CN100552398C

CN100552398C - 智能机器人的触觉传感服装

Info

Publication number: CN100552398C
Application number: CNB2005100573112A
Authority: CN
Inventors: 秦岚; 李青; 潘英俊; 孙先逵; 刘颖
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2025-09-30
Also published as: CN1940513A

Abstract

一种智能机器人的触觉传感服装。它由穿戴在智能机器人身上的服装本身和安置在该服装上的触觉传感装置构成。其触觉传感装置包括各电极触点一一对应的、其中一个的电极触点为行排列阵列而另一个为列排列阵列的上下两块薄膜电极板。在下薄膜电极板的每一电极触点上通过导电粘接剂粘贴有一块厚度相等的具有压阻特性的导电橡胶；在两块薄膜电极板之间衬垫有一块其上有与导电橡胶对应的孔眼、该孔眼把各导电橡胶套住并把相邻的分隔开的、其厚度比导电橡胶的厚度厚0.05mm～0.10mm的绝缘薄膜隔衬。进一步讲，该触觉传感装置还有同时也可作机器人服装材料的保护层。本发明具有成本低廉、检测面积大、测试灵敏度高；很好的柔韧性、受冲击时不易损坏的优越性。

Description

智能机器人的触觉传感服装

技术领域

本发明涉及智能机器人的触觉传感装置，具体涉及到穿戴在智能机器人身上的触觉传感装置。

背景技术

在一些涉及人体的冲撞试验(例如，载人汽车的冲撞试验)中、或者其他可能对人体造成伤害的有接触压力的试验中，为避免真人的身体受到伤害，人们往往会利用具有相应感知能力的智能机器人来代替人体进行试验。为此，人们要在智能机器人的相关部位上安装若干感应压力大小的触觉传感装置。通过这些触觉传感装置，检测出人体可能受到冲撞的部位和对这些部位的冲撞力的大小，从而为改进产品(例如，载人汽车)的设计提供依据。在迄今为止提出的智能机器人触觉传感方法及其装置中，有的利用PVDF膜压电效应获得电信号、有的利用超声波或压力引起电容变化而获得电信号、还有利用机械开关、光波导等来获得电信号。在现有的这些传感方法及其装置中，有两个共同的不足：一是这些传感装置中的触觉敏感单元的成本较高，若要对人体所有需要关心的部位均对应地安装上这些传感装置中的触觉敏感单元的话，就必须增加很多相同或不同的触觉敏感单元。这样一来，其试验成本就大幅度地增加了。所以，现有的触觉传感装置的触觉感应部分的面积均太小。若把成本放在次要位置、用增加现有的触觉敏感单元的数量来增大相应的触觉感应部分面积的话，第二个不足是该较大面积的触觉感应部分的柔韧性又比较差。

发明内容

本发明的目的是，针对现有技术的不足，提供一种成本低廉、触觉感应部分的面积大、具有很好的柔韧性、并且可以穿戴在智能机器人身上的触觉传感装置。

实现所述发明目的的是，一种智能机器人的触觉传感服装。该触觉传感服装由可以穿戴在智能机器人身上的服装本身和安置在该服装上的触觉传感装置构成。其中的触觉传感装置包括各电极触点一一对应的、其中一个的电极触点为行排列阵列而另一个为列排列阵列的上下两块薄膜电极板；在靠近机器人身体的下薄膜电极板的每一电极触点上通过导电粘接剂粘贴有一块厚度相等的具有压阻特性的导电橡胶，即以该导电橡胶为核心构成一个触觉敏感单元；在两块薄膜电极板之间衬垫有一块其上有与导电橡胶对应的孔眼、且该孔眼把各导电橡胶套住并把相邻的导电橡胶隔开的、其厚度比导电橡胶的厚度厚0.05mm～0.10mm的绝缘薄膜隔衬。两薄膜电极板的引出线经由接线头引出后，再与后端处理系统相联接。

进一步的特征是，在所述上下两块薄膜电极板的外侧分别有其材料为防水布、塑料薄膜或橡胶皮的保护层；下保护层、下薄膜电极板、绝缘薄膜隔衬、上薄膜电极板和上保护层依次由柔性胶粘贴在一起；所述的导电橡胶是通过环氧导电胶粘贴在下薄膜电极板的各个电极触点上的。

更进一步的特征是，所述的保护层同时也是制作机器人服装的材料。其中，上保护层为该服装的面料、下保护层为该服装的里衬；起码在该服装的各裁片的缝头宽度范围内，仅有重叠在一起的下保护层和上保护层。

在进行接触压力(或冲撞)试验时，首先是两块薄膜电极板在其受压处压缩夹在它们之间的绝缘薄膜隔衬，在继续压缩该绝缘薄膜隔衬而使得上薄膜电极板的电极触点接触到对应的导电橡胶后，该导电橡胶就把上下两个电极触点导通了。这样，就可以通过导通的行列式阵列电极触点的点位和点数，测出该智能机器人受压的位置和面积；通过导电橡胶的压阻特性(当导电橡胶所受的压力慢慢变大时，其体积随之慢慢变小，等效于内部导电颗粒的浓度增大，从而导电橡胶的电阻变小。该特性在对数坐标中上是按一定规律变化的曲线，而且对于某一有指定导电颗粒的导电橡胶，其压阻特性曲线也随之确定)，就可以测出该智能机器人在各受压处所受压力的大小。从而取得该智能机器人受压的全部触觉信息。

与现有的触觉传感装置相比较，作为触觉敏感单元核心的导电橡胶的成本是相对低廉的一类，又由于本发明各层所用的材料均是有程度不同柔软性的薄膜，所以，不但因所用材料的成本比较低廉、仅从成本方面考虑也允许把服装上的触觉传感装置的总面积做得较大，而且，还可以把该触觉传感服装做得与智能机器人身上的曲线十分贴合。因此，本发明具有成本低廉、检测面积(即触觉感应的面积)大、测试灵敏度高、有很好的柔韧性的优点。结合所述的进一步特征，本性发明还有耐磨损、受冲击时不易损坏，可像缝制人体服装一样根据智能机器人的形体进行剪裁和缝制(或粘接)加工，穿戴于智能机器人身上能感知外力及接触物外形轮廓等优点；与相应的后端处理系统相配合，本智能机器人服装的触觉分辨率还可以根据需要调节。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1——本发明的一个触觉敏感单元的剖面示意图

图2——一种8×8阵列的本发明中的上薄膜电极板

图3——与图2对应的下薄膜电极板

图4——一种3×4阵列的本发明的分解示意图

图5——本发明的一件智能机器人衣服裁片的示意图

具体实施方式

一种智能机器人的触觉传感服装(参考图1、2、3、4)。该触觉传感服装由可以穿戴在智能机器人身上的服装本身和安置在该服装上的触觉传感装置构成。该触觉传感装置包括各电极触点一一对应的、其中一个的电极触点为行排列阵列而另一个为列排列阵列的上下两块薄膜电极板(2、3)；这两块薄膜电极板(2、3)可用现有的各种材料和工艺制作。在靠近机器人身体的下薄膜电极板2(本案称靠近机器人身体的薄膜电极板为下薄膜电极板2、离机器人身体较远的为上薄膜电极板3)的每一电极触点上通过导电粘接剂粘贴有一块厚度相等的具有压阻特性的导电橡胶20；在两块薄膜电极板(2、3)之间衬垫有一块其上有与导电橡胶对应的20孔眼231、且该孔眼231把各导电橡胶20套住并把相邻的导电橡胶20隔开的、其厚度比导电橡胶20的厚度厚0.05mm～0.10mm的绝缘薄膜隔衬23。显然，所说的导电粘接剂可用现有的、同时也满足选用者的其他要求的导电粘接剂。所述行列式阵列电极触点的数量以及疏密程度可以根据对测试结果的要求、相应的后端处理系统的性能等因素确定。既可以把服装上的触觉传感装置做成触觉敏感单元(即只包括一个导电橡胶20)的阵列数量相对较多、每一块触觉传感装置面积较大的触觉传感服装；也可以做成触觉敏感单元的阵列数量相对较少、每一块触觉传感装置面积较小的触觉传感服装，更可以根据需要，做成各块触觉传感装置面积大小不等的触觉传感服装。

本领域的技术人员看了上一自然段披露的内容和相应的说明后，已能正确地实现本发明了。故把上一自然段披露的具体实施方式作为以下各例的总述，在以下各例中与本总述相同的内容不赘述。

实施例1：

本例是在具体实施方式总述的基础上，针对薄膜电极板的制作和导电橡胶20材料的进一步举例(参考图2、3、4)。在本例中，薄膜电极板是在PB塑料薄膜上单面印刷银浆而构成相应的行列式阵列电极触点的(鉴于印刷银浆的具体工艺已为公知公用的技术，故在本例中不进一步介绍)。本例的导电橡胶20内的导电颗粒为玻璃球镀银。显然，导电橡胶20内的导电颗粒也可以是铝镀银的或者炭黑式的——根据材料来源和/或其他的要求选用。

实施例2：

本部分是在具体实施方式总述或者实施例1的基础上，针对导电橡胶20和绝缘薄膜隔衬23的几何形状及其进一步特征的介绍(参考图1、4)。具体是，各块导电橡胶20为圆饼状，绝缘薄膜隔衬23上套住它们的孔眼231为圆孔，在该导电橡胶20与孔眼231之间最少有当导电橡胶20与绝缘薄膜隔衬23均被压至最薄时、两者间仍不会发生刮擦的间隙。也就是说，当导电橡胶20在受压的状态下，引起其电阻值变化的压缩量不会受到绝缘薄膜隔衬23的干扰，增加了本发明的准确性和可靠性。在上薄膜电极板3的各电极触点处有向内凹而其相反面向外凸出的鼓泡31(采用公知的热压鼓泡技术)，该电极触点在内凹部分中心处的深度为0.05mm～0.10mm，该内凹部分的边沿直径不小于对应的绝缘薄膜隔衬23上的孔眼231。显然，该鼓泡31结构能彻底杜绝伪触觉信号的出现，进一步地提高了本发明的准确性和可靠性。

作为具体实例，各块导电橡胶20的直径取7mm、厚度取0.7mm；对应的绝缘薄膜隔衬23的厚度取0.8mm、该绝缘薄膜隔衬23上的每一孔眼231与对应的导电橡胶20间的平均间隙为0.1mm(即该孔眼231的直径为7.2mm)。在上薄膜电极板3的鼓泡31在其内凹一侧的中心深度为0.05mm、该内凹部分的边沿直径为7.2mm～8.0mm(平均直径取7.5mm)。

当然，综合考虑(或说平衡)灵敏度和准确性、可靠性的关系，或者在考虑某些特殊的侧重要求后，本领域的技术人员仅通过常规的实验或试验，完全能够重新选择出满足相关要求的导电橡胶20与绝缘薄膜隔衬23的厚度差和鼓泡31内凹中心深度值的。故在本具体实施方式中不过多地为此举例。

实施例3：

本例是在具体实施方式总述、实施例1或实施例2的基础上，为提高本发明的耐用性和进一步提高可靠性而作的补充改进(参考图1、4)。在上下两块薄膜电极板(2、3)的外侧分别有其材料为防水布、塑料薄膜或橡胶皮的保护层(本例用防水布)。下保护层1、下薄膜电极板2、绝缘薄膜隔衬23、上薄膜电极板3和上保护层4依次由柔性胶粘贴在一起。所说的柔性胶是指，该粘胶固化、凝结后仍具有一定柔软性的粘胶(例如氯丁胶一类的粘胶)。这样一来，也就确保了本智能机器人的触觉传感服装具有一定的柔软性了。在本例中，导电橡胶20是通过环氧导电胶粘贴在下薄膜电极板2的各个电极触点上的。

实施例4：

本例是在实施例3的基础上，为简化设计而作的进一步改进(参考图1、4、5)。在本例中，保护层同时也是制作机器人服装的材料。其中，上保护层4为该服装的面料、下保护层1为该服装的里衬；起码在该服装的各裁片的缝头14宽度范围内，仅有重叠在一起的下保护层1和上保护层4——也就是说，在裁片缝头14的宽度范围内的下保护层1和上保护层4之间没有触觉传感装置。换言之，本例的智能机器人的触觉传感服装具有：以下保护层1为里衬、上保护层4为面料，中间夹有上下两块薄膜电极板(2、3)的电极层和夹在这两电极层之间的其孔眼231中有导电橡胶20(触觉敏感单元)的绝缘薄膜隔衬23(隔离层)的多层结构。

在上述的总述部分或各实施例中，在制作智能机器人服装时，用剪裁缝制人体服装相同的方法，先把服装料剪裁成适合相应智能机器人身体的裁片——图5是以衣服裁片为例绘制的，图中双点划线框表示触觉传感装置布置在服装中的区域141，在智能机器人的各处关节，可用现有的触觉传感装置、也可用本发明——只是需把相应的传感装置的触觉敏感单元的阵列数量取少一些；然后根据各裁片的大小(结合相应的后端处理系统)确定触觉传感装置的块数和每一块触觉传感装置的触觉敏感单元的阵列数量(图2、图3以8×8阵列为例，相对准确地绘出的；图4以3×4阵列为例而示意绘出的)；接着再把各个大小相等或不相等的触觉传感装置粘夹在裁片缝头所包围的相应区域141内；最后再把各个裁片拼拢、缝制或粘接为服装。若采用缝制的办法，在缝制时需特别小心，因为各触觉敏感单元及电极板上的布线之间的距离都很近，特别注意不要出现短路和断路现象。另外还要考虑各块的引出接头的分布，使之便于汇总连线且不易折断。

本案具体实施方式中联接的所述“后端处理系统”是由美国NI公司生产的PCI-6259高精度数据采集卡和LabVIEW7.0开发平台组成的虚拟仪器测试系统；两薄膜电极板的引出线接头用市售的543-10的接线头引出，再与该后端处理系统联接。

Claims

1、智能机器人的触觉传感服装，该触觉传感服装由可以穿戴在智能机器人身上的服装本身和安置在该服装上的触觉传感装置构成，其特征在于，所述触觉传感装置包括各电极触点一一对应的、其中一个的电极触点为行排列阵列而另一个为列排列阵列的上下两块薄膜电极板(2、3)；在靠近机器人身体的下薄膜电极板(2)的每一电极触点上通过导电粘接剂粘贴有一块厚度相等的具有压阻特性的导电橡胶(20)，在两块薄膜电极板(2、3)之间衬垫有一块其上有与导电橡胶(20)对应的孔眼(231)、且该孔眼(231)把各导电橡胶(20)套住并把相邻的导电橡胶(20)隔开的、其厚度比导电橡胶(20)的厚度厚0.05mm～0.10mm的绝缘薄膜隔衬(23)。

2、根据权利要求1所述的智能机器人的触觉传感服装，其特征在于，所述薄膜电极板是在PB塑料薄膜上单面印刷银浆而构成相应的行列式阵列电极触点的；所述导电橡胶(20)内的导电颗粒可以是玻璃球镀银的、铝镀银的或者炭黑式的。

3、根据权利要求1或2所述的智能机器人的触觉传感服装，其特征在于，所述的各块导电橡胶(20)为圆饼状，绝缘薄膜隔衬(23)上套住它们的孔眼(231)为圆孔，在该导电橡胶(20)与孔眼(231)之间起码有当导电橡胶(20)与绝缘薄膜隔衬(23)均被压至最薄时、两者间仍不会发生刮擦的间隙；在所述的上薄膜电极板(3)的各电极触点处有向内凹而其相反面向外凸出的鼓泡(31)，该电极触点在内凹部分中心处的深度为0.05mm～0.10mm，该内凹部分的边沿直径不小于对应的绝缘薄膜隔衬(23)上的孔眼(231)。

4、根据权利要求3所述的智能机器人的触觉传感服装，其特征在于，所述的各块导电橡胶(20)的直径为7mm、厚度为0.7mm；所述绝缘薄膜隔衬(23)的厚度为0.8mm、该绝缘薄膜隔衬(23)上的每一孔眼(231)与对应的导电橡胶(20)间的平均间隙为0.1mm；所述鼓泡(31)在内凹一侧的中心深度为0.05mm、该内凹部分的边沿直径为7.2mm～8.0mm。

5、根据权利要求1或2所述的智能机器人的触觉传感服装，其特征在于，在所述上下两块薄膜电极板(2、3)的外侧分别有其材料为防水布、塑料薄膜或橡胶皮的保护层；下保护层(1)、下薄膜电极板(2)、绝缘薄膜隔衬(23)、上薄膜电极板(3)和上保护层(4)依次由柔性胶粘贴在一起；所述的导电橡胶(20)是通过环氧导电胶粘贴在下薄膜电极板(2)的各个电极触点上的。

6、根据权利要求3所述的智能机器人的触觉传感服装，其特征在于，在所述上下两块薄膜电极板(2、3)的外侧分别有其材料为防水布、塑料薄膜或橡胶皮的保护层；下保护层(1)、下薄膜电极板(2)、绝缘薄膜隔衬(23)、上薄膜电极板(3)和上保护层(4)依次由柔性胶粘贴在一起；所述的导电橡胶(20)是通过环氧导电胶粘贴在下薄膜电极板(2)的各个电极触点上的。

7、根据权利要求4所述的智能机器人的触觉传感服装，其特征在于，在所述上下两块薄膜电极板(2、3)的外侧分别有其材料为防水布、塑料薄膜或橡胶皮的保护层；下保护层(1)、下薄膜电极板(2)、绝缘薄膜隔衬(23)、上薄膜电极板(3)和上保护层(4)依次由柔性胶粘贴在一起；所述的导电橡胶(20)是通过环氧导电胶粘贴在下薄膜电极板(2)的各个电极触点上的。

8、根据权利要求5所述的智能机器人的触觉传感服装，其特征在于，所述的保护层同时也是制作机器人服装的材料；所述上保护层(4)为该服装的面料、所述下保护层(1)为该服装的里衬，起码在该服装的各裁片的缝头(14)宽度范围内，仅有重叠在一起的下保护层(1)和上保护层(4)。

9、根据权利要求6所述的智能机器人的触觉传感服装，其特征在于，所述的保护层同时也是制作机器人服装的材料；所述上保护层(4)为该服装的面料、所述下保护层(1)为该服装的里衬，起码在该服装的各裁片的缝头(14)宽度范围内，仅有重叠在一起的下保护层(1)和上保护层(4)。

10、根据权利要求7所述的智能机器人的触觉传感服装，其特征在于，所述的保护层同时也是制作机器人服装的材料；所述上保护层(4)为该服装的面料、所述下保护层(1)为该服装的里衬，起码在该服装的各裁片的缝头(14)宽度范围内，仅有重叠在一起的下保护层(1)和上保护层(4)。