一种增强型混合纳米发电机及人机交互系统论文和设计-夏国廷

全文摘要

本实用新型公开了一种增强型混合纳米发电机及人机交互系统。其中增强型混合纳米发电机包括顶部和底部的金层和铝层电极，摩擦‑压电复合电极层单体；摩擦‑压电复合电极单体采用氧化锌‑聚偏氟乙烯与聚四氟乙烯通过氟化乙烯丙烯薄膜耦合。将单体进行并联连接，形成多层复合电极。人机交互系统包括纳米发电机信号采集模块，信号处理模块和控制器模块。控制器模块将采集到的电压信号经过处理转化为机器人伺服电机控制信号，使得机器人对人体动作进实时还原。通过对伺服电机信号、人体采集信号、机器人反馈信号进行对比分析与训练优化，提高人机交互的准确度。本实用新型提出的人机交互系统电路简单，信号采集准确度与控制精度较高。

主设计要求

1.一种增强型混合纳米发电机及人机交互系统，其特征在于包括：顶部和底部的正、负电极层，摩擦-压电复合电极层单体；其中，所述顶部和底部电极层采用电子束沉积法来沉积得到厚度为200μm的金层和铝层；所述摩擦-压电复合电极单体采用氧化锌-聚偏氟乙烯纳米复合薄膜与聚四氟乙烯薄膜耦合，将摩擦-压电复合电极层单体进行并联连接，形成多层复合电极，增强摩擦和压电输出性能；所述人机交互系统包括纳米发电机信号采集模块，信号传输与处理模块，控制器模块；其中控制器模块主要是实时仿真控制系统。

设计方案

1.一种增强型混合纳米发电机及人机交互系统，其特征在于包括：顶部和底部的正、负电极层，摩擦-压电复合电极层单体；其中，

所述顶部和底部电极层采用电子束沉积法来沉积得到厚度为200μm的金层和铝层；所述摩擦-压电复合电极单体采用氧化锌-聚偏氟乙烯纳米复合薄膜与聚四氟乙烯薄膜耦合，将摩擦-压电复合电极层单体进行并联连接，形成多层复合电极，增强摩擦和压电输出性能；

所述人机交互系统包括纳米发电机信号采集模块，信号传输与处理模块，控制器模块；其中控制器模块主要是实时仿真控制系统。

2.根据权利要求1所述的增强型混合纳米发电机及人机交互系统，其特征在于，各摩擦-压电复合电极层单体之间采用经过热压工艺处理后形成的氟化乙烯丙烯驻极体薄膜形成与顶部电极的气隙；所述的氧化锌-聚偏氟乙烯纳米复合薄膜、聚四氟乙烯薄膜、氟化乙烯丙烯薄膜均采用静电纺丝设备进行制备，氧化锌纳米柱采用水热法生长。

3.根据权利要求1所述的增强型混合纳米发电机及人机交互系统，其特征在于，人机交互系统包括的纳米发电机信号采集模块中，各采集点的器件均采用柔性平板结构，通过人体采集点的纳米发电机感应部件将人体的动作产生的压力转换成压力信号输出，控制器通过预先存储的动作指令进行信号的识别与伺服电机信号的发送，机器人进行人体动作的还原；控制器将人体信号监测数据、机器人信号监测数据和机器人伺服电机反馈值进行数据对比分析，优化闭环控制策略，提高人机交互中动作跟踪的精度。

设计说明书

技术领域：

本实用新型涉及发电机领域，涉及一种混合型纳米发电机及其人机交互系统。

背景技术：

纳米发电机是一种新兴的柔性器件，在微电能系统和柔性传感方面有很大的潜力。在智能穿戴设备领域，纳米发电机有了一定应用，例如可穿戴智能手环，便携式GPS定位仪，智能多功能运动鞋等。一方面可以实现能源方面的综合利用，实现了低碳环保的发电理念；另一方面可以实现特殊环境中的应急供电，弥补了常规器件在极限环境下不能工作的缺陷。

人机交互是现在人工智能发展的重要环节，也是人与智能机器人之间的桥梁。在人机交互中，传感器提供的反馈信息是闭环系统中的关键部分。现在的传感器大多是传统传感器，主要是靠一些典型的电气参数来进行信号的采集，这在特种环境和极端环境中的信息反馈受到了很大的限制。

实用新型内容：

针对上述问题，提出了本实用新型，以便于提供一种解决上述问题或者部分解决上述问题的增强型混合纳米发电机及人机交互系统。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种增强型混合纳米发电机，所述的纳米发电机设置于活动关节位置处，所述增强型混合纳米发电机包括：顶部和底部的正、负电极层，摩擦-压电复合电极层单体；其中顶部和底部电极层采用电子束沉积法来沉积得到厚度为200μm的金层和铝层，使用银膏将铜线连接到金属电极上；摩擦-压电复合电极单体采用氧化锌-聚偏氟乙烯纳米复合薄膜与聚四氟乙烯薄膜耦合。将摩擦-压电复合电极层单体进行并联连接，形成多层复合电极，增强摩擦和压电输出性能。

当混合纳米发电机受到外力作用时，各摩擦-压电复合电极单体内部发生摩擦运动或弯曲产生形变，使得摩擦-压电混合纳米发电机的输出电极同时输出摩擦电信号和压电信号。

进一步，摩擦-压电复合电极层单体均采用柔性平板结构。

进一步，氧化锌-聚偏氟乙烯的制备采用水热法生长氧化锌纳米柱，采用手持静电纺丝装置制造氧化锌-聚偏氟乙烯纳米复合薄膜。

进一步，摩擦-压电复合电极单体层间设置有氟化乙烯丙烯优异空间驻极体凹凸结构，驻极体凹凸结构与顶部电极之间保持一定的气隙。

第一层纳米发电机单体顶部与外部金属输出正电极相连，最后一层纳米发电机的底部与外部金属输出负电极相连。

根据本实用新型的另一个方面，提供了一种人机交互系统，其中包括：纳米发电机信号采集模块，信号传输与处理模块，控制器模块。

其中纳米发电机信号采集模块包括人体动作信号采集部件和机器人动作信号采集模块。

进一步，人体动作采集模块包括分布于身体活动关节的6组采集点，主要包括：肩部采集点、肘部采集点、手腕部采集点，腰部采集点、膝盖关节采集点、鞋底采集点；机器人动作采集模块对应于人体同样的位置有6组采集点作为动作的反馈信号监测。

信号传输与处理模块包括信号预处理模块与无线信号传输模块；其中，信号预处理模块主要对采集点采集到的压力输出信号进行预处理；

无线信号传输模块与信号预处理模块相连，将信号预处理模块输出的压电信号发送至控制器设备。

控制器模块包括实时仿真系统41；其中实时仿真系统41内部包含有存储器模块、信号处理模块、数模转换模块、信号放大器模块，数据处理模块。

进一步，对各动作信号进行编码，将压力信号与对应的动作进行识别与预存储。机器人根据无线信号接收模块得到的压电信号识别人体的动作，根据各关节采集点形成的信号流进行人体动作的实时还原。

进一步，机器人关节点检测信号通过无线信号收发模块发送到控制器，进而人体信号监测数据、机器人信号监测数据和机器人舵机反馈值进行数据对比。根据对比结果，通过闭环控制进行舵机输出控制，提高机器人动作还原的准确度。

根据本实用新型提供的一种增强型混合纳米发电机及人机交互系统，当纳米发电机收到外力发生摩擦或压力时，输出电极会同时得到摩擦电信号和压电信号，多纳米发电机单体进行并联增强了输出性能。通过人体采集点的纳米发电机感应部件将人体的动作产生的压力转换成压力信号输出，控制器通过预先存储的动作指令进行信号的识别与伺服电机信号的发送，机器人进行人体动作的还原，反馈的伺服电机值与纳米发电机信号采集值进行对比，通过闭环控制，提高机器人动作跟踪的准确度。

本实用新型提供的一种增强型混合纳米发电机及人机交互系统，可以实现人体动作的3D空间实时还原。采用控制器进行信号的处理与动作控制，信号采集准确度和分辨率较高，避免了复杂的电子电路铺设，是一种高精度的人机交互系统。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了更清楚了解本实用新型的技术手段，以下特举本实用新型的具体实施方式。

附图说明:

图1为本实用新型所述纳米发电机结构示意图。

1—沉积铝层；2—聚四氟乙烯层；3—沉积金层；4—氧化锌-聚偏氟乙烯层；

5—氟化乙烯丙烯驻极体层

图2为本实用新型所述纳米发电机有限元分析。

图3为本实用新型所述纳米发电机柔性传感器的设置方式示意图。

31—粘扣带；32—纳米发电机柔性传感器；33—感应服饰块

图4为本实用新型所述人机交互系统示意图。

图5为本实用新型所述人体关节信号采集模块分布图。

图6为本实用新型所述机器人关节信号采集模块分布图。

图7为本实用新型所述实施例中人体肩部动作时的人机交互系统示意图。

具体实施方式：

下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

图1所示为本实用新型所述纳米发电机结构示意图，如图1所示，该增强型混合纳米发电机包括沉积铝层1；聚四氟乙烯层2；沉积金层3；氧化锌-聚偏氟乙烯层4；氟化乙烯丙烯驻极体层5。

其中沉积铝层1和沉积金层3是为了制作电接触点，分别在聚四氟乙烯层2的上部使用电子束蒸发沉积厚度为100nm的铝层，在氧化锌-聚偏氟乙烯层4的上下层使用电子束蒸发沉积厚度为75nm的金层，然后使用银膏将铜线连接到金属电极上。沉积在聚四氟乙烯层上的铝层和沉积在氧化锌-聚偏氟乙烯层上部的金层通过连接线6和7连接到馈入桥式整流器A，利用纳米发电机的压电性能输出压电信号。沉积在氧化锌-聚偏氟乙烯层上部和下部的金层通过连接线7和8连接到馈入桥式整流器B，利用摩擦电性能输出摩擦电信号。将9层纳米发电机单体的相同电极层进行并联连接，形成级联信号输出。纳米发电机均采用柔韧材料形成，以便于贴合到服饰上

氟化乙烯丙烯驻极体层5是一种长期稳定的优异空间驻极体，首先将驻极体薄膜切成4cm×4cm的正方形，随后通过热压工艺处理驻极体薄膜，形成180μm的薄膜，最大700μm的周期性规则凸结构，这样保持了驻极体薄膜与顶部电极的空隙，随着气隙距离的增加转移电荷密度会急剧上升，当气隙达到600μm左右时转移电荷密度变化达到平缓。通过耐久性测试，可以表明该结构可以达到高度的稳定发电。

其中，摩擦-压电复合电极层单体均采用柔性平板结构。氧化锌-聚偏氟乙烯的制备采用水热法生长氧化锌纳米柱，采用手持静电纺丝装置制造氧化锌-聚偏氟乙烯纳米复合薄膜。

图2所示为增强型混合纳米发电机的有限元仿真图。由图2可知，在混合纳米发电机弯曲60度并且受到一定的摩擦时，中部最高电压可达到60V，两侧由于一定的边缘效应电压可达到70V。弯曲角度较小的部分电压逐步降低，端点处电压几乎为0V。对纳米发电机进行压电和摩擦电输出性能进行测试，可以得出压电效应在一定范围电荷分布较为均匀，摩擦电在一定范围内分布不均，但是摩擦产生的电荷密度和开路电压比较大。

纳米发电机从柔性传感器在人体和机器人上的设置方式采用与服饰经纬编制的方式进行。其中两端连接方式采用粘扣带31，宽度与编制单元块一致。每一个感应服饰块33至少对应于一个纳米发电机传感器块32，纳米发电机传感器块32将压力转化为压电信号输出，信号处理模块与纳米发电机传感器块32连接，对输出的信号进行处理与识别，并将处理后的信号发送到机器人控制器42。

图4所示为本实用新型所述人机交互系统结构图。如图4所示，采集类型分为两部分，人体信号采集区域和机器人信号采集区域。所述人体信号采集区域，包含有图5所示的6组采集块，分别为：肩部采集块，手肘部采集块，手腕部采集块，腰部采集块，膝盖部采集块，脚步采集块。对应于机器人采集块如图6所示，在同样的位置进行反馈信号的采集。

为了提升人体的体感舒适度，信号采集模块中纳米发电机的固定部件和连接线均采用柔性器件和柔性连接，这也使得采集信号更加符合人体的动作变化。

其中，数据传输与处理模块包括信号预处理模块与无线信号传输模块；其中，信号预处理模块主要对采集点采集到的压力输出信号进行预处理；无线信号传输模块与信号预处理模块相连，将信号预处理模块输出的压电信号发送至控制器设备。

控制器模块包括实时仿真系统41；其中实时仿真系统41内部包含有存储器模块、信号处理模块、数模转换模块、信号放大器模块、控制器与仿真模块。

进一步，机器人关节点检测信号通过无线信号收发模块发送到dSPACE控制器，进而人体信号监测数据、机器人信号监测数据和机器人伺服电机反馈值进行数据对比。根据对比结果，通过闭环控制进行伺服电机输出控制，提高机器人动作还原的准确度。

当人体肩部弯曲时，图5中的位置1处的混合纳米发电机会发生同等程度上的弯曲，混合纳米发电机的正电极会产生一定的电压输出信号，其中包含压电输出信号和摩擦输出信号，经过图1中的A和B整流器进行信号处理之后，会产生较为稳定的混合输出电压信号。实时仿真系统41接收到输出信号进行分析处理，与预先存储的信号与动作关系进行信号的编码。在某一电压阈值范围内，进行相应动作的电压输出。机器人控制器42将信号传送到伺服电机控制模块，将相应的伺服电机输出值转化为转动作信号，使得机器人动作。另一方面，伺服电机的动作信号作为反馈值发送到实时仿真系统41。机器人动作之后，图6位置1处附着的混合纳米发电机监测模块同样发生一定的弯曲，经过信号处理之后，产生的反馈电压信号同样反馈到实时仿真系统41。

其中人体信号监测数据与机器人信号监测数据比较，可以得出人机交互系统中纳米发电机在不同的附着体上面发电效率与检测效率；机器人信号监测数据与机器人伺服电机反馈值数据进行比较，可以得出动作跟踪的准确性，根据偏差调整纳米发电机系统的固定位置，优化控制系统中伺服电机控制策略与控制机制。

以上列举的仅是本实用新型的具体实施例子，当然本领域的技术人员可以对本实用新型进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本实用新型的保护范围。

设计图

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