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专利号: 2017107570546
申请人: 北京中硕众联智能电子科技有限公司
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于压电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)、压电材料层(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)、压电材料层(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为由上而下依次设置的第三电极层(6)、压电材料层(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)、压电材料层(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,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、高通滤波器的信号输出端通过第二模数转换器分别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所述的基于压电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;

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)包括的N1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所述的基于压电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二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二控制器的信号输入端相连,第二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三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所述的基于压电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二多路调制器;

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;

所述第二多路调制器的信号输入端与第二控制器的控制信号输出端相连,第二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三多路调制器;

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压电材料和热敏电阻材料的人工皮肤来实现,该方法为方法一或者方法二,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;

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,压电材料层(5)表面产生电荷并进一步形成交流模拟电信号,压力检测层将所述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,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;

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,压电材料层(5)表面产生电荷并进一步形成交流模拟电信号,压力检测层将所述交流模拟电信号输出第二模数转换单元;

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压力信息的数字信号;

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压力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,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(2)和第二电极层(4);

当第一电极层(2)的第M(1≤M≤N1)小电极对应的人工皮肤附近温度变化时,热敏电阻材料层(3)的电阻率发生变化,第M小电极、第二电极层(4)及热敏电阻材料层(3)组成的第M温度检测层单元将含有电阻率变化的直流模拟电信号输出至第一多路解调器,当第三电极层(6)的第S(1≤S≤N2)小电极对应的人工皮肤外表面的压力变化时,压电材料层(5)的表面产生电荷并进一步形成交流模拟电信号,第S小电极、第二电极层(4)及压电材料层(5)组成的第S压力检测层单元将所述交流模拟电信号输出至第一多路解调器;

(一2)第一多路解调器将收到的混合模拟电信号解调之后输出至滤波单元;

所述步骤四中,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第一电极层(2)的第M小电极对应的人工皮肤附近的温度值,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第三电极层(6)的第S小电极对应的人工皮肤外表面的压力值;

(ⅡA) 在方法二中,

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,温度检测层、压力检测层均通过第二多路解调器与第二模数转换单元相连;

所述步骤一包括依次进行的以下步骤,

(一11)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(2)和第二电极层(4);

当第一电极层(2)的第M(1≤M≤N1)小电极附近温度变化时,热敏电阻材料层(3)的电阻率发生变化,第M小电极、第二电极层(4)及热敏电阻材料层(3)组成的第M温度检测层单元将含有电阻率变化的直流模拟电信号输出至第二多路解调器,当第三电极层(6)的第S(1≤S≤N2)小电极对应的人工皮肤外表面的压力变化时,压电材料层(5)的表面产生电荷并进一步形成交流模拟电信号,第S小电极、第二电极层(4)及压电材料层(5)组成的第S压力检测层单元将所述交流模拟电信号输出至第二多路解调器;

(一12)第二多路解调器将收到的混合模拟电信号解调之后输出至第二模数转换单元;

所述步骤四中,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得到第一电极层(2)的第M小电极对应的人工皮肤附近的温度值,第二中央处理将步骤三得到的包含压力信息的数字信号计算得到第三电极层(6)的第S小电极对应的人工皮肤外表面的压力值。

7.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,

所述第一后端电路还包括第二控制器和第一激励电极层,第一中央处理器的信号输出端与第二控制器的信号输入端相连,第二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;

所述步骤四中,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,并输出至第二控制器,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,并输出至第二控制器;

步骤五是,第二控制器将收到的温度值进一步处理后向第一激励电极层发出相应的控制信号,第二控制器将收到的压力值进一步处理后向第一激励电极层发出相应的控制信号;

本方法还包括第六步,

六、第一激励电极层发出相应的电信号并输出至所连接/安装部位的信号输入端;

(Ⅱa) 在方法二中,

所述第二后端电路还包括第三控制器和第二激励电极层,第二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二激励电极层的信号输入端相连;

所述步骤四中,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得到温度值,并输出至第三控制器,第二中央处理将步骤三得到的包含压力信息的数字信号计算得到压力值,并输出至第三控制器;

步骤五是,第三控制器将收到的温度值进一步处理后向第二激励电极层发出相应的控制信号,第三控制器将收到的压力值进一步处理后向第二激励电极层发出相应的控制信号;

本方法还包括第六步,

六、第二激励电极层发出相应的电信号并输出至所连接/安装部位的信号输入端。

8.根据权利要求6所述的检测压力和温度的方法,其特征在于:ⅰ、方法一中,

所述第一后端电路还包括第二控制器、第二多路调制器和第一激励电极层;

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;

所述第一中央处理器的信号输出端与第二控制器的信号输入端相连,第二控制器的控制信号输出端与第二多路调制器的信号输入端相连,第二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;

所述步骤四中,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第一电极层(2)的第M(1≤M≤N1)小电极对应的人工皮肤附近的温度值,并输出至第二控制器,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第三电极层(6)的第S(1≤S≤N2)小电极对应的人工皮肤外表面的压力值,并输出至第二控制器;

步骤五是,第二控制器将收到的温度值进一步处理后向第二多路调制器发出相应的控制信号,第二控制器将收到的压力值进一步处理后向第二多路调制器发出相应的控制信号;

本方法还包括第六步和第七步,

六、第二多路调制器将步骤五收到的控制信号解调之后,将与温度相关的电信号输出至与第一电极层(2)的第M小电极对应的第M1(1≤M1≤N3)小激励电极层单元,将与压力有关的电信号输出至与第三电极层(6)的第S小电极对应的第S1(1≤S1≤N3)小激励电极层单元;

七、第M1小激励电极层单元、第S1小激励电极层单元分别发出相应的电信号并输出至各自所连接/安装部位的信号输入端;

ⅱ、方法二中,

所述第二后端电路还包括第三控制器、第三多路调制器和第二激励电极层;

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;

所述第二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三多路调制器的信号输入端相连,第三多路调制器的信号输出端分别与N4个小激励电极层单元的信号输入端相连;

所述步骤四中,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得到第一电极层(2)的第M(1≤M≤N1)小电极对应的人工皮肤附近的温度值,并输出至第三控制器,第二中央处理将步骤三得到的包含压力信息的数字信号计算得到第三电极层(6)的第S(1≤S≤N2)小电极对应的人工皮肤外表面的压力值,并输出至第三控制器;

步骤五是,第三控制器将收到的温度值进一步处理后向第三多路调制器发出相应的控制信号,第三控制器将收到的压力值进一步处理后向第三多路调制器发出相应的控制信号;

本方法还包括第六步和第七步;

六、第三多路调制器将步骤五收到的控制信号解调之后,将与温度相关的电信号输出至与第一电极层(2)的第M小电极对应的第M2(1≤M2≤N4)小激励电极层单元,将与压力有关的电信号输出至与第三电极层(6)的第S小电极对应的第S2(1≤S2≤N4)小激励电极层单元;

七、第M2小激励电极层单元、第S2小激励电极层单元分别发出相应的电信号并输出至各自所连接/安装部位的信号输入端。