传感反馈融合器件及其制备方法、工作方法

1.本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种传感反馈融合器件及其制备方法、工作方法。


背景技术：

2.人机交互界面作为信息的输入与输出工具，是连接人类与数字世界的桥梁。随着新材料、微电子、5g通信与物联网技术的飞速发展，在面向智能机器人操控和虚拟交互等应用领域，传统的人机交互界面，如键盘、手柄、触控屏等，正在被各种可穿戴人机交互设备所取代，以实现更直观更高效的双向交互过程。此类人机交互设备中，对触觉的传感与反馈是获取行为动作信息的关键，因此，多功能的触觉传感器与反馈器的开发与集成是实现上述目标的基础。
3.触觉传感是除视觉与听觉外，获取信息的最重要途径，是实现行为数字化的关键，而另一方面，触觉反馈则是将传感信息实体化的主要手段。目前，在以液态金属作为电极结构的压阻式传感器中，缺乏相应的补偿结构，容易受到温度效应的影响，导致信号漂移。同时，大多器件的传感机理较为单一，难以实现对真实交互状态下的动态与静态触觉信息的同步实时监测。并且多模态(力、温度等触觉)的反馈器件集成度较低，尤其是针对气动式和流体式结构，多数器件只能提供单一的气动反馈或者温度反馈功能；而部分可实现多模态的反馈系统，仍依赖于叠加组合多个反馈单元来达到多模态反馈的目的，导致结构复杂冗余、体积大。
4.而如何建立有效的双向人机交互系统，需要传感与反馈单元之间具有较好的空间一致性与功能的匹配性，避免在利用传感信息进行触觉反馈时，产生信息错位与缺失。目前，集成触觉传感与反馈功能的器件中，以简单组合各自独立的传感单元以及反馈单元为主，系统融合度欠缺，导致兼容性和空间一致性较差，体积与空间占用较大。同时，部分研究存在气动反馈与温度反馈分散分布的情况，导致单点位置的反馈功能单一，感知拟真度欠佳。


技术实现要素：

5.基于此，本发明提供一种传感反馈融合器件及其制备方法、工作方法，该器件设计结构简单紧凑，柔软且可拉伸，便于制成电子皮肤等高贴合度的可穿戴器件，并且具备传感与反馈的双向交互功能，可以直接兼容交互双方而无需额外设备；该器件融合摩擦电与压阻传感机理，实现传感信号干扰的相互补偿，以及交互行为中，动态与静态触觉信息的同步感知；还融合气动触觉反馈与热阻温度反馈，同一器件可在用户皮肤上实现对力与热的双重触感重建，提高了反馈过程中对皮肤的刺激方位一致性以及信息多样化。
6.本发明采用的技术方案是：
7.一种传感反馈融合器件，包括：
8.弹性体结构，具有液态金属通道以及包覆在所述液态金属通道外表面的弹性薄
膜；所述液态金属通道的两端设置有外接导线的端子；
9.气腔结构，位于所述弹性体结构的下方，具有一腔体，所述腔体与所述弹性薄膜键合封装；所述腔体的一侧设置有通气孔，所述通气孔与迷你气泵相连；
10.指纹结构，位于所述弹性体结构的上方，具有仿指纹纹理，所述仿指纹纹理键合设置在所述弹性薄膜上。
11.在本技术公开的传感反馈融合器件中，所述液态金属通道的中部为环形通道，边缘为放射状通道，所述环形通道与放射状通道连接形成惠斯通电桥结构。
12.在本技术公开的传感反馈融合器件中，所述器件还包括微处理器，所述微处理器与所述迷你气泵、导线相连。
13.基于同样的发明构思，本技术还提供了前述传感反馈融合器件的工作方法，具体地：
14.将传感反馈融合器件集成于交互器件上，液态金属通道的端子通过导线与电源相连；
15.在触觉传感模式下，当指纹结构与交互物体接触时，弹性体结构捕捉接触时产生的各种运动信息；
16.针对动态感知信息，采用摩擦电传感机理进行监测，将机械作用力转变为摩擦电传感信号实现物理传感；
17.针对静态感知信息，采用压阻传感机理进行监测，通过液态金属的电阻变化来监测触觉信息，实现动态与静态触觉信息的同步稳定感知；
18.在触觉反馈模式下，通过迷你气泵对腔体进行供气，使弹性薄膜膨胀，通过气压大小控制反馈力大小，实现气动反馈；
19.或通过电源加热液态金属通道，并控制输入电源的大小来调控加热温度范围，利用热阻效应实现热反馈。
20.在本技术的工作方法中，所述触觉传感模式与触觉反馈模式通过微处理器进行切换控制。
21.在本技术的工作方法中，所述气动反馈可通过上层液态金属通道的电阻变化进行监测。
22.基于同样的发明构思，本技术还提供前述传感反馈融合器件的制备方法，具体地，包括以下步骤：
23.步骤s1.配制弹性体溶液，将弹性体溶液制成弹性薄膜；
24.步骤s2.将弹性薄膜转移至流体打印机平台，在弹性薄膜表面，通过打印针头将液态金属按预设形状打印成液态金属通道，并在两端埋入外接导线的端子；
25.步骤s3.用弹性体溶液覆盖整个液态金属通道以及与端子的衔接位置，固化，形成弹性材料包覆液态金属的弹性体结构；
26.步骤s4.通过3d打印的指纹模具，利用弹性体溶液制备指纹结构；再将指纹结构用弹性体溶液键合于弹性体结构的上表面；
27.步骤s5.通过3d打印的气腔模具，利用弹性体溶液制备气腔结构；再将气腔结构用弹性体溶液键合封装于弹性体结构的下表面，并预留通气孔。
28.在本技术公开的制备方法中，所述步骤s1中，弹性体溶液由铂金固化硅胶、聚二甲
基硅氧烷按比例1:1混合而成。
29.在本技术公开的制备方法中，所述步骤s1中，弹性薄膜通过3d打印的模具或可调涂膜器制备而成。
30.在本技术公开的制备方法中，所述步骤s2中，液态金属为镓铟锡合金。
31.发明的有益效果是：
32.(1)本技术利用弹性材料包覆液态金属通道形成弹性体结构，可实现压阻式触觉传感，并通过复用液态金属通道，将读取传感信号模式切换为供能加热模式，通过液态金属的热阻效应实现热反馈功能；在弹性体结构的上表面进行微结构处理，构建仿指纹纹理，结合液态金属电极，通过摩擦电效应实现对滑觉的动态响应监测；在弹性体结构的下表面键合弹性体气腔结构，实现气动式气动反馈功能，同时，气动反馈的状态可以通过上层液态金属压阻传感单元进行监测。
33.(2)本技术通过分析结构，并研究材料的多种力学与电学特性，使同一器件具备传感与反馈的双向交互功能，可以直接兼容交互双方而无需额外设备；并且融合摩擦电与压阻传感机理，实现传感信号干扰的相互补偿，以及交互行为中，动态与静态触觉信息的同步感知；还融合气动触觉反馈与热阻温度反馈，同一器件可在用户皮肤上实现对力与热的双重触感重建，提高了反馈过程中对皮肤的刺激方位一致性以及信息多样化。
34.(3)本技术传感反馈融合器件可实现多模态(静态力、动态滑移、温度)的传感和反馈，可集成于各种可穿戴器件、机器人以及常见交互界面，为交互的双方提供触觉信息的捕捉与重构，提高人机遥操作或者虚拟交互过程中，用户对交互场景的感知度与掌控度。
附图说明
35.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1为传感反馈融合器件的结构示意图(a为爆炸图，b为组合图)；
37.图2为摩擦电传感工作原理示意图；
38.图3为压阻传感原理示意图；
39.图4为触觉反馈模式原理示意图；
40.图5为液态金属通道的结构示意图；
41.图6为基于传感反馈融合器件的交互应用场景示例；
42.图7为用于柔性手套的器件集成示意图；
43.图8为器件的传感与反馈过程示意图；
44.图9为压阻传感与热反馈同步感知示意图；
45.图10为摩擦电传感的动态响应与压阻传感的静态响应实现多模态触觉感知示意图；
46.图11为传感与反馈的远程交互示意图。
47.附图标记：
48.10、传感反馈融合器件；11、弹性体结构；12、气腔结构；13、指纹结构；14、弹性薄
膜；15、液态金属通道；16、腔体。
具体实施方式
49.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图，对本技术的具体实施方式做详细的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本技术，而非对本技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本技术相关的部分而非全部结构。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。
50.本技术中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
51.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，目的不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
52.在本技术中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
53.请参阅图1所示，本技术实施例提供一种传感反馈融合器件，该传感反馈融合器件10包括从上到下依次设置的指纹结构13、弹性体结构11以及气腔结构12。
54.弹性体结构11具有液态金属通道15以及包覆在该液态金属通道15外表面的弹性薄膜14。液态金属通道15的两端设置有外接导线的端子。液态金属通道15通过端子与外部导线相连，在传感模式下，可传递压阻与摩擦电传感信号，在反馈模式下，可通过外部电源对液态金属供电，利用热阻效应实现热反馈。
55.气腔结构12位于弹性体结构11的下方，具有一腔体16，该腔体16与弹性薄膜14键合封装。该腔体16的一侧设置有通气孔，通气孔与迷你气泵相连。迷你气泵对腔体16进行供气，使弹性薄膜14膨胀，可通过气压控制气动反馈。
56.指纹结构13位于弹性体结构11的上方，具有仿指纹纹理，该仿指纹纹理键合设置在弹性薄膜14上。在弹性体结构11的上表面进行微结构处理，构建仿指纹纹理，可以放大滑移所产生的振动，结合液态金属电极，可通过摩擦电效应实现对滑觉的动态响应监测。
57.本技术的传感反馈融合器件，结构设计简单紧凑，柔软且可拉伸，可集成于各种可穿戴器件、机器人以及常见交互界面。工作时，将传感反馈融合器件集成于交互器件上，液态金属通道的端子通过导线与电源相连。在触觉传感模式下，当指纹结构与交互物体接触时，弹性体结构捕捉接触时产生的各种运动信息，针对滑移、纹理等需要动态感知的信息，采用摩擦电传感机理进行监测。请参见图2所示，摩擦发电效应是基于两种不同电负性的介质在表面相互接触时，所产生的相反静电荷通过外接电路产生转移的原理，可将机械作用力转变为电信号实现物理传感，其信号具有脉冲式电压，以及高动态响应的特征，适合捕捉
器件与外接物体(包括人体皮肤)接触时产生的各种运动信息。
58.针对握持、按压等需要静态感知的信息，采用压阻传感机理进行量测。请参见图3所示，压阻效应主要指液态金属材料的电阻值随按压、拉伸等机械变形而产生变化，通过量测液态金属的电阻变化来监测触觉信息，其静态响应能力显著优于摩擦电传感机理。将摩擦电传感与压阻传感相互融合，以达到优势互补的目的，实现对动态与静态触觉的同步稳定感知，确保人机交互中，信息输入的准确性和丰富性。
59.在触觉反馈模式下，通过迷你气泵对气腔进行供气，使弹性薄膜膨胀，实现气动式的气动反馈。如图4a所示，反馈力大小可通过气压大小控制，以达到对按压力度、物体硬度等感知的重建，同时，气动反馈还可通过上层液态金属通道的压阻传感单元进行监测。针对热反馈功能，由于液态金属具有热阻效应，可以通过接入直流电源供应实现加热效果(如图4b所示)，并可通过控制输入电源的大小来稳定调控加热温度范围。本技术通过融合热反馈与气动反馈两种反馈机制(如图4c所示)，可以更真实地模拟人体皮肤在交互过程中所感知的多种物理刺激，提升用户对交互环境的判断力。
60.本技术利用弹性材料包覆液态金属通道形成弹性体结构，可实现压阻式触觉传感，并通过复用液态金属通道，将读取传感信号模式切换为供能加热模式，通过液态金属的热阻效应实现热反馈功能；在弹性体结构的上表面进行微结构处理，构建仿指纹纹理，结合液态金属电极，通过摩擦电效应实现对滑觉的动态响应监测；在弹性体结构的下表面键合弹性体气腔结构，实现气动式气动反馈功能，同时，气动反馈的状态可以通过上层液态金属的压阻传感单元进行监测。
61.本技术通过分析结构，并研究材料的多种力学与电学特性，使同一器件具备传感与反馈的双向交互功能，可以直接兼容交互双方而无需额外设备；并且融合摩擦电与压阻传感机理，实现传感信号干扰的相互补偿，以及交互行为中，动态与静态触觉信息的同步感知；还融合气动触觉反馈与热阻温度反馈，同一器件可在用户皮肤上实现对力与热的双重触感重建，提高了反馈过程中对皮肤的刺激方位一致性以及信息多样化。
62.本技术传感反馈融合器件可实现多模态(静态力、动态滑移、温度)的传感和反馈，可集成于各种可穿戴器件、机器人以及常见交互界面，为交互的双方提供触觉信息的捕捉与重构，提高人机遥操作或者虚拟交互过程中，用户对交互场景的感知度与掌控度。
63.如图5所示，为提升灵敏度，减少温度效应对压阻传感的干扰，可对液态金属通道进行改良设计。具体为：液态金属通道的中部为环形通道，边缘为放射状通道，环形通道与放射状通道连接形成惠斯通电桥结构。液态金属通道利用边缘放射状结构感知切向力作用，中心环形通道感知径向力作用。
64.具体地，迷你气泵、导线、电源等，均与微处理器(可采用arduino、esp32等)连接，并可通过微处理器控制切换触觉传感模式与触觉反馈模式。
65.本技术还提供了前述传感反馈融合器件的制备方法，具体包括以下步骤：
66.步骤s1.配制弹性体溶液，将弹性体溶液制成弹性薄膜；
67.步骤s2.将弹性薄膜转移至流体打印机平台，在弹性薄膜表面，通过打印针头将液态金属按预设形状打印成液态金属通道，并在两端埋入外接导线的端子；
68.步骤s3.用弹性体溶液覆盖整个液态金属通道以及与端子的衔接位置，固化，形成弹性材料包覆液态金属的弹性体结构；
69.步骤s4.通过3d打印的指纹模具，利用弹性体溶液制备指纹结构；再将指纹结构用弹性体溶液键合于弹性体结构的上表面；
70.步骤s5.通过3d打印的气腔模具，利用弹性体溶液制备气腔结构；再将气腔结构用弹性体溶液键合封装于弹性体结构的下表面，并预留通气孔。
71.具体地，弹性体溶液由铂金固化硅胶、聚二甲基硅氧烷按比例1:1混合而成；弹性薄膜通过3d打印模具或可调涂膜器制备而成。
72.具体地，液态金属为镓铟锡合金。
73.在一个具体的实施方式中，如图6所示，以多人虚拟交互场景为例，将本技术器件集成在手套(指尖、掌心、指关节等关键交互部位)中，用于进行交互过程的手部动作捕捉与触觉反馈(如图7所示)。首先，采用unity3d软件制作虚拟场景、场景当中的可交互物体，以及用户a与用户b的虚拟模型。用户在虚拟场景中的空间定位和姿态监测则通过导入steamvr插件，以及配套的htc vive中的光线追踪器与惯性传感单元来实现。用户a穿戴集成有本器件的手套进行交互的过程中，由微处理器负责传感信号的读取和反馈驱动指令的执行，并通过无线信号收发器与电脑端unity中的场景进行串口通信，将用户a的交互信息投射至虚拟场景和用户b，并通过用户b手套中的该器件来反馈触觉信息。类似地，当用户b进行交互行为时，手套捕捉的交互信息也会通过无线通信传递到虚拟场景和用户a的手套中，并在a手上产生触觉反馈信息。
74.如图8所示，整个交互过程主要分为两个阶段：传感信号处理阶段和反馈控制阶段，通过程序切换，可在同样的器件实现两个阶段的所有功能。
75.如图9和图10所示，当用户a开始进行交互输入时，系统会进入传感模式。以抓握杯子为例(图9)，位于指尖的器件会受到挤压，包覆结构内部的液态金属通道产生机械形变，导致电阻发生变化(图3)，该变化作为抓握杯子的压力大小信号被微处理器读取。同时，由于液态金属的电阻也会受温度影响，故电阻变化也可作为杯子的温度参数被读取并发送给其他终端。在温度与压力的同步量测中，可以通过惠斯通电桥等手段进行补偿，避免信号与物理场之间的相互干扰。其次，当抓握过程中产生滑移摩擦现象时(图10)，器件表面的仿指纹结构可以放大滑移所产生的振动，由于杯子与器件的材质属于两种不同的介质，两者表面间的振动交互会产生摩擦电信号(图2)，并通过包覆其中的液态金属传导到微处理器，该信号包含了滑移摩擦的速度、接触表面的纹理等信息。最终，上述这些触觉与温度传感信息会由微处理器通过串口通信发送给虚拟场景以及其他用户。
76.如图11所示，当用户b开始接受用户a的交互信息输出时，系统会进入反馈模式。用户b手套的微处理器会将接收到的来自用户a的传感信息识别，力触觉传感信息会根据对应的映射关系，通过控制迷你气泵输出压力来驱动腔体上鼓膜，以产生对应的压力触感。同时，温度传感信息也会根据对应的映射关系，通过控制电源对液态金属单元的输入大小，来产生指定温度的热阻效应。通过力触觉与温度的反馈作用，用户b可以更真实地感受到用户a的交互状态、以及交互物体的特性。
77.本技术通过研究材料的多种力学与电学特性，揭示了利用同一单元结构，根据分时复用的方法，实现多种传感与反馈功能的机制；将传感与反馈单元高度融合，确保了交互双方的信息在通过器件进行双向传递的过程中，具有较高的空间一致性。本技术融合两种不同特性的传感机理，实现多模态传感中的相互补偿机制，提高了传感器的整体稳定性，同
时采用柔性可拉伸材料制备的器件，可以便捷地集成于各种可穿戴设备，并具备良好的力学可靠性。
78.以上仅为本发明的优选实施例而已，不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.传感反馈融合器件，其特征在于，包括：弹性体结构，具有液态金属通道以及包覆在所述液态金属通道外表面的弹性薄膜；所述液态金属通道的两端设置有外接导线的端子；气腔结构，位于所述弹性体结构的下方，具有一腔体，所述腔体与所述弹性薄膜键合封装；所述腔体的一侧设置有通气孔，所述通气孔与迷你气泵相连；指纹结构，位于所述弹性体结构的上方，具有仿指纹纹理，所述仿指纹纹理键合设置在所述弹性薄膜上。2.根据权利要求1所述的传感反馈融合器件，其特征在于，所述液态金属通道的中部为环形通道，边缘为放射状通道，所述环形通道与放射状通道连接形成惠斯通电桥结构。3.根据权利要求1所述的传感反馈融合器件，其特征在于，所述器件还包括微处理器，所述微处理器与所述迷你气泵、导线相连。4.根据权利要求1～3任一所述传感反馈融合器件的工作方法，其特征在于：将传感反馈融合器件集成于交互器件上，液态金属通道的端子通过导线与电源相连；在触觉传感模式下，当指纹结构与交互物体接触时，弹性体结构捕捉接触时产生的各种运动信息；针对动态感知信息，采用摩擦电传感机理进行监测，将机械作用力转变为摩擦电传感信号实现物理传感；针对静态感知信息，采用压阻传感机理进行监测，通过液态金属的电阻变化来监测触觉信息，实现动态与静态触觉信息的同步稳定感知；在触觉反馈模式下，通过迷你气泵对腔体进行供气，使弹性薄膜膨胀，通过气压大小控制反馈力大小，实现气动反馈；或通过电源加热液态金属通道，并控制输入电源的大小来调控加热温度范围，利用热阻效应实现热反馈。5.根据权利要求4所述的传感反馈融合器件的工作方法，其特征在于，所述触觉传感模式与触觉反馈模式通过微处理器进行切换控制。6.根据权利要求4所述的传感反馈融合器件的工作方法，其特征在于，所述气动反馈可通过上层液态金属通道的电阻变化进行监测。7.根据权利要求1～3任一所述传感反馈融合器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1.配制弹性体溶液，将弹性体溶液制成弹性薄膜；步骤s2.将弹性薄膜转移至流体打印机平台，在弹性薄膜表面，通过打印针头将液态金属按预设形状打印成液态金属通道，并在两端埋入外接导线的端子；步骤s3.用弹性体溶液覆盖整个液态金属通道以及与端子的衔接位置，固化，形成弹性材料包覆液态金属的弹性体结构；步骤s4.通过3d打印的指纹模具，利用弹性体溶液制备指纹结构；再将指纹结构用弹性体溶液键合于弹性体结构的上表面；步骤s5.通过3d打印的气腔模具，利用弹性体溶液制备气腔结构；再将气腔结构用弹性体溶液键合封装于弹性体结构的下表面，并预留通气孔。8.根据权利要求7所述的传感反馈融合器件的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，弹性体溶液由铂金固化硅胶、聚二甲基硅氧烷按比例1:1混合而成。
9.根据权利要求7所述的传感反馈融合器件的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，弹性薄膜通过3d打印的模具或可调涂膜器制备而成。10.根据权利要求7所述的传感反馈融合器件的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，液态金属为镓铟锡合金。

技术总结
本发明公开了一种传感反馈融合器件及其制备方法、工作方法，属于传感器技术领域，该传感反馈融合器件包括弹性体结构，具有液态金属通道以及包覆在所述液态金属通道外表面的弹性薄膜；液态金属通道的两端设置有外接导线的端子；气腔结构，位于弹性体结构的下方，具有一腔体，所述腔体与所述弹性薄膜键合封装；所述腔体的一侧设置有通气孔，所述通气孔与迷你气泵相连；指纹结构，位于弹性体结构的上方，具有仿指纹纹理，所述仿指纹纹理键合设置在所述弹性薄膜上。本申请的传感反馈融合器件具备传感与反馈的双向交互功能，融合摩擦电与压阻传感机理，还融合了气动触觉反馈与热阻温度反馈，可集成于各种可穿戴器件、机器人以及常见交互界面。界面。界面。


技术研发人员：朱铭鲁 陈亮 陈涛 戴志伟 孙立宁
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：2023.02.22
技术公布日：2023/8/5