CN104827490B - 基于摩擦或静电感应控制的机器人触觉系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于摩擦或静电感应控制的机器人触觉系统及方法，属于机器人触觉系统领域。本发明主要包括：摩擦片、控制电路和工作电路；摩擦片通过摩擦生电或静电感应产生电信号，所产生的电信号作为触发信号通过导线作用于控制电路，控制电路包括自锁电路模块、自锁触发电路模块和解锁触发电路模块，控制电路串联在工作电路中用来控制工作电路接通或断开，并在接通后实现自锁。因此，本系统可以通过摩擦片的接触、分离或相互接近、远离来控制机器人做出动作，作为机器人触觉系统。

Description

基于摩擦或静电感应控制的机器人触觉系统及方法

技术领域

本发明涉及机器人触觉系统，尤其涉及基于摩擦或静电感应控制的机器人触觉系统及方法。

背景技术

随着机器人技术的发展，现有机器人触觉系统已经不能满足机器人发展对触觉系统的需求。

目前，机器人触觉系统主要采用力传感器(SensorsandActuatorsA:Physical,2012,175:60-72.)、温度传感器(中国，ZH201310140803.2.2013-04-22)、磁传感器等，这些传感器结构复杂，体积较大，安装工艺复杂。

随着摩擦纳米发电机技术的发展，产生了新型的基于摩擦纳米发电机的自驱动触觉传感器(ACSnano,2013,7(10):9213-9222.)，这种基于摩擦纳米发电机的自驱动触觉传感器虽然不需要电源，但制造工艺复杂，器件尺寸较大，而且往往需要连续地激励才能正常工作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有基于摩擦纳米发电机的自驱动触觉传感器的缺点和不足，提出了一种新型的基于普通摩擦片摩擦或静电感应控制的机器人触觉系统，该触觉系统采用供电电源，三极管放大电路，自锁电控装置，无需对摩擦片进行繁杂的加工，而且在工作电路开启后自锁运行，提高了机器人触觉系统的实用性和应用范围。

本发明的另一目的在于提供基于摩擦或静电感应控制的机器人触觉系统的控制电路及驱动方法。

本发明通过下述技术方案实现：

基于摩擦或静电感应控制的机器人触觉系统主要包括：摩擦片、控制电路和工作电路，摩擦片分别通过导线连接至控制电路自锁触发端A端和解锁触发端B端，与摩擦片具有一定间隙处分别设有另一块摩擦片，构成两对摩擦片；控制电路通过导线串联在工作电路中。两摩擦片接触、分离产生的电信号或相互靠近、远离时产生的感应电信号作为触发信号作用于控制电路，控制工作电路开启或关闭，进而控制机器人做出动作，而且工作电路在开启后实现自锁，直至关闭电路的触发信号将其关闭。

摩擦片直接或间接作为机器人触觉面，机器人与其它物体接触、分离的过程中，一对摩擦片接触、分离或相互靠近、远离，从而产生触发控制信号，控制机器人做出动作。

上述控制电路主要包括：自锁电路模块、自锁触发电路模块和解锁触发电路模块；

自锁电路模块：包括PNP型三极管Q₁、第一NPN型三极管Q₂、第一分压电阻R₁和第二分压电阻R₂，PNP型三极管Q₁的集电极通过第一分压电阻R₁与第一NPN型三极管Q₂的基极相连，第一NPN型三极管Q₂的集电极通过第二分压电阻R₂与PNP型三极管Q₁的发射极相连，PNP型三极管Q₁的基极通过导线与第一NPN型三极管Q₂的集电极相连；

自锁触发电路模块：包括第二NPN型三极管Q₃、第一电源E₁、第三分压电阻R₃、第四分压电阻R₄和自锁触发端A端，第二NPN型三极管Q₃基极通过第四分压电阻R₄与自锁触发端A端相连，第二NPN型三极管Q₃发射极与第一电源E₁负极相连，第一电源E₁正极通过第三分压电阻R₃与第一NPN型三极管Q₂基极相连；

解锁触发电路模块：包括第三NPN型三极管Q₄、第四NPN型三极管Q₅、第二电源E₂、第五分压电阻R₅、第六分压电阻R₆和解锁触发端B端，其中第三NPN型三极管Q₄的基极通过第六分压电阻R₆与解锁触发端B端相连，第三NPN型三极管Q₄发射极与第二电源E₂负极相连，第二电源E₂正极通过第五分压电阻R₅与第四NPN型三极管Q₅的基极相连，第四NPN型三极管Q₅的集电极与第一NPN型三极管Q₂基极相连。

工作电路中工作电源E和负载Load通过导线相连。

所述的每对摩擦片中摩擦片的材料不同，而且至少有一摩擦片为非导体材料非导体,摩擦片接入电路时通过在非摩擦面镀一层导体材料或粘贴一层导体材料膜引出导线。

所述的自锁触发端A端和解锁触发端B端均为单电极触发端。

所述的第一电源E₁、第二电源E2和工作电源E为直流电源。

使用上述机器人触觉系统的方法，步骤如下：

自锁触发阶段：与自锁触发端A端相连的一对摩擦片接触、分离产生的电信号或相互靠近、远离时产生的静电感应电信号，作用于自锁触发端A端，第二NPN型三极管导通，第一电源通过第三分压电阻给第一NPN型三极管基极提供电流，完成自锁触发；

自锁阶段：第一NPN型三极管基极产生电流，第一NPN型三极管导通，PNP型三极管基极电位被拉低，PNP型三极管导通，通过PNP型三极管给第一NPN型三极管基极提供电流，PNP型三极管和第一NPN型三极管保持导通状态，实现自锁；

解锁触发阶段：与解锁触发端B端相连的摩擦片接触、分离产生的电信号或相互靠近、远离时产生的静电感应电信号，作用于解锁触发端B端，第三NPN型三极管导通，第二电源通过第五分压电阻给第四NPN型三极管基极提供电流，第四NPN型三极管导通，第一NPN型三极管基极电位被拉低，完成解锁触发；

解锁阶段：第一NPN型三极管基极电位被拉低，第一NPN型三极管截止，PNP型三极管基极形成高电势，PNP型三极管截止，第一NPN型三极管和PNP型三极管处于截止状态，实现解锁。

本发明与现有机器人触觉系统相比，优点及效果在于该触觉系统利用普通摩擦片摩擦或静电感应控制机器人，结构简单，体积小，灵敏度高，触觉面的材料、形状、大小可以根据需要灵活调整，适用性强，能够灵活应用于复杂场合和恶劣环境中，能够轻易安装在机器人表面，可以使机器人拥有薄而柔的触觉面，也可以使机器人像皮肤一样大面积触觉感知。

附图说明

图1本发明结构示意图。

图2本发明控制电路图。

图中：1摩擦片；2控制电路；3工作电路；4自锁电路模块；5自锁触发电路模块；6解锁触发电路模块；Q1PNP型三极管；Q2第一NPN型三极管；Q3第二NPN型三极管；Q4第三NPN型三极管；Q5第四NPN型三极管；R1第一分压电阻；R2第二分压电阻；R3第三分压电阻；R4第四分压电阻；R5第五分压电阻；R6第六分压电阻；E1第一电源；E2第二电源；A自锁触发端A端；B解锁触发端B端。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明进一步作详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明主要包括：摩擦片1、控制电路2和工作电路3。摩擦片1分别通过导线连接至控制电路2自锁触发端A端和解锁触发端B端，与摩擦片具有一定间隙处分别设有另一块摩擦片，构成两对摩擦片；控制电路2通过导线串联在工作电路3中。

如图2所示，控制电路2主要包括：自锁电路模块4、自锁触发电路模块5和解锁触发电路模块6；

自锁电路模块4：包括PNP型三极管Q₁、第一NPN型三极管Q₂、第一分压电阻R₁和第二分压电阻R₂，PNP型三极管Q₁的集电极通过第一分压电阻R₁与第一NPN型三极管Q₂的基极相连，第一NPN型三极管Q₂的集电极通过第二分压电阻R₂与PNP型三极管Q₁的发射极相连，PNP型三极管Q₁的基极通过导线与第一NPN型三极管Q₂的集电极相连；

自锁触发电路模块5：包括第二NPN型三极管Q₃、第一电源E₁、第三分压电阻R₃、第四分压电阻R₄和自锁触发端A端，第二NPN型三极管Q₃基极通过第四分压电阻R₄与自锁触发端A端相连，第二NPN型三极管Q₃发射极与第一电源E₁负极相连，第一电源E₁正极通过第三分压电阻R₃与第一NPN型三极管Q₂基极相连；

解锁触发电路模块6：包括第三NPN型三极管Q₄、第四NPN型三极管Q₅、第二电源E₂、第五分压电阻R₅、第六分压电阻R₆和解锁触发端B端，其中第三NPN型三极管Q₄的基极通过第六分压电阻R₆与解锁触发端B端相连，第三NPN型三极管Q₄发射极与第二电源E₂负极相连，第二电源E₂正极通过第五分压电阻R₅与第四NPN型三极管Q₅的基极相连，第四NPN型三极管Q₅的集电极与第一NPN型三极管Q₂基极相连。

控制电路2，所采用的控制方法，通过下列步骤实现：

自锁触发阶段：与自锁触发端A端相连的一对摩擦片接触、分离产生的电信号或相互靠近、远离时产生的静电感应电信号，作用于自锁触发端A端，第二NPN型三极管Q₃导通，第一电源E₁通过第三分压电阻R₃给第一NPN型三极管Q₂基极提供电流，完成自锁触发；

自锁阶段：第一NPN型三极管Q₂基极产生电流，第一NPN型三极管Q₂导通，PNP型三极管Q₁基极电位被拉低，PNP型三极管Q₁导通，之后，通过PNP型三极管Q₁给第一NPN型三极管Q₂基极提供电流，PNP型三极管Q₁和第一NPN型三极管Q₂保持导通状态，实现自锁；

解锁触发阶段：与解锁触发端B端相连的摩擦片接触、分离产生的电信号或相互靠近、远离时产生的静电感应电信号，作用于解锁触发端B端，第三NPN型三极管Q₄导通，第二电源E₂通过第五分压电阻R₅给第四NPN型三极管Q₅基极提供电流，第四NPN型三极管Q₅导通，第一NPN型三极管Q₂基极电位被拉低，完成解锁触发；

解锁阶段：第一NPN型三极管Q₂基极电位被拉低，第一NPN型三极管Q₂截止，PNP型三极管Q₁基极形成高电势，PNP型三极管Q₁截止，第一NPN型三极管Q₂和PNP型三极管Q₁处于截止状态，实现解锁。

当然，本领域技术人员，还可以对本发明摩擦片的材料、结构和控制电路的结构以及驱动方式作适当变更，例如，换用不同静电序列的摩擦片，采用双电级触发等。

如上述便可较好的实现本发明。

上述实例仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实例的限制，其它任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于摩擦或静电感应控制的机器人触觉系统，其特征在于，该基于摩擦或静电感应控制的机器人触觉系统包括摩擦片、控制电路和工作电路；

摩擦片分别通过导线连接至控制电路自锁触发端A端和解锁触发端B端，与摩擦片具有一定间隙处分别设有另一块摩擦片，构成两对摩擦片；控制电路通过导线串联在工作电路中；每对摩擦片中的两摩擦片接触、分离产生的电信号或相互靠近、远离时产生的感应电信号作为触发信号作用于控制电路，控制工作电路开启或关闭，进而控制机器人做出动作，工作电路开启后实现自锁，直至关闭电路的触发信号将其关闭；

控制电路包括自锁电路模块、自锁触发电路模块和解锁触发电路模块；

自锁电路模块：包括PNP型三极管、第一NPN型三极管、第一分压电阻和第二分压电阻，PNP型三极管的集电极通过第一分压电阻与第一NPN型三极管的基极相连，第一NPN型三极管的集电极通过第二分压电阻与PNP型三极管的发射极相连，PNP型三极管的基极通过导线与第一NPN型三极管的集电极相连；

自锁触发电路模块：包括第二NPN型三极管、第一电源、第三分压电阻、第四分压电阻和自锁触发端A端，第二NPN型三极管基极通过第四分压电阻与自锁触发端A端相连，第二NPN型三极管发射极与第一电源负极相连，第一电源正极通过第三分压电阻与第一NPN型三极管基极相连；

解锁触发电路模块：包括第三NPN型三极管、第四NPN型三极管、第二电源、第五分压电阻、第六分压电阻和解锁触发端B端，其中第三NPN型三极管的基极通过第六分压电阻与解锁触发端B端相连，第三NPN型三极管发射极与第二电源负极相连，第二电源正极通过第五分压电阻与第四NPN型三极管的基极相连，第四NPN型三极管的集电极与第一NPN型三极管基极相连；

工作电路中工作电源E和负载Load通过导线相连。

2.根据权利要求1所述的机器人触觉系统，其特征在于，所述的每对摩擦片中摩擦片的材料不同，而且至少有一摩擦片为非导体材料，摩擦片接入电路时通过在非摩擦面镀一层导体材料或粘贴一层导体材料膜引出导线。

3.根据权利要求1或2所述的机器人触觉系统，其特征在于，所述的自锁触发端A端和解锁触发端B端均为单电极触发端。

4.根据权利要求1或2所述的机器人触觉系统，其特征在于，所述的第一电源、第二电源和工作电源为直流电源。

5.根据权利要求3所述的机器人触觉系统，其特征在于，所述的第一电源、第二电源和工作电源为直流电源。

6.使用权利要求1-5任一所述的机器人触觉系统的方法，其特征在于，步骤如下：

自锁触发阶段：与自锁触发端A端相连的一对摩擦片接触、分离产生的电信号或相互靠近、远离时产生的静电感应电信号，作用于自锁触发端A端，第二NPN型三极管导通，第一电源通过第三分压电阻给第一NPN型三极管基极提供电流，完成自锁触发；

自锁阶段：第一NPN型三极管基极产生电流，第一NPN型三极管导通，PNP型三极管基极电位被拉低，PNP型三极管导通，通过PNP型三极管给第一NPN型三极管基极提供电流，PNP型三极管和第一NPN型三极管保持导通状态，实现自锁；

解锁触发阶段：与解锁触发端B端相连的摩擦片接触、分离产生的电信号或相互靠近、远离时产生的静电感应电信号，作用于解锁触发端B端，第三NPN型三极管导通，第二电源通过第五分压电阻给第四NPN型三极管基极提供电流，第四NPN型三极管导通，第一NPN型三极管基极电位被拉低，完成解锁触发；

解锁阶段：第一NPN型三极管基极电位被拉低，第一NPN型三极管截止，PNP型三极管基极形成高电势，PNP型三极管截止，第一NPN型三极管和PNP型三极管处于截止状态，实现解锁。