CN110587662B - 一种多功能聚合物机器人皮肤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全柔性机器人皮肤，与机器人手指兼容，聚合物应变传感器粘接在背面，聚合物电容压力传感器粘接在机器人手指的指尖，实现对机器人运动能力与操作过程状态监测。机器人皮肤的功能传感器与基板均采用聚合物材料制备，不同聚合物功能材料均采用溶液化凝胶法制备，适用于大规模生产制造。在机器人手指抓取物体过程中，压力传感器作为一负反馈为控制机器人手指是否成功抓取指定物体提供判据，避免损伤物体。全柔性聚合物机器人皮肤提高机器人皮肤的柔软特性与可穿戴性能，提高机器人手指感知与灵巧操作能力。

Description

一种多功能聚合物机器人皮肤及其制备方法

技术领域

本发明涉及柔性电子制造与机器人皮肤领域，特别涉及一种多功能聚合物机器人皮肤及其制备方法。

背景技术

机器人皮肤集成多种传感器，集成在机器人手指、机械手等装置上，拓展了机器人的感知与运动执行能力，为机器人直接认识外部环境提供了多源信息，将在类灵巧指、机器人抓取等领域具有广泛的应用前景。

机器人皮肤安装于机器人表面，实时记录机器人的操作与运动状态，在机器人完成抓取、加工等复杂任务时，机器人皮肤中的多种传感器协同感知，提高机器人的感知能力。目前机器人皮肤的研究吸引了学界与业界的大量关注，唐玮、张建凯等发明一种基于磁流变液的柔顺可控手指，实现磁流变液连续的、可控的“液—固”状态转换，提高机器人与外部世界相互协调工作能力（一种柔顺性可控的仿生手指，CN201310718392.0）。杨少明发明一种柔性敏感人工皮肤，具有类皮肤的柔韧性和多维感知能力，满足机器人皮肤的高感度、柔韧性与多功能化的要求（柔性敏感人工皮肤，CN201520277255.2）。当前柔性机器人皮肤与机器人的集成以及如何在机器人操作中的应用有待研究，发明多功能聚合物机器人皮肤，实现柔软电子皮肤与硬质机器人手指的无缝集成，提高机器人手指的感知与灵巧操作能力。

实际中，多功能聚合物机器人皮肤广泛应用在机器人抓取、操作与加工中，在机器人手术、虚拟现实等领域具有广阔的场景，多功能聚合物机器人皮肤的材料、功能结构与加工制备有待进一步研究。集成多种感知能力，为机器人手指的灵巧操作与人机交互提供技术支撑。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的第一目的在于提供一种多功能聚合物机器人皮肤，包括柔性应变与压力感知功能，聚合物应变传感器粘接在背面，聚合物电容压力传感器粘接在机器人手指的指尖。结合机器人手指的几何尺寸，设计出机器人皮肤的几何尺寸，并且将不同功能的传感器设计与集成在柔性基板的指定位置上，实现长时间、稳定记录机器人手指的运动与动作状态信息；压力传感器记录机器人手指的接触压力情况，在机器人手指抓取物体过程中，电容压力传感器作为一负反馈为控制机器人手指是否成功抓取指定物体提供判据，从而避免损伤物体。

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的第二目的在于提供一种多功能聚合物机器人皮肤的制备方法，机器人皮肤的功能传感器与基板均采用聚合物材料制备，不同聚合物功能材料均采用溶液化凝胶法制备，适用于大规模生产制造。全柔性聚合物机器人皮肤提高机器人皮肤的柔软特性与可穿戴性能，为机器人手指在抓取中提高操作能力的灵活性。

进一步地，所述多功能聚合物机器人皮肤的制备方法，包括以下步骤：

（1）合成有机聚合物，完成柔性衬底的制备，并切割成与机器人手指兼容的尺寸；

（2）合成导电聚合物材料，为传感器的制备与集成提供准备与技术支持；

（3）完成基于导电聚合物1的应变传感器制备，同时完成基于导电聚合物的电容压力传感器的制备；

（4）分别将应变和压力传感器单元转移到柔性衬底的指定位置，完成机器人皮肤的功能集成；

（5）利用丝网印刷将导电溶液印制到机器人皮肤上，将传感信号引出来，支撑机器人的感知应用；

（6）通过双面胶将机器人皮肤安装到机器人手指的指定位置上，保证机器人皮肤能够跟随机器人手指的运动；

（7）实时记录机器人手指操作过程中的应变与接触压力信息，为提高机器人的精密操作能力。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于本发明一种多功能聚合物机器人皮肤，集成柔性应变与电容压力传感功能，应变传感器用于记录机器人手指的弯曲状态信息，压力传感器粘接在指尖用于记录机器人手指的接触压力信息，在机器人手指抓取物体过程中，指尖的压力传感器作为压力负反馈信息提高机器人手指抓取物体的成功率，避免损伤物体，提高机器人手指的感知能力。

本发明多功能聚合物机器人皮肤，采用有机高分子聚合物溶液化制备，基底与感知功能材料均采用有机聚合物，具有很大的弹性变形能力，与机器人手指兼容，提高机器人手指的环境适应能力，所采用的的聚合物材料适用于工业大规模生产制造，提高多功能聚合物机器人皮肤的制造效率。

综上所述，本发明多功能聚合物机器人皮肤，主要由功能聚合物组成，制备简单，与机器人手指具有良好的兼容性，提高机器人皮肤的可穿戴性能，具有良好的弯曲角度和接触压力感知灵敏度；集成弯曲角度与接触压力的机器人皮肤将机器人手指抓取过程中提供负反馈信息，提高机器人皮肤抓取物体的成功率。

附图说明

图1 为多功能聚合物机器人皮肤结构示意图，集成机器人弯曲的应变感知模块和接触感知的压力模块，（a）机器人皮肤集成到机器人手指上的背面和正面示意图；（b）机器人皮肤结构设计草图；（c）机器人皮肤功能模块工作原理。

图2为多功能聚合物机器人皮肤功能测试结果，（a）应变功能测试分析；（b）电容压力结果分析。

图3 为多功能聚合物机器人皮肤制备工艺流程图。

图4为基于多功能聚合物机器人皮肤的机器人手指抓取过程控制框架图，集成了电容压力的负反馈抓取操作控制。

图中符号意义说明如下：

11-机器人手指；12-机器人的单个手指；13-机器人皮肤中的应变传感器；14-电容压力传感器；15-机器人皮肤的柔性衬底；16-电容压力传感器的介电层；17-电容传感器的聚合物电极；18-聚合物应变传感器工作原理；19-集成应变与压力感知功能的聚合物机器人皮肤。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参见图1，所设计加工制备的多功能聚合物机器人皮肤19包括机器人手指11弯曲的应变感知模块和接触感知的压力模块。多功能聚合物机器人皮肤穿戴在对应的机器人手指12上，对应的背面视图如图1a的左边部分所示，机器人手指上对应的应变传感器13采用导电聚合物薄膜切割指定大小的条状，用于监测机器人手指弯曲的角度。在正面视图（图1a的右边部分）中，电容压力传感器14粘结在机器人的指尖位置上，用于记录机器人手指抓取物体过程的接触压力。所设计的单个手指形状的机器人电子皮肤19如图1b所示，基于导电聚合物的应变与电容压力传感器均集成在同一弹性基板15上，所设计的机器人皮肤形状与机器人手指形状兼容，方便其穿戴于机器人手指中，当前制备的机器人皮肤最终通过胶带粘接在机器人手指上。参见图1c，给出了机器人皮肤的功能原理示意图，应变传感器采用条状的导电聚合物薄膜1，具有压阻特性，在外加应变的作用下，会产生电阻变化。电容压力传感器的电极17采用导电聚合物薄膜2，中间的介电层16采用VHB 4910双面胶带，在外加压力的作用下，所制备的电容压力传感器的电容值会发生变化。当前所制备的机器人皮肤，集成应变与电容传感功能，采用柔性聚合物制备，与机器人手指兼容性好，提高机器人手指的感知能力，以及实现机器人手指运动过程的弯曲状态监测。

例如图2所示，给出了机器人皮肤的应变传感器和压力传感器记录到的应变与压力信息。图2a为应变传感器在给出外加应变的作用下，其输出的电阻变化与外加应变之间存在线性关系，应变大小随着机器人手指弯曲角度的增大而增大。图2b为电容压力传感器在给出外加压力的作用下，其输出的电容变化随着外加压力的增加而增大，最终趋于稳定。

本发明给出多功能聚合物机器人皮肤的制备方法，参见图3，包括以下步骤：

（1）利用聚二甲硅氧烷溶液与其固化剂以10:1的质量比合成有机聚合物，通过搅拌、抽真空、静置、加热固化等过程完成柔性聚二甲硅氧烷基板的制备，并切割成与机器人手指兼容的尺寸；

（2）将导电离子胶单体粉末（丙烯酰胺）、交联剂（亚甲基双丙烯酰胺）、自由基引发剂（过硫酸铵）、催化剂（四甲基乙二胺）、离子盐（氯化钠）等按照一定的比例与次序在去离子水中合成导电离子胶薄膜，通过搅拌、紫外光照等工艺过程合成导电离子胶薄膜；

（3）将导电离子胶薄膜切割成相应的大小形状，基于导电离子胶薄膜的应变传感器制备；同时电容压力传感器的电极材料采用导电离子胶，介电层材料采用双面胶带VHB4910（3M公司），完成电容压力传感器的制备；

（4）分别将应变和压力传感器单元转移到柔性聚二甲硅氧烷基板的指定位置，与机器人手指的大小兼容，完成机器人皮肤的功能集成；

（5）利用丝网印刷将导电溶液（碳膏）印制到机器人皮肤上，将传感信号引出来，并与采集功能模块相连，为监测机器人手指的弯曲状态与接触压力提供支持；

（6）通过双面胶将机器人皮肤安装到机器人手指的指定位置上，柔软特性与机器人手指兼容，保证机器人皮肤能够跟随机器人手指的运动；

（7）实时记录机器人手指操作过程中的应变与接触压力信息，应变传感器记录机器人手指的弯曲状态信息，利用应变信息提高机器人的操作能力；电容压力传感器记录机器人皮肤的接触压力信息，服务机器人手指抓取过程中的抓取操作能力，避免损伤物体。

参见图4，机器人手指穿戴机器人皮肤，用于抓取指定物体，其给出了力负反馈控制的机器人皮肤的控制框架。机器人皮肤穿戴在机器人手指上，机器人手指在脱机作用下弯曲变形，用于抓取物体，所设计的机器人皮肤中的应变传感器将记录到机器人手指弯曲过程的应变信息。当机器人手指弯曲到指定的角度时，机器人手指的指尖将与物体接触，机器人皮肤中的压力传感器将记录到接触压力情况，当多个指尖的压力传感器记录到接触压力值时，表示机器人手指已经成功抓取了物体，生成相应的压力反馈信息并传送给机器人手指上，机器人手指将停止继续弯曲，避免损伤物体。

所设计的机器人皮肤中的应变传感器能实时记录机器人手指的弯曲状态，为实时控制机器人手指的弯曲状态提供数据支撑，所设计的压力传感器将记录机器人手指在抓取的接触压力情况，生成负反馈信息，为构建支持负反馈控制的机器人手指抓取过程提供技术支持。所设计制备的机器人皮肤将拓展机器人手指的感知与操作能力。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (1)

1.一种多功能聚合物机器人皮肤，包括基于应变的运动状态监测模块和基于电容压力的接触模块；功能模块均集成在同一弹性基板上，粘接在机器人手指上，跟随机器人手指的运动；应变传感器用于记录机器人手指的弯曲与运动状态，压力传感器记录机器人手指的接触压力情况，在机器人手指抓取物体过程中，电容压力传感器作为一负反馈为控制机器人手指是否成功抓取指定物体提供判据，从而避免损伤物体；多功能聚合物机器人皮肤制备方法包括以下步骤：

（1）合成有机聚合物，完成柔性衬底的制备，并切割成与机器人手指兼容的尺寸；

（2）合成导电聚合物材料，为传感器的制备与集成提供准备与技术支持；

（3）完成基于导电聚合物的应变传感器制备，同时完成基于导电聚合物的电容压力传感器的制备；

（4）分别将应变和压力传感器单元转移到柔性衬底的指定位置，完成机器人皮肤的功能集成；

（5）利用丝网印刷将导电溶液印制到机器人皮肤上，将传感信号引出来，支撑机器人的感知应用；

（6）通过双面胶将机器人皮肤安装到机器人手指的指定位置上，保证机器人皮肤能够跟随机器人手指的运动；

（7）实时记录机器人手指操作过程中的应变与接触压力信息，为提高机器人的精密操作能力。

Images