CN107053254B - 基于多层气囊的可穿戴机器人皮肤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多层气囊的可穿戴机器人皮肤，包括表皮层、用于与机器人本体紧贴的安装层、以及介于表皮层与安装层之间并被包裹在内的若干层气囊，安装层和表皮层均由柔性材料制成，每个气囊均配备有单向阀用于充入气体，在每个气囊内设置有柔性支撑架用于安装固定压力传感器和温度传感器，在柔性支撑架内部放置连接线将气囊内部的压力传感器、温度传感器与机器人皮肤外部的数据采集设备相连，数据采集设备的I/O通道与每个气囊一一对应。结构简单、经济可靠，使机器人也能感知触觉，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人皮肤，可用于机器人人机交互等领域。
背景技术
机器人不仅在工业领域得到广泛应用，在服务领域也逐渐得到应用。人们认为，机器人的下一阶段发展方向是人机共融，和谐相处。要实现人机共融，必须解决机器人的安全性问题，一个重要的要求就是机器人需具备一定的环境感知能力，如视觉、触觉等。当前机器视觉的研究已经较为深入，但是机器人触觉的研究还较少，亟需较为经济实用的机器人皮肤以适应人机共融时代的来临。
当前一般的技术仅提供普通的防止机器人碰撞的方案，比如文献CN201310365565中提到的采用机器人关节力矩来识别是否发生碰撞；文献CN201310365565提到的在机器人本体上裹附粘弹性缓冲层并贴附一个或多个触觉传感器来实现防碰撞的功能。这些方案的典型不足是无法识别碰撞的具体位置。文献CN201610029884提出了通过液压测得各部分所受压力，但是文中所用传感器由金属基座和充满液压油的腔体组成，使得机器人的负载增加，而且无法感知拉力。另外一种技术路线是文献《电子皮肤技术及其专利分析》所描述的基于IT技术和复合材料的电子皮肤，能感知压力和剪切力。但是这种技术成本较高，且容易损坏，很难在工业界得到应用。
发明内容
本发明旨在提供一种结构简单、经济可靠的可穿戴机器人皮肤，使机器人也能感知触觉，具有广泛的应用前景。
为此，本发明所采用的技术方案为：一种基于多层气囊的可穿戴机器人皮肤，包括表皮层、用于与机器人本体紧贴的安装层、以及介于表皮层与安装层之间并被包裹在内的若干层气囊，安装层和表皮层均由柔性材料制成，每个气囊均配备有单向阀用于充入气体，在每个气囊内设置有柔性支撑架用于安装固定压力传感器和温度传感器，在柔性支撑架内部放置连接线将气囊内部的压力传感器、温度传感器与机器人皮肤外部的数据采集设备相连，数据采集设备的I/O通道与每个气囊一一对应。
作为上述方案的优选，相邻层的所述气囊错开排列、均匀分布、互相接触压紧在安装层与表皮层之间。每层气囊错开排列可以尽可能的填补气囊间的空隙，使气囊分布更均匀，以提高测量的准确性。
进一步，所述柔性支撑架一端与气囊内壁相连，一端与压力传感器和温度传感器相连，使压力传感器和温度传感器悬置于气囊中；压力传感器和温度传感器通过柔性支撑悬置于气囊中，如果传感器直接贴在气囊内壁上，气囊受力变形时，不仅会使传感器测量产生干扰，还可能损坏传感器。
本发明的有益效果：基于多层气囊的可穿戴机器人皮肤，具有一定的柔性，可以安装在任意外形的机器人本体上；通过各个独立气囊配备的温度和压力传感器与数据采集设备相连，可以准确的确定机器人皮肤与外界的接触位置，为机器人做出下一步决策提供信息；表皮层可以根据需要选用不同的材料，在传递接触力的同时也保护了传感器件；具有自重小、成本低、结构简单、可靠性高等特点。
附图说明
图1为本发明的结构状态图。
图2为图1中气囊的横截面图。
图3为气囊部分的局部放大图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：
结合图1—图3所示，一种基于多层气囊的可穿戴机器人皮肤，主要由安装层1、表皮层2、气囊3、单向阀4、柔性支撑架5、压力传感器6、温度传感器7、连接线8、数据采集设备9组成。
安装层1用于与机器人本体紧贴，若干层状布置的气囊3介于表皮层2与安装层1之间，并被表皮层2与安装层1包裹在内。
安装层1和表皮层2均由柔性材料制成，每个气囊3均配备有单向阀4，通过单向阀4向气囊3内充入气体。在每个气囊3内均设置有柔性支撑架5用于安装固定压力传感器6和温度传感器7。压力传感器6最好采用应变式压力传感器。在柔性支撑架5内部放置连接线8将气囊3内部的压力传感器6、温度传感器7与机器人皮肤外部的数据采集设备9相连。气囊可通过单向阀4预充气，根据需求不同可以充入不同压力的空气，使得气囊内部具有适当的压力，从而调整机器人皮肤的刚度，以适应不同应用环境。柔性支撑架5可采用空心柱体，与压力传感器6、温度传感器7和气囊3相连处密闭，防止气体泄漏。
气囊3的内部压力可通过压力传感器6获得，气囊3的内部温度可通过温度传感器7获得。气囊3内压力传感器6、温度传感器7与末端数据采集设备9之间的连接线8在气囊内的部分放置于柔性支撑架5内，在气囊外的部分放置于气囊间的缝隙处，并通过气囊3间的间隙引出。传感器7测得的数据通过数据采集设备9进行读取、分析。此外，根据一个区域内所有气囊3中压力传感器6测出的力，可以进一步分析出该区域所受力的形式(拉力、压力和剪切力)，而且还可以诊断出该区域内损坏的气囊3，多层气囊的结构还可以使得在部分气囊失效的情况下机器人继续正常工作。气囊中温度传感器7的作用是在外界温度发生变化引起气囊3内气压变化时，测出温度对压力传感器6测出的压力进行补偿、校正，使得测量的压力更准确，使得机器人皮肤具有了触觉功能，可以更好地进行交互。数据采集设备9的I/O通道与每个气囊3一一对应，就可以识别出受力的具体位置。
最好是，相邻层的气囊3错开排列、均匀分布、互相接触压紧在安装层1与表皮层2之间。
另外，柔性支撑架5一端与气囊3内壁相连，一端与压力传感器6和温度传感器7相连，使压力传感器6和温度传感器7悬置于气囊3中。
本发明在使用时将机器人(如机械手臂)包裹在内，安装层与机器人本体表面贴合。工作时，当外部力作用于表皮层上时，表皮层相应部位下方气囊会产生变形，根据帕斯卡定理，气囊内气压会发生变化，气压变化会导致压力传感器中电阻变化，为压力传感器提供恒电流时，其两端电压会发生变化，这个电压在数据采集设备测出，即可得知表皮层受到了外力的作用，根据数据采集设备I/O通道与压力传感器的一一对应，可以知道受力的具体位置，为机器人做出下一步决策提供信息。另外，根据温度传感器测出的气囊内温度，可以通过计算对所得压力进行补偿校正。
如果工作时出现一个或几个气囊没有检测出压力，而它们周围的气囊检测出了压力，我们就可以判断这个或这些气囊出现了故障，即具有故障自诊断功能。
综上所述，本发明的可穿戴机器人皮肤具有可变刚度，可感知拉力、压力、剪切力和温度，重量轻，可靠性好，具有自诊断功能等优点，使其可以很好的适用于未来的共融机器人，而且其制备工艺成熟，集成方便，制造成本低的特点可以在工业生产中进行广泛应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以此作为本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于多层气囊的可穿戴机器人皮肤，其特征在于：包括表皮层(2)、用于与机器人本体紧贴的安装层(1)、以及介于表皮层(2)与安装层(1)之间并被包裹在内的若干层气囊(3)，安装层(1)和表皮层(2)均由柔性材料制成，每个气囊(3)均配备有单向阀(4)用于充入气体，在每个气囊(3)内设置有柔性支撑架(5)用于安装固定压力传感器(6)和温度传感器(7)，在柔性支撑架(5)内部放置连接线(8)将气囊(3)内部的压力传感器(6)、温度传感器(7)与机器人皮肤外部的数据采集设备(9)相连，数据采集设备(9)的I/O通道与每个气囊(3)一一对应。
2.根据权利要求1所述的基于多层气囊的可穿戴机器人皮肤，其特征在于：相邻层的所述气囊(3)错开排列、均匀分布、互相接触压紧在安装层(1)与表皮层(2)之间。
3.根据权利要求1或2所述的基于多层气囊的可穿戴机器人皮肤，其特征在于：所述柔性支撑架(5)一端与气囊(3)内壁相连，一端与压力传感器(6)和温度传感器(7)相连，使压力传感器(6)和温度传感器(7)悬置于气囊(3)中。
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