用于窥镜机器人的柔性传感器及其应用的利记博彩app

本发明涉及一种仿生传感器，特别涉及一种用于窥镜机器人的柔性传感器及窥镜机器人，属于传感器及人机交互技术领域。

背景技术：

二十世纪九十年代起，国际先进机器人计划(IARP)已召开过多届医疗外科机器人研讨会DARPA己经立项，开展基于遥控操作的外科研究，用于战伤模拟手术、手术培训、解剖教学。欧盟、法国国家科学研究中心也将机器人辅助外科手术及虚拟外科手术仿真系统作为重点研究发展的项目之一。在发达国家已经出现医疗外科手术机器人市场化产品，并在临床上开展了大量的病例应用研究。随着科学技术的发展,特别是计算机技术的发展,医用机器人在临床中的作用越来越受到人们的重视。外科手术辅助导航系统作为外科医生的第三只眼,可以让手术医师看到手术部位的内部结构,避免了因医生经验不足而造成的手术失误,使手术更安全、更可靠、更精确、更科学,具有极其广阔的应用前景。现在，它已经成功地应用到神经外科、整形外科、泌尿科、脊椎、耳鼻喉科、眼科、膝关节切除以及腹腔镜等众多领域中。受到医生和患者的普遍欢迎,是医疗外科机器人发展的必然趋势。

随着人们研究领域的不断扩大，越来越多的人开始意识到，传统的刚性机器人在完成一些复杂工作时难以达到要求，所以人们将目光转向具有柔性的机器人，试图在机器人上加入柔性传感器以完成特定的工作，尤其在仿生机器人上，柔性的加入更是其区别与传统工业机器人的亮点。而且，饮食结构改变、环境污染、精神压力等因素对人类的健康产生了消极影响，许多人遭受胃炎、肠道炎以及肠道癌等肠道疾病的困扰。作为定性诊断和治疗肠胃疾病的医疗器械，内窥镜在人体肠胃性病变的诊断方面具有重要价值。然而，传统窥镜不具备感知能力，无法判别碰壁的方向和应力的大小，以至于探头无法通过、损伤肠胃组织甚至出现“穿孔”事故，造成病人不适和痛苦。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种用于窥镜机器人的柔性传感器及其应用。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明的一实施方案之中提供了一种用于窥镜机器人的柔性传感器，其包括柔性敏感层，所述柔性敏感层的上、下端面上分别形成有上、下电极层，并且所述柔性敏感层的上、下端面中的至少一者具有非平面结构，同时所述柔性敏感层与上电极层或下电极层之间还设置有柔性支撑层，所述柔性敏感层与柔性支撑层的厚度之和小于70μm。

较为优选的，所述柔性传感器的整体厚度小于70μm。

本发明的另一实施方案之中还提供了所述柔性传感器的用途。

例如，其中一种典型的用途包括：提供了一种机器人，其包含所述的柔性传感器。

更为具体的，本发明的一实施案例中提供了一种窥镜机器人系统，其包含：

所述的柔性传感器，用以采集外界压力信号，

数据处理模块，用以接收和处理所述压力信号，并发出控制指令，

执行模块，用以接收所述控制指令，并执行相应任务，

以及，显示模块，至少用以显示所述压力信号、数据处理模块输出的分析数据、执行模块的作动状态中的一种或两种以上的组合。

其中，所述柔性传感器与数据处理模块之间还可连接有滤波模块、信号放大模块、A/D转换模块中的任一种或两种以上的组合。

与现有技术相比，本发明的优点包括：提供的柔性传感器具有高灵敏度、高稳定性、低检测限、低成本等特点，尤其是还具有优异的弯曲柔韧性能，易于机器人“穿戴”，能够与不同结构的机器人均良好结合，进而可有效克服传统机器人无感知能力、低灵敏度的缺陷；进一步的，由所述柔性传感器与数据处理单元、执行单元等构建的机器人，例如窥镜机器人等还可实现智能化移动、探测等操作，以及实现良好的人机智能交互，进而精确、高效、安全、舒适、实时的实现临床检测。

附图说明

图1为本发明一典型实施例中一种柔性传感器的结构示意图；

图2是本发明一典型实施例中应用所述柔性传感器的一种内窥镜机器人系统的结构框 图；

图3是本发明一典型实施例中一种柔性传感器与机器蛇的结合示意图；

图4所示结肠内窥镜机器人系统的检测信号图。

具体实施方式

本发明的一个方面提供了一种用于窥镜机器人的柔性传感器，其包括柔性敏感层，所述柔性敏感层的上、下端面上分别形成有上、下电极层，并且所述柔性敏感层的上、下端面中的至少一者具有非平面结构。

进一步的，所述柔性敏感层与上电极层或下电极层之间还设置有柔性支撑层。

优选的，所述柔性敏感层的厚度为2～50μm。

优选的，所述柔性支撑层的厚度为1～100μm。

尤为优选的，所述柔性敏感层与柔性支撑层的厚度之和小于70μm，如此可使所述柔性传感器具备与人体皮肤基本相同的柔软度，且重量轻，具有良好的可帖附性和可穿戴性，能直接与皮肤黏合。

其中，所述柔性敏感层的材料可优选为PDMS(聚二甲基硅氧烷)或其他高分子材料，例如聚苯二甲酸乙二酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩甲醛、聚乙烯中的任意一种或多种。

其中，所述柔性支撑层至少选自聚乙烯(PE)薄膜、聚氯乙烯(PVC)薄膜、聚偏二氯乙烯(PVDC)薄膜。

更为优选的，所述柔性传感器的整体厚度小于70μm。

在一实施方案之中，所述非平面结构包括复数个相对凸起部和/或相对凹下部。

例如，所述非平面结构可以包括复数个凸伸的锥体，或者也可以为圆柱体、棱柱体或其它非规则形状的凸起部。

在一典型实施方案之中，所述锥体的底面为10μm×10μm的正方形，侧面与底面的夹角为54.7°，锥体高度为7.06μm。

在其他实施例中，所述柔性敏感层上端面的形状也可以为波浪状等其他非平面结构。

其中，所述上、下电极层的材料可选自金、铂、镍、银、铟、铜、碳纳米管、石墨烯、银纳米线中的一种或多种的组合，但不限于此。

其中，所述上、下电极层可均采用纳米尺度的，例如厚度可以在100nm以下，当然也可 以依据实际需求而适当调整。

进一步的，在所述上、下电极层上还可通过粘压、焊接等方式加载引出电极，例如，厚度约0.08mm的、兼顾柔性和韧性的导电无纺布，主要由直径约0.1mm漆包线组成的，厚度约20μm且带有压敏胶粘剂的扁平铜箔胶带，厚度约10μm的柔韧超薄铜箔。

进一步的，在所述上、下电极层上还可设置保护层，其厚度优选小于10μm。

所述柔性传感器中敏感层、支撑层及电极层等的面积、厚度、固化条件等均可依据实际应用的需求而优化，使之能与不同基底很好的结合在一起，并使灵敏度达到最佳。

本发明的另一个方面提供了一种机器人，其包含所述的柔性传感器。

进一步的，本发明提供了一种窥镜机器人系统，其包含：

所述的柔性传感器，用以采集外界压力信号，

数据处理模块，用以接收和处理所述压力信号，并发出控制指令，

执行模块，用以接收所述控制指令，并执行相应任务，

以及，显示模块，至少用以显示所述压力信号、数据处理模块输出的分析数据、执行模块的作动状态中的一种或两种以上的组合。

进一步的，所述柔性传感器与数据处理模块之间还可连接有滤波模块、信号放大模块、A/D转换模块中的任一种或两种以上的组合。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，本实施例一典型实施例中的一种柔性传感器包括柔性支撑层1、形成于支撑层1上端面的柔性的敏感层2，以及分别形成于敏感层2上端面和支撑层1下端面的上电极层3和下电极层4。

其中，所述敏感层2的材料优选为PDMS(聚二甲基硅氧烷)。且所述敏感层2的上端面为非平面结构，其包含多个凸起的锥体21，每个锥体21的底面为为10μm×10μm的正方形，侧面与底面的夹角为54.7°，锥体高度为7.06μm。

所述支撑层1优选为高透明高柔性的超薄PE(聚乙烯)薄膜，其厚度优选为12μm。其中，所述PE薄膜既可帮助在硅晶片表面的图案化PDMS膜与模板能完整轻易分离，同时还 可作为衬底支撑下文述及的PDMS膜。

所述上电极层3和下电极层4的材料可选自金、铂、镍、银、铟、铜、碳纳米管、石墨烯、银纳米线中的一种或多种的组合。

进一步的，所述柔性传感器中支撑层1和敏感层2的整体厚度小于70μm，特别是所述柔性传感器的整体厚度小于70μm，因此也可认为是一种超薄柔性传感器。

本实施例的柔性传感器可以通过如下方法制作，包括：

S1、制作可形成非平面结构的模板

本实施例利用MEMS加工制造技术中的光刻、刻蚀等工艺制作出具有微结构的模板(优选4寸硅晶片)。先将硅晶圆表面进行洁净处理，再旋涂光刻胶、前烘、光刻、显影、后烘，最后利用刻蚀将图形转移到硅晶圆,得到具有微结构的模板，具体制备方法如下：

1、制板

通过设计论证后利用做图软件绘制图纸，单纯的增加图案的宽度和高度都有利于器件灵敏度的提高，但综合后，微图案优选为金字塔结构，塔底面为10μm×10μm的正方形，侧面与底面的夹角为54.7°，塔顶到底面的距离为7.06μm。按照图纸的尺寸去做掩模板。

2、准备4寸硅晶圆

硅晶圆采用4寸单面抛光，单面300nm热氧化SiO₂层硅晶圆，MOS级丙酮、去离子水分别超声15分钟，然后MOS级乙醇超声10分钟后吹干，接下来105℃烘干10分钟。

3、图形化光刻胶

a、甩胶：在准备好的4寸硅晶圆表面旋涂6-7μm光刻胶，优选AZ4620，预转速500rpm时间6s，旋涂转速400rpm时间30s；

b、前烘：在95℃下前烘，210s；

c、曝光：使用MA6接触式光刻机，在低真空模式下曝光24s；

d、显影：所用显影液的配比为四甲基氢氧化铵：去离子水＝1:8，显影时间95s；

e、后烘：后烘95℃，180s。

4、图形转移至硅晶圆

a、去胶：等离子体去胶机去除显影后残留的光刻胶胶膜；

b、干法刻蚀：使用反应离子刻蚀(RIE)去除图形化的SiO₂层，时间6分钟

c、湿法定向刻蚀：用30％KOH溶液在78℃下刻蚀9分钟，最终在硅晶圆表面形成反四 棱锥结构。

S2、在模板上形成敏感层

接着在模板上覆盖一种高分子聚合物(如聚二甲基硅氧烷)使之均匀形成一层很薄(优选厚度为50μm)的薄膜。

S3、在敏感层上形成一层支撑层

再在上述薄膜表面无缝无气泡(有气泡、缝隙的情况也包括在里面)地形成一层高透明高柔性的超薄PE(聚乙烯)薄膜(厚度优选为12μm)。

S4、热处理，将固化后的敏感层和支撑层从模板上剥离

再在真空加热环境下处理一段时间(优选2～3h)后等到上述液体高分子聚合物PDMS薄膜完全固化，同时和PE膜也完全融为一体，接下来把固化的高分子聚合物薄膜从硅晶片模板表面剥离下来，从而就把硅晶片模板上的微图案复形到PDMS柔性薄膜上制备出具有金字塔型微结构的薄膜，该薄膜整体厚度<70μm，

S5、分别于敏感层的上端面以及支撑层的下端面形成上电极层和下电极层各引出(如粘压、焊接等，本发明优选粘压)，一条柔性电极(如约0.08mm厚兼顾柔性和韧性的导电无纺布，直径约0.1mm漆包线组成的、约20μm厚且带有压敏胶粘剂的扁平铜箔胶带，柔韧超薄(10μm厚)的铜箔，优选柔韧的、约0.08mm厚的导电无纺布)。

最后覆盖一层薄(厚度<10μm)保护层(优选PDMS)。

再请参阅图2所示是利用该柔性传感器构建的一种结肠内窥镜机器人系统，其包括柔性传感器A、执行模块B、数据处理模块C和显示模块D，该系统可以通过传感器感知、信号发射、信号处理及反馈、命令及执行过程，实现窥镜机器人的智能化移动、探测等操作。

更具体的，在工作时，柔性传感器用以采集外界的压力信号；数据处理模块对采集的压力信号进行分析处理，并下达操作命令，执行模块执行任务。

其中，前述各模块可组成闭环系统，以提高机器人系统控制精度。另外，在该系统中还可包含有线和/或无线通信模块，实现人机的本地、远程智能交互。

更进一步的，所述柔性传感器可以结合在窥镜机器的机器蛇上，通过所述传感器中敏感材料采集的信号发射到数据处理模块(控制系统)上，控制系统即可做出反馈，指示机器人下一步的操作程序，而经过滤波、放大、A/D转换等电路处理后的信号还可以发射到终端显示仪上，根据显示器上出现振幅、频率等信号，提取碰壁面积、冲击力等特征性参数信息， 进而分析得到更有效的数据。

请参阅图3，将该柔性传感器件贴附在机器蛇(执行模块)上，连接好电路，加上一个小电压(优选2-5V)通过敏感材料采集的信号发射到控制器上，控制系统即可做出反馈，指示机器蛇下一步的操作程序。而经过滤波、放大、A/D转换等电路处理后的信号还可以发射到终端显示仪(显示模块)上，根据显示器上出现振幅、频率等信号，提取碰壁面积、冲击力等特征性参数信息，进而分析得到更有实战性的数据。请参阅图4是“穿衣”机器人在受到不同大小压力下的信号曲线。

本发明将柔性传感器用于结肠内窥镜机器人，可以结合人体结肠弯曲模型和压力传感器的输出信号，为机器人位置控制提供反馈信息，构建位置闭环系统，提高机器人位置控制精度，从而实现对人体结肠的无痛、无创检查和微创治疗等人机交互操作过程。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。