CN109278050B - 自主感知的柔性机器人及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自主感知的柔性机器人，包括：机器人部件；柔性摩擦电传感器，附着在所述机器人部件上；其中所述柔性摩擦电传感器包括柔性封装结构和嵌入在柔性封装结构中的电极，其中，所述电极连接至地、等电位或外部的导电体；还可以在柔性封装结构的表面上设置具有图案的柔性微结构修饰层，用于传感触摸或者压力等信号。本发明提供的柔性机器人可以通过从摩擦电传感器自身产生的电信号来感测机器人的运动、工作状态、环境和外部刺激。

Description

自主感知的柔性机器人及其应用

技术领域

本发明涉及自驱动传感器件领域，特别是涉及能够自主感知的柔性机器人及其应用。

背景技术

在各种机器人技术中，由柔软和可延伸材料构成的柔性机器人与人之间的互动更加安全，功能更强大，在一些方面弥补了机器与人之间的差距。模拟生物系统的仿生机器人具有类似肌肉的制动和可变形结构，使得它们在运动中相对自由，并且与其他刚性对应物相比，更符合自然环境。但是，仿生机器人的应用受机器人的认知、与人的互动能力以及机器人运动的自由的限制。迄今为止，柔性机器人已经表现出其执行各种功能，如抓地力、运动、游泳、跳跃、发光、伪装等功能。然而，缺乏感觉和反应限制了其巨大的潜力。

发明内容

本发明的目的是提供一种结合了柔性摩擦电传感器的柔性机器人，能够具有自主感知的能力。

为实现上述目的，本发明提供一种自主感知的柔性机器人，包括：

机器人部件；

柔性摩擦电传感器，附着在所述机器人部件上；其中所述柔性摩擦电传感器包括柔性封装结构和嵌入在柔性封装结构中的电极，其中，所述电极连接至地、等电位或外部的导电体。

优选的，在所述柔性封装结构的表面上还设置有具有图案的柔性微结构修饰层。

优选的，所述微结构修饰层的表面为：金字塔形状微结构单元形成的阵列，或者纳米线团簇组成的微结构单元形成的阵列，或者梯形台形状微结构单元形成的阵列。

优选的，所述阵列中微结构单元的尺寸范围在微米级至毫米级；

和/或阵列中微结构单元在垂直微结构修饰层表面的方向上的高度范围在微米级至毫米级。

优选的，所述微结构修饰层的材料为有机物绝缘体。

优选的，所述电极为纳米导电材料聚集形成，优选为银纳米线、碳纳米管、碳渣、纳米金属线、金属颗粒或金属碎片。

优选的，所述电极通过伸出所述柔性封装结构的金属导体连接至地、等电位或外部的导电体。

优选的，包括1个或多个所述柔性摩擦电传感器。

优选的，所述柔性封装结构的材料为有机物绝缘体，优选为硅橡胶、硅胶、橡胶、聚二甲基硅氧烷、环氧树脂或Eco-flex。

优选的，还包括信号发生部件，所述信号发生部件与柔性摩擦电传感器连接，将所述柔性摩擦电传感器的电信号转变为其他信号；优选的，所述信号发生部件为LED灯。

优选的，所述机器人部件为包括多个气动室的爬行机器人部件。

优选的，所述柔性摩擦电传感器设置在爬行机器人部件的腹部或背部。

优选的，一个所述柔性摩擦电传感器设置在爬行机器人部件第一段气动室对应位置的腹部。

上述柔性机器人在脉搏感测中的应用。

上述柔性机器人在触摸传感中的应用，其中，所述柔性摩擦电传感器设置在爬行机器人部件的背部。

优选的，所述机器人部件为机器人抓爪，所述柔性的摩擦电传感器设置在机器人抓爪的两个指状物上。

优选的，所述机器人部件为机器手指，柔性摩擦电传感器设置在机器手指上。

上述柔性机器人在湿度或温度传感中的应用。

与现有技术相比，本发明具有下列有益效果：

本发明采用可以高度延展、弯折、挤压等变形的柔性摩擦电传感器，赋予机器人部件主动的触觉感受和压力传感性能，能够自主感知机器人部件的爬行、抓取、触摸等动作。

采用柔性的摩擦电传感器作为机器人的皮肤实现，可以通过自发电信号主动感测内部和外部刺激。将兼容的摩擦电器件集成到柔性机器人部件中可使柔性机器人自主主动地感知其肌肉动作，工作状态，环境，物体湿度和温和的人体生理信号。

本发明的柔性机器人的最突出的优点是通过自然的摩擦带电效应赋予了主动感知的能力。无需外部电源，有意识的软机器人可以通过从自身产生电信号来感测其身体运动、工作状态、环境和外部刺激。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明柔性机器人第一实施例的结构示意图；

图2为本发明柔性机器人第二实施例的结构示意图；

图3和图9为本发明柔性机器人第三实施例的结构示意图；

图4-图6为第三实施例的传感器测试结果；

图7为本发明柔性机器人第四实施例的结构示意图；

图8为第四实施例的传感器测试结果；

图10为本发明柔性机器人第五实施例的结构示意图；

图11为第五实施例的传感器测试结果。

具体实施方式

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

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施示例时，为便于说明，所述示意图只是示例，不应限制本发明保护的范围。

实施例一：

图1为本实施例自主感知的柔性机器人的典型结构示意图，自主感知的柔性机器人包括机器人部件10，以及附着在机器人部件10上的柔性摩擦电传感器，其中，机器人部件10可以在驱动装置的驱动下进行各种动作，如移动、夹取物体、爬行等;柔性摩擦电传感器包括柔性封装结构20和嵌入在柔性封装结构20中的电极30，其中，电极30可以连接至地、等电位或外部的导电体50，在机器人部件10动作的带动下当柔性封装结构20与其他物体接触分离或者挤压过程中，由于摩擦起电和静电感应作用，在电极30与地或等电位之间有电荷流动，不同的动作能够产生不同的电信号。因此，产生的电信号可以作为柔性机器人自主感知的信号，不需要为传感器提供电源，是一种自主感知的柔性机器人。优选的，电极30可以连接至设置在机器人部件10上的导电体上。

电极30可以为任意导电材料，为了使柔性摩擦电传感器具有更好的柔性和可靠性，电极30可以为由纳米导电材料聚集形成的电极，电极的形状和尺寸可以根据需要的图形设计，这里不做特别的限定。

柔性封装结构20采用可拉伸的弹性封装材料，使得柔性摩擦电传感器本身具有全柔性和可拉抻性，可以在双轴方向伸缩，能够适应各种机器人部件导电动作紧密贴合在机器人部件的任何形状的表面上，与其他物体感应、接触和摩擦而产生电信号，反馈给机器人部件的控制系统。

电极30的纳米导电材料可为银纳米线、碳纳米管、碳渣、纳米金属线、金属颗粒或金属碎片等；柔性封装结构10的材料可以是硅橡胶、硅胶、橡胶、聚二甲基硅氧烷、环氧树脂或Eco-flex等有机物绝缘材料。

对于电极30采用纳米导电材料的情况，可以通过伸出柔性封装结构10的金属导体40连接至地50。

柔性摩擦电传感器的制备方法为，将由纳米导电材料配成的溶液浇注入绘制好的电极图案模具中，干燥后得到纳米导电材料图案电极；将由柔性封装材料配制成的凝胶浇注封装于所述纳米导电材料图案电极上，并固化。

实施例二：

本实施例中，自主感知的柔性机器人的典型结构示意图见图2，与实施例一中的自主感知的柔性机器人的区别在于，柔性摩擦电传感器的结构除了包括柔性封装结构20和嵌入在柔性封装结构20中的电极30之外，在柔性封装结构20的表面上还设置有具有图案的柔性微结构修饰层60。该微结构修饰层60可以在柔性摩擦电传感器受到压力或者被触摸时可以变形，由于摩擦起电和静电感应作用，在电极30上感应的电荷会变化，可以对压力或者触摸进行传感。

微结构修饰层60的材料采用柔性可变形的绝缘材料，优选有机物绝缘体材料，可以是硅橡胶、硅胶、橡胶、聚二甲基硅氧烷、环氧树脂或Eco-flex等有机物绝缘材料。微结构修饰层60的材料可以与柔性封装结构20的材料相同也可以不同，可以与柔性封装结构20为一体成型形成的结构，也可以为在柔性封装结构20表面帖附微结构修饰层60。如图2所示，微结构修饰层60的表面可以为金字塔形状微结构单元形成的阵列，或者纳米线团簇组成的微结构单元形成的阵列，或者梯形台形状微结构单元形成的阵列。阵列中微结构单元的尺寸范围在微米级至毫米级，例如50微米至500微米；阵列中微结构单元在垂直微结构修饰层60表面的方向上的高度范围在微米级至毫米级，例如50微米至500微米。

具有金字塔状三角微棱镜表面的柔性器件即使在拉伸至100％应变时也具有优异的低压力（<5 kPa）的压力灵敏度。

以一个具体例子介绍柔性摩擦电传感器的制备过程。使用激光切割机在丙烯酸板上制造金字塔形状阵列的模具。将Eco-flex 00-30（来自Smooth-On公司，型号Ecoflex 00-30）硅橡胶溶液以重量比为1:1的A部分和B部分溶液混合，将混合溶液倒入上述模具中。 4小时后，顶层具有三棱状金字塔单元结构的阵列的硅橡胶膜被固化并剥离，获得微结构修饰层60。将混合的硅橡胶溶液倒在丙烯酸板上，该丙烯酸板用银碎片（尺寸约10 μm，纯度≥99.9%）预滴涂并具有边界。固化后，将膜剥离，获得将银碎片嵌入硅橡胶中的条状薄片,然后将导电铜带连接并嵌入条状薄片的基质上，与银碎片连接。将上面获得的两片硅橡胶薄膜用硅橡胶溶液粘贴，形成图2结构的柔性摩擦电传感器。

实施例三：

本实施例中，提供一种自主感知的柔性机器人，其中，机器人部件如图3，为一个包括3个气动室的3段式爬行机器人部件11，该爬行机器人部件优选为柔性结构，可以在任意表面爬行，爬行机器人部件可以可控移动，特别是可以移动到危险的地方，例如气动机器人可以在物体70表面爬行。柔性机器人可以包括1个或者多个柔性摩擦电传感器21，柔性摩擦电传感器设置在爬行机器人部件11的腹部（在物体70表面上爬行的一侧）或者背部。

本实施例中爬行机器人部件11为3个气动室的三段式结构，具体包括几个气动室不应限制本发明的保护范围，在其他实施例中也可以为更多段的结构。

制造爬行机器人部件的过程可以参考（Elastomeric Origami: ProgrammablePaper-Elastomer Composites as Pneumatic Actuators，Adv. Funct. Mater. 2012,22, 1376–1384），模具包括三个部分：1、底层;2、气动室; 3、整合模具。对于底层，在形成的1/16英寸厚的Eco-flex 00-30硅橡胶膜中嵌入一张纸。气动室通过在相关模具中固化的Eco-flex 00-30获得。将Eco-flex气动室粘附到底层组装。之后，将气动室倒置在较大的一体化模具中。将混合的Eco-flex 00-30倒入一体化模具中，并与实施例二中预制的可变形柔性摩擦电传感器组装。四小时后硅橡胶固化，具有爬行能力的柔性机器人整体形成。

图3中柔性机器人仅在爬行机器人部件11的最左端第一段气动室对应位置的腹部设置一个柔性摩擦电传感器，随着爬行机器人部件从左侧至右侧逐段拱起回落地爬行，在电极和地之间的输出电信号，图4显示爬行机器人部件11移动约15厘米的距离后产生的步态电信号（Normalized V）输出，显示出产生电势波的几个周期。电信号曲线的每个时期都相应于一起伏的步态。图5示出了一段波动步态的详细电信号（Normalized V）输出。

从图4和图5可以看出，输出电信号随着每个气动机器人部件的气动执行机构的动作而改变。当最左侧的第一段气动室启动膨胀弯曲时，电位处于最低状态。这个结果归因于第一段气动室弯曲导致柔性摩擦电传感器和物体70表面之间的分离。当第一段气动室被放气并靠近物体70时，产生的电压升高。当第一段气动室接触物体70时，输出达到高电压状态。当第三段气动室膨胀时，电势达到最高值。这个结果归因于在第三段气动室充气膨胀期间在第一段气动室上的柔性摩擦电传感器上施加更多的力。放气第三段气动室，并使第二段气动室膨胀，电势略有下降。第三段气动室完全放空、第二段气动室膨胀时，产生的电势再次微升。当第一段气动室重新充气膨胀时，电位再次下降到最低值。这些结果表明，有意识的气动爬行机器人部件可以主动地感知它的爬行状态。

可以爬行的气动机器人部件的柔软的身体使其能够自适应地将自身与规则或不规则的物体表面相连，用于感测，提供更安全的使用方式。为了证明这种能力，能够爬行的气动机器人部件被控制为爬行不规则的表面，并并爬行至人的手腕，触摸人的手腕并感知脉搏，以主动感测轻微的人类生理信号。图6为柔性摩擦电传感器检测到的人类手腕的脉搏信号，说明了自主感知意识的柔性机器人在原位医疗触诊和其他医疗用途中的应用潜力。

柔性摩擦电传感器工作机理主要基于与其他材料接触时，接触摩擦带电和静电感应的作用，由于皮肤和硅橡胶的电子亲和能不同，当二者相接触时电子将会从皮肤流向硅橡胶。在硅橡胶表面的负电荷将会在中间的银纳米线电极夹层上感应出正电荷，使电子从银纳米线电极夹层向接地方向流动。静电感应过程可以给外部负载提供电压/电流信号的输出。当增加皮肤与硅橡胶之间的距离的时候，硅橡胶表面的负摩擦电荷全部被银纳米线网络的正电荷所屏蔽，这时没有任何信号输出。当皮肤与硅橡胶的距离重新减少到完全解除的过程，银纳米线网络中的感应正电荷将会减少，这时电子的流动方向是从地到银纳米线，再次形成一个反向的电压/电流信号输出。

柔性机器人还可以包括信号发生部件，该信号发生部件可以与柔性摩擦电传感器连接，例如信号发生部件可以为LED等发光或者发声等器件，可以将柔性摩擦电传感器的电信号转变为光、声等其他信号，与人或者机器进行交互。如图9中所示，通过在多个区域集成柔性摩擦电传感器，在机器人部件12动作如爬行时主动进行多重感测，还可以与人交互，可以作为一种综合机器人爬行器。机器人部件12由三个气动室部分构成，并且每个气动室背部与柔性摩擦电传感器集成。三个柔性摩擦电传感器作为活动皮肤，不仅可以感知所帖附机器人部件的运动（类似肌肉运动），而且还可以作为自主人机交互界面，当一个手指触及变形的柔性摩擦电机器人时，可以产生电能，该电能的电力可以点亮LED并提供人类可见的响应，实现与外界的交互。以上结果表明，使用自发电的柔性摩擦电传感器能使柔性机器人能够通过光信号瞬时与人通信，而无需外部电源。

实施例四：

参见图7, 自主感知的柔性机器人，其中，机器人部件13为一个有意识的机器人抓爪,柔性的摩擦电传感器23被整体地集成在机器人抓爪的两个指状物上。以柔性机器人抓住并抬高一个婴儿玩偶的手为例，图8示出了使用带有柔性有源传感器的夹具用于握住并摇动婴儿玩偶的手并测试其输出，最初，左右传感器（Left sensor和Right sensor）都处于低电压状态（initial）。随着机器人接近物体（approach），两个传感器产生的电压开始上升。直到接触并压缩了物体，这两个电位达到最大值。当机器人抓爪上下方向抓住手臂时，两个输出略微下降并保持在较低的电压。输出略有下降可归因于部分电位从静电场到桌面的贡献。当手臂从机器人抓爪中突然掉落时（release and leave），响应进一步降低。当发生这种情况时，两个传感器的输出在一瞬间大幅下降到最低水平。图中结果表明，当机器人抓爪抓住手时，产生的电压稍微降低。机器人抓爪握手时，产生的电势相应地反应了动作。机器人抓爪松开手后，输出恢复到基线值。结果表明，不同的电势使有意识的机器人抓爪能够感受抓住物体的不同动作，并意识到脱落事故。

实施例五：

柔性摩擦电传感器在被触摸或者挤压时，环境温度、湿度等对其输出信号有影响，因此，本实施例提供一种可以应用在温度或者湿度传感中的柔性机器人，可以应用在护理机器人等领域，能够有意识的检测婴儿裤子是否湿了。

图10为本实施例自主感知的柔性机器人，其中，机器人部件为机器手指14，柔性摩擦电传感器24设置在机器手指14上，机器人手指14可以在机器人的驱动下移动进行触摸或者翻动的动作，当柔性机器人触摸婴儿裤子80，在干湿两个条件下进行了测试裤子的情况。图11显示了两种状态的生成电势,较高和较低的电势分别表示干燥（Dry）和潮湿（Wet）的裤子，降低的电势归因于湿裤子上的水分子降低了软机器人中柔性摩擦电传感器的摩擦电荷。

以上所述，仅是本发明的较佳实施示例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施示例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施示例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (17)

1.一种自主感知的柔性机器人，其特征在于，包括：

机器人部件，所述机器人部件为包括多个气动室的多段式爬行机器人部件；

柔性摩擦电传感器，附着在所述爬行机器人部件上，所述爬行机器人部件为柔性结构，其中所述柔性摩擦电传感器包括柔性封装结构和嵌入在柔性封装结构中的电极，其中，所述电极连接至地，其中

随着所述爬行机器人部件逐段拱起回落地爬行，在电极和地之间输出电信号；

所述输出电信号随着每个爬行机器人部件的气动执行机构的动作而改变，所述爬行机器人部件主动地感知其爬行状态。

2.根据权利要求1所述的柔性机器人，其特征在于，在所述柔性封装结构的表面上还设置有具有图案的柔性微结构修饰层。

3.根据权利要求2所述的柔性机器人，其特征在于，所述微结构修饰层的表面为：金字塔形状微结构单元形成的阵列，或者纳米线团簇组成的微结构单元形成的阵列，或者梯形台形状微结构单元形成的阵列。

4.根据权利要求3所述的柔性机器人，其特征在于，所述阵列中微结构单元的尺寸范围在微米级至毫米级；

和/或阵列中微结构单元在垂直微结构修饰层表面的方向上的高度范围在微米级至毫米级。

5.根据权利要求2-4任一项所述的柔性机器人，其特征在于，所述微结构修饰层的材料为有机物绝缘体。

6.根据权利要求1-4任一项所述的柔性机器人，其特征在于，所述电极为纳米导电材料聚集形成。

7.根据权利要求6所述的柔性机器人，其特征在于，所述纳米导电材料为碳纳米管或纳米金属线。

8.根据权利要求6所述的柔性机器人，其特征在于，所述电极通过伸出所述柔性封装结构的金属导体连接至地。

9.根据权利要求1-4任一项所述的柔性机器人，其特征在于，包括一个或多个所述柔性摩擦电传感器。

10.根据权利要求9所述的柔性机器人，其特征在于，所述柔性封装结构的材料为有机物绝缘体。

11.根据权利要求10所述的柔性机器人，其特征在于，所述有机物绝缘体为硅胶或橡胶。

12.根据权利要求1-4任一项所述的柔性机器人，其特征在于，还包括信号发生部件，所述信号发生部件与柔性摩擦电传感器连接，将所述柔性摩擦电传感器的电信号转变为其他信号。

13.根据权利要求12所述的柔性机器人，其特征在于，所述信号发生部件为LED灯。

14.根据权利要求1所述的柔性机器人，其特征在于，所述柔性摩擦电传感器设置在爬行机器人部件的腹部或背部。

15.根据权利要求1所述的柔性机器人，其特征在于，一个所述柔性摩擦电传感器设置在爬行机器人部件第一段气动室对应位置的腹部。

16.权利要求15所述的柔性机器人在脉搏感测中的应用。

17.权利要求14所述的柔性机器人在触摸传感中的应用，其中，所述柔性摩擦电传感器设置在爬行机器人部件的背部。

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