一种基于电致发光原理的物体表面纹理识别装置

技术领域

本发明涉及传感器技术领域的一种物体表面纹理识别传感器，特别是涉及一种基于电致发光原理的按压式物体表面纹理识别装置。

背景技术

柔性触觉传感器是一种基于柔性材料制造的触觉传感器，能够实现对物体表面纹理、质地、硬度等信息的感知和反馈。相比于传统的刚性触觉传感器，柔性触觉传感器具有更好的柔软性和可塑性，能够更好地适应不同形状的物体表面，并且能够减少对被测物体的损伤。柔性触觉传感器的背景源于机器人、智能终端等设备对于环境感知和控制的需求。在机器人领域，柔性触觉传感器能够为机器人提供更为精准的触觉反馈，从而使其能够更好地感知与理解环境，在极端条件下执行更加复杂的任务。

目前，物体表面纹理的识别可采用机器视觉技术，通过对采集到的物体表面形貌图片进行图像分析，进而得到物体表面纹理的特征数据。但是，光照条件是影响机器视觉识别准确度的一个重要因素。例如，当物体表面的纹理非常浅或光照不足时，图像中的纹理信息可能会被模糊，从而导致识别错误。为了克服这些问题，基于触觉传感原理的物体表面纹理识别方法被广泛研究和关注。目前，大部分具有物体表面纹理识别功能的触觉传感器为基于滑动的触觉传感器，此项技术的一个主要问题是它会对传感器本身和被测物体表面产生磨损，从而影响传感器寿命和精度。此外，大部分触觉传感器所获得的原始信号需要进行后续数据处理之后，才能得到物体纹理特征的识别结果，缺乏直观性。

发明内容

为了解决现有物体表面纹理识别装置采用按压滑移这一工作方式对装置的磨损，同时解决识别装置原始信号直观性差的问题，本发明提出了一种基于电致发光原理的物体表面纹理识别装置，通过与物体表面接触过程中离子凝胶微结构的变形，利用离子凝胶的双电层效应，实现对物体表面纹理的直观显示，该发明可结合机器视觉算法，实现对物体表面纹理的可视化，同时减少因滑移对识别装置的磨损，具有被广泛应用于机械手感知等领域的潜力。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：

本发明由ITO电极、发光层、微结构离子层和柔性电极上下层叠布置组成，ITO电极与柔性电极均与外部电源电连接。

所述微结构离子层的一面为光滑面，另一面为微结构面，微结构离子层的微结构面与发光层接触，光滑面与柔性电极紧密贴合。

所述ITO电极、微结构离子层和柔性电极均为透明或高透光率材料。

所述发光层采用如下方法制备而成：

步骤一：将丙酮、聚偏氟乙烯、发光粉末、纳米陶瓷颗粒钛酸钡加入至容器中，搅拌后，得到均匀的乳白色溶液；

步骤二：将乳白色溶液旋涂于基底表面，在80℃下加热固化，将固化后的乳白色溶液作为获得发光层。

所述丙酮、聚偏氟乙烯、发光粉末、纳米陶瓷颗粒钛酸钡的重量比范围为5:1:1.2:0.8-5:1:1:1。

所述微结构离子层通过如下方法制备而成，包括以下步骤：

步骤一：将硅胶的A、B组分混合均匀后获得混合液，放在真空箱中，对混合液抽真空，直至混合液中无气泡溢出；

步骤二：在砂纸上均匀刮涂真空处理后的混合液，并在60℃下加热固化，完全固化后，将其揭下，得到具有微结构的硅胶模具；

步骤三：在硅胶模具上均匀刮涂离子凝胶溶液，并在80℃下加热固化后，再从硅胶模具取出获得微结构离子层。

所述离子凝胶溶液通过如下方法制备而成：

步骤一：向二甲基乙酰胺中加入热塑性聚氨酯弹性体，并搅拌，使热塑性聚氨酯弹性体充分溶解于二甲基乙酰胺中，获得DMAC-TPU溶液；

步骤二：将与热塑性聚氨酯弹性体等重量的EMIM TFSI离子液溶解于DMAC-TPU溶液中，并搅拌，获得离子凝胶溶液。

所述柔性电极采用如下方法制备而成：

步骤一：将PEDOT:PSS溶液过滤，获得过滤后的PEDOT:PSS溶液；

步骤二：将过滤后的PEDOT:PSS溶液与非离子型水系聚氨酯以质量比范围1:1-4:1混合，搅拌10min后获得均质溶液；

步骤三：向二甲基乙酰胺中加入热塑性聚氨酯弹性体，加热搅拌后获得DMAC-TPU溶液，将DMAC-TPU溶液旋涂于玻璃基底上，80℃条件下加热固化，获得TPU薄膜；

步骤四：将均质溶液旋涂于TPU薄膜上，80℃条件下加热固化，获得柔性电极。

所述二甲基乙酰胺与热塑性聚氨酯弹性体的重量比范围为6:1-8:1。

本发明的有益效果为：

本发明通过在离子凝胶层的一侧设计微结构，利用离子凝胶的双电层效应，将基于表面微结构的离子凝胶与基于无机电致发光材料的发光层串联，设计了一种可应用于物体表面纹理感知的可视化装置。在与目标物体表面接触的过程中，该装置在物体表面突起纹理的压力作用下，局部受压，该处离子层的微结构受压变形，增加了发光层与微结构离子层的接触面积。根据离子凝胶双电层效应，离子聚集于发光层与微结构离子层的接触面，从而受压处发光层两侧场强增强，局部发出荧光，进而映射出物体表面纹理特征。

本发明通过在物体表面纹理识别装置的一侧，将柔性材料作为电极的设计，允许所制备的物体表面纹理识别装置在与物体表面接触的过程中产生相应的形变，并在形变处发出荧光，进而直观地映射出物体表面纹理特征。将该装置与视觉采集系统相结合，采用机器视觉相关算法，能够实时并且直观地提取物体表面纹理识别结果。

此外，本发明通过结合高集成化的电荷耦合器件(Charge-Coupled Device,CCD)相机获取接触区域的高分辨率图像信息，并将所获得的传感信息处理直接交由上位机完成，而不需要在物体表面纹理识别装置上布置复杂的线路以处理获得的信号。并且，随着机器视觉技术的快速发展，从物体表面纹理识别装置提取的信息能够被深度挖掘，从而为机械手的灵巧操作提供大量的感知数据。

附图说明

图1为本发明一种基于电致发光原理的物体表面纹理识别装置的结构示意图；

图2为本发明中发光层的内部成分示意图；

图3为本发明所涉及的发光原理图；

图4为本发明中微结构离子层的SEM显微图像；

图中：ITO电极1，发光层2，微结构离子层3，柔性电极4，引线5，发光粉末6，发光层柔性基底7，纳米陶瓷颗粒钛酸钡8。

具体实施方式

本发明提供一种基于电致发光原理的物体表面纹理识别装置及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案以及效果更加明确清楚，以下对本发明作进一步详细说明。应当注意，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，本发明由ITO电极1、发光层2、微结构离子层3和柔性电极4上下层叠布置组成，ITO电极1与柔性电极4均通过引线5与外部电源电连接。引线5由漆包线制成。

微结构离子层3的一面为光滑面，另一面为微结构面(具体是微凸起结构阵列面)，微结构离子层3的微结构面与发光层2接触，光滑面与柔性电极4紧密贴合。

如图2所示，本发明实施例提供一种基于电致发光原理的物体表面纹理识别装置，包括发光层，其中，发光层2以PVDF为聚合物基底，包括电致发光粉末(ZnS:Cu)6以及纳米陶瓷颗粒钛酸钡8，发光粉末(ZnS:Cu)6在交流电压驱动下发射出蓝色荧光。本实施例将发光粉末(ZnS:Cu)6与纳米陶瓷颗粒钛酸钡8按照重量比1.2:0.8的比例掺杂。由于发光粉末(ZnS:Cu)6的颗粒直径是纳米陶瓷颗粒钛酸钡8直径的约200倍，将纳米陶瓷颗粒钛酸钡8掺杂在发光粉末(ZnS:Cu)6中能够显著提高发光层的致密度，并且使发光层中电场强度增加，进而提高发光强度。

如图3所示，本发明实施例提供一种基于电致发光原理的物体表面纹理识别装置，在供电电压下，底层柔性电极4接负极，进而微结构离子层3中正离子向下表面聚集，负离子向上侧微结构表面聚集。微结构离子层3的微结构面利用砂纸的磨砂面制备而成，所以具有同样形态的微结构。在与目标物体表面接触的过程中，该装置在物体表面突起纹理的压力作用下，局部受压，该处离子层的微结构受压变形，增加了发光层与微结构离子层的接触面积。根据离子凝胶双电层效应，离子聚集于发光层与微结构离子层的接触面，从而受压处发光层两侧场强增强，局部发出荧光，进而映射出物体表面纹理特征。

下面通过具体的实施例对本发明作进一步地说明。

如图1所示，本实施例中一种基于电致发光原理的物体表面纹理识别装置依次由ITO电极1、发光层2、微结构离子层3、柔性电极4依次采用层叠式的方式组合而成，柔性电极4为基于PEDOT:PSS溶液与非离子型水系聚氨酯的透明电极，发光层由发光粉末(ZnS:Cu)6与纳米陶瓷颗粒钛酸钡8掺杂在聚合物PVDF所组成，微结构离子层3为经过表面微结构处理的离子凝胶层，微结构离子层的扫描电镜照片如图4所示，从图4可知，微结构阵列呈离散状分布，大小尺度为微米级别。

本实施例中柔性电极的制备方法如下：

步骤一：将PEDOT:PSS溶液通过0.45um孔径过滤器过滤，用于去除溶液中沉淀物，获得过滤后的PEDOT:PSS溶液；

步骤二：将过滤后的PEDOT:PSS溶液与非离子型水系聚氨酯WPU以质量比范围1:1-4:1混合，搅拌10min后获得均质溶液；

步骤三：向二甲基乙酰胺中加入热塑性聚氨酯弹性体，加热搅拌12h后获得DMAC-TPU溶液，其中，二甲基乙酰胺与热塑性聚氨酯弹性体的重量比范围为6:1-8:1。将DMAC-TPU溶液旋涂于玻璃基底上，80℃条件下加热固化4h，获得TPU薄膜；

步骤四：将均质溶液旋涂于TPU薄膜上，80℃条件下加热固化4h，获得柔性电极4。

本实施例中发光层的制备方法如下：

步骤一：将丙酮、聚偏氟乙烯PVDF、发光粉末ZnS:Cu、纳米陶瓷颗粒钛酸钡按照重量比范围为5:1:1.2:0.8-5:1:1:1加入至容器(如烧杯)中，再将容器转移至磁力搅拌机上搅拌2h后，得到均匀、略微粘稠的乳白色溶液；纳米陶瓷颗粒钛酸钡的介电系数为780，为高介电材料。

步骤二：以玻璃片为基底，将乳白色溶液旋涂于基底表面，将经过旋涂的载有乳白色溶液的基底转移至加热台上，在80℃下加热固化1h，将固化后的乳白色溶液作为获得发光层，即将发光层从基底上取下后获得的。

本实施例可以通过调节发光粉末(ZnS:Cu)6以及纳米陶瓷颗粒钛酸钡8的比例，来改变发光强度。

本实施例中离子凝胶溶液通过如下方法制备而成：

步骤一：向二甲基乙酰胺DMAC中加入热塑性聚氨酯弹性体TPU，并转移至磁力搅拌器上搅拌12h，其中，二甲基乙酰胺与热塑性聚氨酯弹性体的重量比为6:1-8:1。使热塑性聚氨酯弹性体充分溶解于二甲基乙酰胺中，获得DMAC-TPU溶液；

步骤二：将与热塑性聚氨酯弹性体等重量的EMIM TFSI离子液溶解于DMAC-TPU溶液中，并转移至磁力搅拌器上搅拌3h，获得离子凝胶溶液。

本实施例中微结构离子层的制备方法如下：

步骤一：将硅胶Ecoflex 00-30的A、B组分混合均匀后获得混合液，放在真空箱中，在-0.1MPa负压环境下对混合液抽真空3min，直至混合液中无气泡溢出；

步骤二：使用刮刀在300目砂纸上均匀刮涂真空处理后的Ecoflex 00-30混合液，并转移至加热台在60℃下加热固化30min，待Ecoflex 00-30完全固化后，将其揭下，得到具有微结构的硅胶模具；

步骤三：通过刮刀在硅胶模具上均匀刮涂厚度2mm的预先制备好的离子凝胶溶液，并转移至加热台在80℃下加热固化6h后，再从硅胶模具取出获得微结构离子层。

本实施例可以通过调节离子液[EMIM][TFSI]的含量来提高单位体积中的自由离子数量，从而增加离子凝胶的导电能力，进而增加物体表面纹理识别装置的灵敏性。但是若加入过多的离子液[EMIM][TFSI]，会影响离子凝胶的透明度及成膜效果，影响物体表面纹理识别装置的直观性。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。