【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于柔性可穿戴智能设备，涉及一种识别作用在仿生皮肤上的组合行为动作的方法。
技术介绍
1、随着可穿戴智能设备的普及与发展，柔性传感器在人体健康监测、人机交互和人工智能等领域展现出了巨大的应用潜力。
2、近年来，柔性电子技术的进步促使柔性可穿戴器件向多功能集成化发展。贴附于体表的柔性可穿戴传感器类似于人体皮肤，可作为仿生皮肤，其最基础和重要的功能应包含肢体关节张力（应变）和触觉（压力）的监测感知。皮肤对于这两类感知可分为两类：（1）单一行为动作的感知，例如手指弯曲主要涉及应变感知，手指按压皮肤主要涉及压力感知；（2）组合行为动作的感知，如中医理疗中的“提揪”、“捏推”、“揉搓”、“敲击”、“抚摸”、“按压”、“掐”等动态动作涉及皮肤拉伸和挤压的同步感知。由此可见，实际日常交互中皮肤涉及的外部刺激感知非常复杂，而现有技术报道的柔性传感器基本停留在第1类简单的单一行为动作识别阶段。
3、大部分现有技术的柔性传感器局限于大幅度的简单动作感知，例如手指、手腕、膝盖、手肘等肢体关节的拉伸和弯曲感知，以及手心、手背、脚掌的按压感知。如cn115844378a、cn110362195a公开的柔性传感器，其贴附于肘关节或指关节，当关节运动时会产生拉伸应变响应，从而实现对肢体运动的监测。此类传感器只能识别单一的应变响应，于大幅度动作下才具备较强的信号。
4、还有部分现有技术的柔性传感器可以实现应变、压力的双重感知，但两种感应模式共用同一种信号源，限制了对于复杂动作的识别度。如cn114370959a、c
5、尽管如cn113787800a公开的柔性传感器可通过不同类型的信号将拉伸应变和压力做出区分，但受限于材料的拉伸范围和灵敏度，此类传感器无法实现复杂组合动作的感知如“提揪”、“捏推”、“揉搓”、“敲击”等精细动作涉及皮肤拉伸和挤压的同步感知。
6、综上所述，皮肤涉及的外部交互极其复杂，这对作为仿生皮肤的柔性传感器的多功能信号识别、传感器的工作范围、信号响应的灵敏度都提出了严格的要求，而现有技术的柔性传感器无法识别作用在仿生皮肤上的组合行为动作。
7、因此，有必要开发一种用于识别作用在仿生皮肤上的组合行为动作的柔性传感器，使其具备类似皮肤对复杂组合动作的感知功能，对于人机交互、智能机器人制造均具有重要意义。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是解决现有技术存在的上述问题，提供一种识别作用在仿生皮肤上的组合行为动作的方法。
2、为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、一种识别作用在仿生皮肤上的组合行为动作的方法，将柔性传感器作为仿生皮肤贴附于体表，并将其与电压测量仪和电阻测量仪连接，由电压测量仪采集电压信号，同时由电阻测量仪采集电阻信号，根据电压信号和电阻信号判断作用在仿生皮肤上的组合行为动作的类型，即完成识别；
4、柔性传感器为具有复合层结构的膜（形状可以是圆形、方形、菱形等，当贴附于手指关节、肘关键处时优选矩形，当贴附于手心、手背等平面上时可以为任意形状），包括自上而下依次排列的上柔性衬底、上柔性电极、介电层、下柔性电极、下柔性衬底；
5、上柔性电极和下柔性电极均为双侧表面负载有氧化锌纳米棒的碳化蚕丝布，其中碳化蚕丝布由脱胶蚕丝布经逐级碳化得到，脱胶蚕丝布为素绉缎，逐级碳化分为3个阶段，第1阶段为预氧化阶段（作用在于引入氧原子促进后续高温环化形成石墨化结构），第2阶段为低温碳化阶段（作用在于为丝素蛋白成环过程提供稳定的平台期，利于碳布表面石墨环结构的均匀成型），碳化温度为400-600℃，第3阶段为高温碳化阶段（作用在于高温脱除大部分氮、硫、氧、氢等杂原子，使碳化表面的石墨化程度更高，促进导电网络的均匀生成，作为结果，温度越高所得到的碳布导电性更好（初始电阻越小），碳化温度为850-1050℃；
6、电压测量仪的正极、负极分别对应与上柔性电极、下柔性电极的左端连接，以构成压电结构，监测在触摸过程中的电压变化；
7、电阻测量仪的正极、负极分别对应与下柔性电极的左端、右端连接，以监测在拉伸应变过程中的电阻变化。
8、本专利技术的柔性传感器中，碳化蚕丝布作为核心部件，同时承担多种功能：（1）作应变传感功能中的导电通路，极大提升应变传感的灵敏度；（2）作为氧化锌纳米棒原位生长的基底材料，可让氧化锌纳米棒在其表面成核并规则生长；（3）作为柔性电极构成压电传感器的基本结构；
9、经逐级碳化工艺制备的碳化蚕丝布在封装后可实现2d平面内超灵敏拉伸，经氧化锌纳米棒原位生长后的碳化蚕丝布可实现垂直方向的压电响应；拉伸传感采用电阻响应信号，压力传感采用压电信号，二者采用不同信号通路，无需信号解耦，成为其优势之一；
10、本专利技术可准确识别作用在仿生皮肤上的组合行为动作，因为本专利技术的柔性传感器的灵敏度较高，本专利技术的柔性传感器的灵敏度较高一方面因为脱胶蚕丝布经过了逐级碳化，另一方面因为脱胶蚕丝布为素绉缎，具体原理如下：
11、传感器的灵敏度的计算公式如下：
12、（a）；
13、其中，gf为灵敏度；r0为传感器的初始电阻；rx是拉伸应变为ε时的电阻；△r为电阻的相对变化；
14、根据传感器灵敏度计算公式（a），r0的减小（分母的减小），有利于灵敏度的增加；从灵敏度计算公式（a）中还可获知，灵敏度还与△r有关；
15、碳化过程中，如果直接升温至最高温度会导致蚕丝在高温下皱缩或严重烧蚀，采用逐级碳化工艺一方面能保护蚕丝在碳化过程中形貌的完整性，另一方面第1阶段为蚕丝氧化提供充足的时间，第2阶段和第3阶段提供了稳定的高温环境，有利于丝素蛋白结构成环逐步石墨化演变，提高碳化蚕丝布的石墨化程度，石墨化程度越高，材料的导电性越好，r0越小，有利于灵敏度的提高；
16、我们的研究已证实，△r与编织方式有直接关联：对于编织结构较为紧密的乔其纱，在拉伸过程中能够更好维持自身结构，产生的裂纹较少，导致△r增幅较小，宏观表现为灵敏度较低；对于具有松散比编织结构的素绉缎，在拉伸过程中更易断裂从而产生更多裂纹，导致△r增幅更大，宏观表现为灵敏度更高；初始电阻和编织方式协同影响灵敏度，此时相较于r0的影响，裂纹拓展幅度是灵敏度的主要影响因素。本专利技术中的脱胶蚕丝布选用的是素绉缎；
17、本专利技术区分不同信号的原理为：组合动作引起的拉伸信号由x轴方向的碳化蚕丝布通过形变引起的电阻变化提供，组合动作引起的压力信号则由y轴方向碳化蚕丝布构成的多层压电结构通过zno nrs（氧化锌纳米棒）压电微晶形变引起的电压变化提供，其在自身结构上即可实现对拉伸和压力的区分，实现不同的信号输本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种识别作用在仿生皮肤上的组合行为动作的方法，其特征在于，将柔性传感器（1）作为仿生皮肤贴附于体表，并将其与电压测量仪和电阻测量仪连接，由电压测量仪采集电压信号，同时由电阻测量仪采集电阻信号，根据电压信号和电阻信号判断作用在仿生皮肤上的组合行为动作的类型，即完成识别；
2.根据权利要求1所述的一种识别作用在仿生皮肤上的组合行为动作的方法，其特征在于，碳化蚕丝布的制备步骤如下：
3.根据权利要求2所述的一种识别作用在仿生皮肤上的组合行为动作的方法，其特征在于，碳化蚕丝布的初始电阻为81.27-436.85Ω，平均电导率为28.16-91.73S/m。
4.根据权利要求1所述的一种识别作用在仿生皮肤上的组合行为动作的方法，其特征在于，双侧表面负载有氧化锌纳米棒的碳化蚕丝布的制备步骤如下：
5.根据权利要求4所述的一种识别作用在仿生皮肤上的组合行为动作的方法，其特征在于，步骤①中，氧化锌种子层溶液由醋酸锌、氢氧化钠和无水乙醇组成；
6.根据权利要求1所述的一种识别作用在仿生皮肤上的组合行为动作的方法，其特征在于，柔性传感器
7.根据权利要求6所述的一种识别作用在仿生皮肤上的组合行为动作的方法，其特征在于，上柔性衬底（1-1）和下柔性衬底（1-5）均为PDMS柔性衬底，介电层（1-3）为PDMS介电层。
8.根据权利要求1所述的一种识别作用在仿生皮肤上的组合行为动作的方法，其特征在于，柔性传感器（1）的最大拉伸应变为142-183%，抗拉强度为1.15-1.3MPa；在0-40%应变范围的灵敏度为18.55-30.65，在40-183%的应变范围的灵敏度为109.56-140.74；在0.5Hz、25N的施加压力下压电输出为0.74-1.65V。
9.根据权利要求1所述的一种识别作用在仿生皮肤上的组合行为动作的方法，其特征在于，组合行为动作为“提揪”、“捏推”、“揉搓”或“敲击”动作；
...【技术特征摘要】
1.一种识别作用在仿生皮肤上的组合行为动作的方法，其特征在于，将柔性传感器（1）作为仿生皮肤贴附于体表，并将其与电压测量仪和电阻测量仪连接，由电压测量仪采集电压信号，同时由电阻测量仪采集电阻信号，根据电压信号和电阻信号判断作用在仿生皮肤上的组合行为动作的类型，即完成识别；
2.根据权利要求1所述的一种识别作用在仿生皮肤上的组合行为动作的方法，其特征在于，碳化蚕丝布的制备步骤如下：
3.根据权利要求2所述的一种识别作用在仿生皮肤上的组合行为动作的方法，其特征在于，碳化蚕丝布的初始电阻为81.27-436.85ω，平均电导率为28.16-91.73s/m。
4.根据权利要求1所述的一种识别作用在仿生皮肤上的组合行为动作的方法，其特征在于，双侧表面负载有氧化锌纳米棒的碳化蚕丝布的制备步骤如下：
5.根据权利要求4所述的一种识别作用在仿生皮肤上的组合行为动作的方法，其特征在于，步骤①中，氧化锌种子层溶液由醋酸锌、氢氧化钠和无水乙醇组成；
6.根据权利要求1所述的一种识别作用在仿生皮肤上的组合行为动作的方法，其特征在于，柔性传...
【专利技术属性】
技术研发人员：柳仕林，吴琪琳，何敬宗，马政坤，张雯婷，梁筱彧，吕永根，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：
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