CN104209960B - 一种基于蛇形变形搜救机器人的全织物人造皮肤 - Google Patents

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Abstract

一种基于蛇形变形搜救机器人的全织物人造皮肤，该织物皮肤包括柔性织物基底，柔性连接线，传感器阵列，封装材料以及封装织物等部分。根据蛇形变形搜救机器人的结构设计以及信息感知需求，实现传感器阵列分布式传感。当机器人进行搜救任务时，能够实时感知环境的温度，湿度，有害气体含量以及蛇形机器人所受环境压力，实现变形及分体。人造织物皮肤具有结构简单，易于加工制造的特点，并且能够实现复杂环境的信息感知功能。

Description

一种基于蛇形变形搜救机器人的全织物人造皮肤
技术领域
本发明涉及人造皮肤领域，特别涉及一种用于蛇形变形搜救机器人的具有全空间环境感知的全织物柔性人造皮肤。
背景技术
近年来，地震、矿难、火灾、塌方，以及各类人为事故频繁发生，严重威胁着人类生命和财产安全，引起了社会各界的广泛关注。然而由于复杂的灾难环境和二次灾难的影响，搜救人员很难及时进行救援。此外，灾难现场复杂多变的环境以及有害气体，对幸存者的生命安全构成了严重的危害和威胁，现有的搜救机器人不具备全空间环境信息感知能力，无法对幸存者以及灾难现场的环境信息进行监测，只可根据其自带的生命探测装置进行生命体的定位，以及可根据自带的摄像头和红外装置探测到的定位信息进行运动，并且对狭小空间无法进行搜救。本发明针对这个问题提出了一种基于蛇形变形搜救机器人的具备全空间环境信息感知能力的全织物人造皮肤，实现灾难现场的温湿度，有害气体以及压力的监测，使机器人能够根据所处环境进行变形和分体，从而实现更高效率的搜救。
发明内容
本发明的目的是为了解决灾难现场的环境信息感知能力，并为变形搜救机器人提供具有柔性可拉伸的织物皮肤，当机器人处于不同空间环境时，提供变形及分体信息，同时具备耐磨，防水等特性。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于蛇形变形搜救机器人的全织物人造皮肤，包括：柔性织物基底、柔性连接线、压力传感器阵列、有害气体传感器阵列、温湿度传感器阵列、压力传感器电路基板、有害气体传感器电路基板、温湿度传感器电路基板、柔性封装聚合物、封装织物；所述柔性连接线织入柔性织物基底中，压力传感器阵列、有害气体传感器阵列、温湿度传感器阵列粘接到柔性织物基底上的不同位置，柔性封装聚合物被用于封装柔性连接线、压力传感器电路基板、有害气体传感器电路基板、温湿度传感器电路基板以及柔性连接线与各电路基板的连接位置；传感器阵列固定在相应电路基板上；封装织物与柔性织物基连接在一起，形成保护；柔性连接线采用螺旋纺织结构，实现长度、宽度方向的可拉伸特性。
进一步的，所述基于蛇形变形搜救机器人的全织物人造皮肤上设置有皮肤开口位置，腿部支架从皮肤开口位置中穿出，并用聚合物封装。
进一步的，根据所述的皮肤开口位置，设置压力传感器阵列、有害气体传感器阵列、温湿度传感器阵列的位置，使各传感器阵列嵌入骨架架构开口处，并固定以保护各传感器阵列在机器人运动中不受损害。
进一步的，柔性连接线采用导电银纤维，采用不同纺织结构织入柔性织物基底中，织物结构根据机器人结构设计，具备二维拉伸能力，适应机器人的变形运动。
进一步的，本柔性织物皮肤采用压力传感器阵列，用于测量皮肤所受压力，以满足蛇形变形搜救机器人的变形需求；所述压力传感器阵列根据蛇形机器人运动中不同的运动模式，设置压力传感器位置，测量机器人所受环境挤压压力，从而实现变形运动和分体运动。
进一步的，所述柔性封装聚合物采用高粘度涂布聚二甲基硅氧烷（PDMS）封装层，PDMS采用1:1配比，涂于皮肤表面静置24小时除去气泡，80℃固化，实现柔性植物皮肤的封装和防水。
进一步的，所述封装织物采用耐磨织物，并封装于皮肤外部，并实现织物皮肤的耐磨和加固处理，两层织物连接在一起，构成蛇形变形搜救机器人的织物皮肤，实现全空间信息感知功能。
进一步的，封装织物外层覆盖有一层织物皮肤斑点，所述斑点为半球形，以增大皮肤的摩擦系数。
本发明人造织物皮肤根据机器人分体数量对机器人整体包裹，并可根据环境信息感知需求调整感知内容，并将信号传输到中央控制器，实现信息综合和感知。
本发明的优点是：为蛇形搜救机器人提供了一种柔性可拉伸织物皮肤，满足机器人的变形需求以及机器人的分体需求。该织物皮肤同时具有全空间的环境信息感知能力，包括温湿度，有害气体，压力等，具有柔性可拉伸，结构简单，加工方便，易于实现的特点；采用柔性织物基底以及PDMS封装形式，设计简单，具有良好的柔性、防水和机械强度特性，环境信息信号稳定，可用于变形搜救机器人的皮肤需求，保证机器人在搜救过程的信息感知需求。
附图说明
图1为基于蛇形变形搜救机器人的全织物人造皮肤的整体结构示意图；
图2为基于蛇形变形搜救机器人的全织物人造皮的高聚物封装工艺示意图；
图3为基于蛇形变形搜救机器人的全织物人造皮肤的织物封装工艺示意图；
图4为搜救机器人关节结构示意图；
图5为搜救机器人单一分体部分包裹皮肤装配图。
其中：1柔性织物基底，2柔性连接线，3压力传感器阵列，4有害气体传感器阵列，5温湿度传感器阵列，6压力传感器电路基板，7有害气体传感器电路基板，8温湿度传感器电路基板，9皮肤开口位置，10柔性封装聚合物，11封装织物，12织物皮肤斑点，13腿部支架，14机器人关节开口位置，15皮肤安装凹槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的织物皮肤主要包括柔性织物基底1，以PET电路板为基板的压力传感器阵列3、有害气体传感器阵列4、温湿度传感器阵列5，柔性连接线2，皮肤开口位置9等。传感器阵列分布根据机器人结构设计，分布于柔性织物基底1的同一面上的不同位置，并固定于凹槽内部。压力传感器阵列3分布于不同位置，并且不镶嵌于机器人结构的凹槽处。具体实施方式为：
温湿度传感器选用微型集成传感器，采用导电粘结剂焊接于柔性PET电路板上形成温湿度传感器阵列5；同理，微型有害气体传感器底座粘接于柔性PET电路板上，并将有害气体传感器安装于底座中，形成有害气体传感器阵列4，有害气体传感器阵列4能够测量一氧化碳、甲烷、硫化氢有害气体的浓度，有害气体传感器阵列4体积小且无需加热测量。柔性压力传感器采用基于织物的压力传感器，并粘接于PET电路基板上形成柔性压力传感器阵列3，大范围压力传感器，可以测量剪切力。
柔性连接线2采用银包裹的导电银线，采用不同的纺织结构织于柔性织物基底1中，形成电源线和信号线。将所有温湿度、压力、有害气体传感器阵列固定于柔性织物基底1上，柔性连接线2采用导电胶进行连接，制成柔性织物皮肤。
在机器人关节支撑部位处（如图4所示），形成开口，以便腿部伸出。织物皮肤制备后，平铺于平板上固定，采用1:1混合的聚二甲基硅氧烷涂于织物皮肤背面，采用刮刀涂布方式形成涂层，涂层的厚度为50-100μm。静置24小时并抽真空，形成柔性均匀涂层，并在80℃空气条件下固化4小时，以实现防水功能，如图3所示。
图3为织物封装外表面结构图，如图所示，封装织物11与柔性织物基底1织在一起，用1:1配比的聚二甲基硅氧烷通过点胶机在封装织物外表面制备成如图所示的凸起结构，以增大摩擦力。点胶机制备出凸起结构后，在80℃烘箱中固化。
图4为机器人关节结构图，如图所示，织物上的皮肤开口位置9可以方便使关节上腿部支架13穿过以加固皮肤的包裹。每一个关节上的机器人关节开口位置14恰好可以使织物皮肤上的传感器嵌入其中，以对传感器加以保护。
图5为躯干部件包裹皮肤结构示意图，如图所示，织物皮肤通过对应的皮肤开口位置9穿过腿部关节支撑部位，然后把传感器相应的卡入机器人关节开口位置。最后在关节结构上的皮肤安装凹槽15处，涂抹胶层以增大连接强度并实现防水功能。
本发明提供的搜救机器人的柔性织物皮肤，具有制造简单，加工容易的特点。搜救机器人的柔性织物皮肤具备全空间的环境感知能力，能够监测灾难现场的环境特性，当机器人进行搜救任务时，能够根据不同的环境状况进行搜救，及时改变搜救策略，从而提高机器人的搜救效率。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于蛇形变形搜救机器人的全织物人造皮肤，包括柔性织物基底（1）、柔性连接线（2）、压力传感器阵列（3）、有害气体传感器阵列（4）、温湿度传感器阵列（5）、压力传感器电路基板（6）、有害气体传感器电路基板（7）、温湿度传感器电路基板（8）、皮肤开口位置（9）、柔性封装聚合物（10）、封装织物（11）；所述柔性连接线（2）织入柔性织物基底（1）中；所述压力传感器阵列（3）、有害气体传感器阵列（4）、温湿度传感器阵列（5）粘接到柔性织物基底（1）上；柔性封装聚合物（10）被用于封装柔性连接线（2）、压力传感器电路基板（6）、有害气体传感器电路基板（7）、温湿度传感器电路基板（8）以及柔性连接线（2）与各电路基板的连接位置；所述封装织物（11）与柔性织物基底（1）连接在一起，形成保护；所述封装织物（11）采用耐磨织物，并封装于皮肤外部；所述封装织物（11）外层覆盖有一层织物皮肤斑点（12），所述斑点为半球形，以增大皮肤的摩擦系数。
2.根据权利要求1所述的全织物人造皮肤，其特征在于：所述柔性封装聚合物（10）采用聚二甲基硅氧烷封装层，实现防水。
3.根据权利要求1所述的全织物人造皮肤，其特征在于：柔性连接线（2）采用螺旋纺织结构，实现长度、宽度方向的可拉伸特性；所述柔性连接线（2）选择导电银纤维，采用不同纺织结构织入柔性织物基底（1）中。
4.根据权利要求1所述的全织物人造皮肤，其特征在于：压力传感器阵列（3）为柔性，大范围压力传感器，可以测量剪切力。
5.根据权利要求1所述的全织物人造皮肤，其特征在于：传感器分布根据机器人结构设计，固定于凹槽内部，压力传感器阵列分布于非凹槽部位。
6.根据权利要求1所述的全织物人造皮肤，其特征在于：所述有害气体传感器阵列（4），能够测量一氧化碳、甲烷、硫化氢有害气体的浓度，有害气体传感器阵列（4）体积小且无需加热测量。
7.根据权利要求2所述的全织物人造皮肤，其特征在于：所用聚二甲基硅氧烷封装层的厚度为50-100μm。
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