的控制信号输出端通过第一多路调制器分别与第一电极层的N1个小电极、第二电极层的信号输入端相连；第二控制器的控制信号输出端通过第二多路调制器分别与第三电极层的N2个小电极、第二电极层的信号输入端相连；所述第一后端电路还包括第一多路解调器；所述温度检测层和压力检测层的信号输出端均通过第一多路解调器与滤波单元的信号输入端相连；所述第二后端电路还包括第二多路解调器；所述温度检测层和压力检测层的信号输出端均通过第二多路解调器与第二模数转换单元的信号输入端相连。作为第二种限定：所述第一后端电路还包括第三控制器和第一激励电极层；所述第一中央处理器的信号输出端与第三控制器的信号输入端相连，第三控制器的控制信号输出端与第一激励电极层的信号输入端相连；所述第二后端电路还包括第四控制器和第二激励电极层；所述第二中央处理器的信号输出端与第四控制器的信号输入端相连，第四控制器的控制信号输出端与第二激励电极层的信号输入端相连。作为进一步限定：所述第一后端电路还包括第三多路调制器；所述第一激励电极层包括N3个小激励电极层单元,所述N3≥1，且N3取N1、N2两者的最大值；所述第三多路调制器的信号输入端与第三控制器的控制信号输出端相连，第三多路调制器的信号输出端分别与N3个小激励电极层单元的信号输入端相连；所述第二后端电路还包括第四多路调制器；所述第二激励电极层包括N4个小激励电极层单元，所述N4≥1，且N4取N1、N2两者的最大值；所述第四多路调制器的信号输入端与第四控制器的控制信号输出端相连，第四多路调制器的信号输出端分别与第N4个小激励电极层单元的信号输入端相连。一种检测压力和温度的方法，它利用上述基于柔性材料和热敏电阻材料的人工皮肤来实现，该方法为方法一或方法二，当后端电路采用第一后端电路时该方法为方法一，当后端电路采用第二后端电路时该方法为方法二，其中，I、方法一方法一包括依次进行的以下步骤：一、通过第一控制器在第一电极层和第二电极层上施加一直流电压/电流信号，通过第二控制器在第三电极层和第二电极层上施加一交流电压/电流信号；当外界温度变化时，热敏电阻材料层的电阻率发生变化，温度检测层将含有电阻率变化的直流模拟电信号输出至滤波单元，当对人工皮肤施加压力时，柔性材料层发生形变变薄，压力检测层将含有电容变化信息的交流模拟电信号输出至滤波单元；二、滤波单元将收到的混合模拟电信号经过低通滤波器的处理得到含有电阻率变化的直流模拟电信号，并输出至第一模数转换器，高通滤波单元将收到的混合模拟电信号经过高通滤波器的处理得到含有电容变化信息的交流模拟电信号，并输出至第二模数转换器；三、第一模数转换器将收到的直流模拟电信号转化为数字信号，并输出至第一中央处理器，第二模数转换器将收到的交流模拟电信号转化为数字信号，并输出至第一中央处理器；四、第一中央处理器将从第一模数转换器收到的数字电信号进行计算处理得到温度值，第一中央处理器将从第二模数转换器收到的数字信号进行计算处理得到压力值；五、第一中央处理器根据计算处理得到的温度值、压力值进行相应的反馈；Ⅱ、方法二方法二包括依次进行的以下步骤：一、通过第一控制器在第一电极层和第二电极层上施加一直流电压/电流信号，通过第二控制器在第三电极层和第二电极层上施加一交流电压/电流信号；当外界温度变化时，热敏电阻材料层的电阻率发生变化，温度检测层将含有电阻率变化的直流模拟电信号输出至第二模数转换单元，当对人工皮肤施加压力时，柔性材料层发生形变变薄，压力检测层将含有电容变化信息的交流模拟电信号输出至第二模数转换单元；二、第二模数转换单元将收到的包含直流模拟电信号和交流模拟电信号的混合模拟电信号转化为数字信号，并输出至第二中央处理器；三、第二中央处理器利用自身存储的低通滤波算法将收到的数字信号处理得到包含温度信息的数字信号，第二中央处理器利用自身存储的高通滤波算法将收到的数字信号处理得到包含电容变化信息的数字信号；四、第二中央处理将步骤三得到的包含温度信息的数字信号计算处理得到温度值，第二中央处理将步骤三得到的包含电容变化信息的数字信号计算处理得到压力值；五、第二中央处理器根据计算处理得到的温度值、压力值进行相应的反馈。作为限定：（ⅠA）在方法一中，所述第一电极层包括N1（N1≥1）个小电极，第三电极层包括N2（N2≥1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于柔性材料和热敏电阻材料的人工皮肤，其特征在于：它包括信号采集部分和电路部分；一）信号采集部分所述信号采集部分包括器件保护层（1）以及设置于器件保护层（1）下面的复合信号采集层；所述复合信号采集层采用第一复合信号采集层或者第二复合信号采集层；其中，①第一复合信号采集层所述第一复合信号采集层由自上而下依次设置的第一电极层（2）、热敏电阻材料层（3）、第二电极层（4）、柔性材料层（5）和第三电极层（6）组成；所述第一电极层（2）、热敏电阻材料层（3）和第二电极层（4）一起组成温度检测层；所述第二电极层（4）、柔性材料层（5）和第三电极层（6）一起组成压力检测层；②第二复合信号采集层所述第二复合信号采集层由自上而下依次设置的第三电极层（6）、柔性材料层（5）、第二电极层（4）、热敏电阻材料层（3）和第一电极层（2）组成；所述第三电极层（6）、柔性材料层（5）和第二电极层（4）一起组成压力检测层；所述第二电极层（4）、热敏电阻材料层（3）和第一电极层（2）一起组成温度检测层；二）电路部分所述电路部分包括前端电路和后端电路；所述前端电路包括第一控制器、第二控制器，所述第一控制器的控制信号输出端与第一电极层、第二电极层的信号输入端相连，所述第二控制器的控制信号输出端与第三电极层、第二电极层的信号输入端相连；所述后端电路采用第一后端电路或第二后端电路之一，其中，第一后端电路所述第一后端电路包括依次串接的滤波单元、第一模数转换单元、第一中央处理器，所述滤波单元包括并联的低通滤波器和高通滤波器，第一模数转换单元包括第一模数转换器和第二模数转换器；所述温度检测层和压力检测层的信号输出端均与滤波单元的信号输入端相连，所述低通滤波器的信号输出端通过第一模数转换器连接第一中央处理器，高通滤波器的信号输出端通过第二模数转换器连接第一中央处理器；第二后端电路所述第二后端电路包括依次串接的第二模数转换单元和第二中央处理器；所述温度检测层和压力检测层的信号输出端均与第二模数转换单元的信号输入端相连。...

【技术特征摘要】
1.一种基于柔性材料和热敏电阻材料的人工皮肤，其特征在于：它包括信号采集部分和电路部分；一）信号采集部分所述信号采集部分包括器件保护层（1）以及设置于器件保护层（1）下面的复合信号采集层；所述复合信号采集层采用第一复合信号采集层或者第二复合信号采集层；其中，①第一复合信号采集层所述第一复合信号采集层由自上而下依次设置的第一电极层（2）、热敏电阻材料层（3）、第二电极层（4）、柔性材料层（5）和第三电极层（6）组成；所述第一电极层（2）、热敏电阻材料层（3）和第二电极层（4）一起组成温度检测层；所述第二电极层（4）、柔性材料层（5）和第三电极层（6）一起组成压力检测层；②第二复合信号采集层所述第二复合信号采集层由自上而下依次设置的第三电极层（6）、柔性材料层（5）、第二电极层（4）、热敏电阻材料层（3）和第一电极层（2）组成；所述第三电极层（6）、柔性材料层（5）和第二电极层（4）一起组成压力检测层；所述第二电极层（4）、热敏电阻材料层（3）和第一电极层（2）一起组成温度检测层；二）电路部分所述电路部分包括前端电路和后端电路；所述前端电路包括第一控制器、第二控制器，所述第一控制器的控制信号输出端与第一电极层、第二电极层的信号输入端相连，所述第二控制器的控制信号输出端与第三电极层、第二电极层的信号输入端相连；所述后端电路采用第一后端电路或第二后端电路之一，其中，第一后端电路所述第一后端电路包括依次串接的滤波单元、第一模数转换单元、第一中央处理器，所述滤波单元包括并联的低通滤波器和高通滤波器，第一模数转换单元包括第一模数转换器和第二模数转换器；所述温度检测层和压力检测层的信号输出端均与滤波单元的信号输入端相连，所述低通滤波器的信号输出端通过第一模数转换器连接第一中央处理器，高通滤波器的信号输出端通过第二模数转换器连接第一中央处理器；第二后端电路所述第二后端电路包括依次串接的第二模数转换单元和第二中央处理器；所述温度检测层和压力检测层的信号输出端均与第二模数转换单元的信号输入端相连。2.根据权利要求1所述的基于柔性材料和热敏电阻材料的人工皮肤，其特征在于：所述第一电极层（2）包括N1（N1≥1）个小电极，第三电极层（6）包括N2（N2≥1）个小电极；所述前端电路还包括第一多路调制器和第二多路调制器；所述第一控制器的控制信号输出端通过第一多路调制器分别与第一电极层（2）的N1个小电极、第二电极层（4）的信号输入端相连；第二控制器的控制信号输出端通过第二多路调制器分别与第三电极层（6）的N2个小电极、第二电极层（4）的信号输入端相连；所述第一后端电路还包括第一多路解调器；所述温度检测层和压力检测层的信号输出端均通过第一多路解调器与滤波单元的信号输入端相连；所述第二后端电路还包括第二多路解调器；所述温度检测层和压力检测层的信号输出端均通过第二多路解调器与第二模数转换单元的信号输入端相连。3.根据权利要求1或2所述的基于柔性材料和热敏电阻材料的人工皮肤，其特征在于：所述第一后端电路还包括第三控制器和第一激励电极层；所述第一中央处理器的信号输出端与第三控制器的信号输入端相连，第三控制器的控制信号输出端与第一激励电极层的信号输入端相连；所述第二后端电路还包括第四控制器和第二激励电极层；所述第二中央处理器的信号输出端与第四控制器的信号输入端相连，第四控制器的控制信号输出端与第二激励电极层的信号输入端相连。4.根据权利要求3所述的基于柔性材料和热敏电阻材料的人工皮肤，其特征在于：所述第一后端电路还包括第三多路调制器；所述第一激励电极层包括N3个小激励电极层单元，所述N3≥1，且N3取N1、N2两者的最大值；所述第三多路调制器的信号输入端与第三控制器的控制信号输出端相连，第三多路调制器的信号输出端分别与N3个小激励电极层单元的信号输入端相连；所述第二后端电路还包括第四多路调制器；所述第二激励电极层包括N4个小激励电极层单元，所述N4≥1，且N4取N1、N2两者的最大值；所述第四多路调制器的信号输入端与第四控制器的控制信号输出端相连，第四多路调制器的信号输出端分别与第N4个小激励电极层单元的信号输入端相连。5.一种检测压力和温度的方法，其特征在于：它利用权利要求1-4中任意一项所述的基于柔性材料和热敏电阻材料的人工皮肤来实现，该方法为方法一或方法二，当后端电路采用第一后端电路时该方法为方法一，当后端电路采用第二后端电路时该方法为方法二，其中，I、方法一方法一包括依次进行的以下步骤：一、通过第一控制器在第一电极层（2）和第二电极层（4）上施加一直流电压/电流信号，通过第二控制器在第三电极层（6）和第二电极层（4）上施加一交流电压/电流信号；当外界温度变化时，热敏电阻材料层（3）的电阻率发生变化，温度检测层将含有电阻率变化的直流模拟电信号输出至滤波单元，当对人工皮肤施加压力时，柔性材料层（5）发生形变变薄，压力检测层将含有电容变化信息的交流模拟电信号输出至滤波单元；二、滤波单元将收到的混合模拟电信号经过低通滤波器的处理得到含有电阻率变化的直流模拟电信号，并输出至第一模数转换器，高通滤波单元将收到的混合模拟电信号经过高通滤波器的处理得到含有电容变化信息的交流模拟电信号，并输出至第二模数转换器；三、第一模数转换器将收到的直流模拟电信号转化为数字信号，并输出至第一中央处理器，第二模数转换器将收到的交流模拟电信号转化为数字信号，并输出至第一中央处理器；四、第一中央处理器将从第一模数转换器收到的数字电信号进行计算处理得到温度值，第一中央处理器将从第二模数转换器收到的数字信号进行计算处理得到压力值；五、第一中央处理器根据计算处理得到的温度值、压力值进行相应的反馈；Ⅱ、方法二方法二包括依次进行的以下步骤：一、通过第一控制器在第一电极层（2）和第二电极层（4）上施加一直流电压/电流信号，通过第二控制器在第三电极层（6）和第二电极层（4）上施加一交流电压/电流信号；当外界温度变化时，热敏电阻材料层（3）的电阻率发生变化，温度检测层将含有电阻率变化的直流模拟电信号输出至第二模数转换单元，当对人工皮肤施加压力时，柔性材料层（5）发生形变变薄，压力检测层将含有电容变化信息的交流模拟电信号输出至第二模数转换单元；二、第二模数转换单元将收到的包含直流模拟电信号和交流模拟电信号的混合模拟电信号转化为数字信号，并输出至第二中央处理器；三、第二中央处理器利用自身存储的低通滤波算法将收到的数字信号处理得到包含温度信息的数字信号，第二中央处理器利用自身存储的高通滤波算法将收到的数字信号处理得到包含电容变化信息的数字信号；四、第二中央处理将步骤三得到的包含温度信息的数字信号计算处理得到温度值，第二中央处理将步骤三得到的包含电容变化信息的数字信号计算处理得到压力值；五、第二中央处理器根据计算处理得到的温度值、压力值进行相应的反馈。6.根据权利要求5所述的检测压力和温度的方法，其特征在于：（ⅠA）在方法一中，所述第一电极层（2）包括N1（N1≥1）个小电极，第三电极层（6）包括N2（N2≥1）个小电极，第一控制器与温度检测层之间设置有第一多路调制器，第二控制器与压力检测层之间设置有第二多路调制器，温度检测层、压力检测层均通过第一多路解调器与滤波单元相连；所述第一步包括依次进行的以下步骤，（一1）通过第一控制器将一直流电压/电流信号输出至第一多路调制器，第一多路调制器将收到的直流电压/电流信号调制之后输出至第一电极层（...

【专利技术属性】
技术研发人员：高硕，王伟宁，巩浩，
申请(专利权)人：北京中硕众联智能电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11