CN110625618A - 一种基于电子皮肤的服务机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电子皮肤的服务机器人，包括：可移动底座和机器人本体。机器人本体包括机器人胸部，以及设有控制器和信息接收模块的机器人腰部。机器人外壳设有电子皮肤层，电子皮肤层与机器人外壳之间设有压力传感器。可移动底座内设有安全回路和避障模块。当机器人碰到障碍物时，压力传感器感应的压力增加，信息接收模块将压力信号反馈给控制器，控制机器人停止工作，保护人或物体安全。同时，利用安全回路实时监控机器人的运行状态，以便立即停止运转；利用避障模块可以对低矮障碍与透明障碍进行探测，提高防碰撞效果。可见，本实施例提供的机器人，具有防护措施，防碰撞效果好，成本低，可使机器人在突发情况下立刻自动停止工作。

Description

一种基于电子皮肤的服务机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种基于电子皮肤的服务机器人。

背景技术

服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员，主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。目前的大部分服务机器人是没有工作臂的或者有工作臂的也只有一个自由度，手臂部分不具备安全防护装置，运行过程中主要依靠底盘部分的防撞触边感知碰撞。机器人在运行中如果手臂部分接触到障碍物，此时机器人不能感知到碰撞，继续运动的话，就有损伤的可能。

目前，部分服务机器人手臂靠检测电机的电流来感知外力，如果触碰压力小，电机电流变化很小，从而无法精确感知碰触，即触碰信号的产生需要基于一定的力度。

现有技术中，检测碰撞有两种方式，一种是接触式，另一种是非接触式。接触式主要分为基于电容薄膜结构的检测和力敏材料检测。非接触式主要分为红外测障传感器和超声波测距传感器。电容薄膜结构的检测是在导体触碰或人体触碰的情况下才能产生信号，实现检测，而非导体则无法检测到。力敏材料传感器通过传感器变形检测电阻变化来判断是否有物体触碰，但精度不高。红外测障传感器电路简单，检测范围大，但是多个红外传感器之间容易互相干扰，安装位置也要尽可能避免红外信号的碰撞。超声波测距的优点在于测量范围较大且不使用光学信号，被测物体的颜色对于测量结果没有影响，但成本高，对于一些影响声速的因素较敏感，比如温度、风速等，而且最大允许角度较小。可见，现有的服务机器人在碰撞检测上存在防碰效果差的问题。

发明内容

本发明提供了一种基于电子皮肤的服务机器人，以解决现有的服务机器人在碰撞检测上存在防碰效果差的问题。

本发明提供了一种基于电子皮肤的服务机器人，包括：机器人本体和可移动底座，所述机器人本体设置在可移动底座上部，其中，

所述机器人本体包括机器人胸部，以及与机器人胸部连接的机器人腰部；所述机器人胸部的顶端设有头部，所述头部上设有摄像头；所述机器人胸部的相对两端分别通过连接销连接工作臂；

所述工作臂和头部的表面分别设有电子皮肤层，所述电子皮肤层与工作臂的外壳之间、以及电子皮肤层与头部的外壳之间分别设有压力传感器；

所述机器人腰部的内部设有控制器和信息接收模块；所述控制器通过信息接收模块分别与压力传感器和头部的摄像头连接；

所述可移动底座内设有安全回路和与安全回路连接的避障模块，所述安全回路和避障模块分别通过信息接收模块与控制器连接；

所述可移动底座的底部对称设有驱动轮，所述驱动轮由设于可移动底座内部的电机驱动，所述电机与安全回路连接。

可选地，所述安全回路包括电池、开关、保险丝、电池监控器、蜂鸣器和安全继电器；

所述电池的输出端与开关的输入端连接，所述开关的输出端与保险丝的输入端连接，所述保险丝的输出端与电池监控器的输入端连接，所述电池监控器的输出端分别连接蜂鸣器和安全继电器。

可选地，还包括：安全边缘开关和电机控制器；所述安全边缘开关设于可移动底座上，所述电机控制器设于可移动底座内；

所述安全边缘开关的输入端与安全继电器的输出端连接，所述安全边缘开关的输出端与避障模块的输入端连接，所述避障模块的输出端与电机控制器的输入端连接，所述电机控制器的输出端与电机连接。

可选地，所述可移动底座上还设有急停按钮，所述急停按钮通过信息接收模块与控制器连接。

可选地，所述机器人胸部上设有显示屏，所述显示屏通过信息接收模块与控制器连接。

可选地，所述工作臂的末端安装有相机和夹爪，所述相机和夹爪分别通过信息接收模块与控制器连接。

可选地，所述夹爪内设有传感器，所述传感器通过信息接收模块与控制器连接。

可选地，所述避障模块包括红外固态激光近距避障模块和超声波测距避障模块。

由以上技术方案可知，本发明实施例提供的一种基于电子皮肤的服务机器人，包括：可移动底座和设置在可移动底座上的机器人本体。机器人本体包括顶部设有头部的机器人胸部，以及设有控制器和信息接收模块机器人腰部。机器人胸部的相对两端分别通过连接销连接工作臂，工作臂和头部的表面分别设有电子皮肤层，电子皮肤层与工作臂的外壳之间、以及电子皮肤层与头部的外壳之间分别设有压力传感器。可移动底座内设有安全回路和与安全回路连接的避障模块。当机器人工作过程中碰到人体或者物体时，压力通过电子皮肤层传递到压力传感器，压力传感器感应面的压力增加，信息接收模块将压力信号反馈给机器人控制器，控制器控制机器人停止工作，保护人或物体安全。同时，利用安全回路实时监控机器人的运行状态，根据实时监控电流大小控制机器人是否出现异常，进而进行停止运转操作；利用避障模块可以对低矮障碍与透明障碍进行探测，提高防碰撞效果。可见，本实施例提供的机器人，具有防护措施，防碰撞效果好，成本低，可使机器人在突发情况下立刻自动停止工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于电子皮肤的服务机器人的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的电子皮肤层的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的压力传感器的接线图；

图4为本发明实施例提供的安全回路的结构框图。

图示说明：

其中，1-机器人本体，11-机器人本体，12-机器人腰部，13-控制器，14-头部，15-电子皮肤层，16-压力传感器，161-第一引线，162-第二引线，163-电源正极，164-限流电阻，165-电源负极，17-信息接收模块，18-机器人外壳，2-可移动底座，21-电池，22-开关，23-保险丝，24-电池监控器，25-蜂鸣器，26-安全继电器，27-安全边缘开关，28-避障模块，29-电机控制器，3-连接销，4-工作臂，5-驱动轮，6-显示屏，7-夹爪。

具体实施方式

图1为本发明实施例提供的基于电子皮肤的服务机器人的结构示意图。

参见图1，本发明实施例提供的一种基于电子皮肤的服务机器人，包括：机器人本体1和可移动底座2，机器人本体1设置在可移动底座2上部，机器人本体1与可移动底座2连接，由可移动底座2带动机器人本体1移动。

机器人本体1包括机器人胸部11，以及与机器人胸部11连接的机器人腰部12，机器人腰部12与可移动底座2活动连接；机器人胸部11和机器人腰部12形成机器人的躯干，该躯干可以可移动底座2的连接处为支点转动。

机器人胸部11的顶端设有头部14，头部14上设有摄像头，利用该摄像头可完成人脸识别及物体追踪的功能。

机器人胸部11的相对两端分别通过连接销3连接工作臂4，在设有头部14那一端的相对两侧，机器人胸部11分别连接一工作臂4。该工作臂4通过连接销3与机器人胸部11活动连接，使得工作臂4可沿机器人胸部11转动或旋转。

本实施例提供的机器人上的工作臂4为六轴柔性机械臂，机械臂表面用软性材质包裹，同时配备力传感技术，从而保障操作者的安全。该工作臂4的灵敏度高，使机器人的双臂极其灵活，臂展范围大，负载大，适用于各种高精密工作。

为了实现工作臂4的精准抓取物品的目的，工作臂4的末端安装有相机和夹爪7，相机和夹爪7分别通过信息接收模块17与控制器13连接。

工作臂4的末端安装有高精度的相机，用于地面物体的定位。当相机将需要抓取的物品进行准确定位后，将数据传递至信息接收模块17，经过处理后发送至控制器13，由控制器13控制夹爪7去抓取相应的物品。本实施例提供的夹爪7可灵活抓取不同的物品，夹爪7可改变抓取方向，也可调整夹持空间大小，以适应不同形状和尺寸的物体。

夹爪7的抓取方向和夹持空间的调整均由控制器13实现，而控制器13的调整标准则由相机实时拍摄并传递的数据来控制。

由于机器人所夹取的物品，有些硬度、重量较大，如快递盒子、工具箱等，而有些物品较软，如衣物类、食品等，这些需要机器人采用相应的夹取力度来实现夹取，避免出现损坏物品，或夹不住的情况出现。因此，本实施例提供的夹爪7内设有传感器，传感器通过信息接收模块17与控制器13连接。

利用传感器实现对所夹物品表面的感性检测，判断出该物品属于硬质物品还是软质物品，以根据检测结果调整夹爪7的夹取力度。

传感器将检测到的数据传递至信息接收模块17，再经过处理后发送至控制器13，再由控制器13调整夹爪7的夹取力度，控制夹爪7按照调整后的夹取力度夹取相应物品。

由于机器人在工作过程中，需要四处行走，极易接触到障碍物，为了防止机器人因碰撞障碍物而损伤，本实施例提供的机器人，在机器人外壳均设置电子皮肤层15，该电子皮肤层15可让机器人产生触觉，能够让机器人感知到物体的地点和方位以及硬度等信息。该电子皮肤层15采用QCT复合材料制成，具有很好的柔软度。

具体地，如图2所示，在机器人的工作臂4和头部14的表面分别设有电子皮肤层15，以对机器人的外壳进行保护。电子皮肤层15与工作臂4的外壳之间、以及电子皮肤层15与头部14的外壳之间分别设有压力传感器16；电子皮肤层15的内腔均匀粘贴有压力传感器16，即利用电子皮肤层15与机器人外壳18将压力传感器16包裹住。

压力传感器16用于感应机器人是否与障碍物碰触到，当机器人的某个部位碰触到障碍物时，电子皮肤层15产生形变，向内侧产生挤压力，该挤压力会再次作用在压力传感器16上，压力传感器感受到压力后，根据压力的大小来判断机器人与障碍物之间的距离以及碰撞力度，以判断出机器人产生碰撞需调转行走方向，提高防碰撞效果。

压力传感器16的具体接线图如图3所示，压力传感器16通过第一引线161与电源正极163连接，通过第二引线162与电源负极165连接，而压力传感器16与电源负极165之间设有限流电阻，第二引线的另一端连接信息接收模块17，实现压力传感器16与控制器13的连接。

本实施例中，压力传感器16采用薄膜式弯曲压力传感器，该压力传感器16自身很轻薄，体积小，但感测精准度高，可以准确地感应到挤压力。压力传感器16排布在机器人外壳18上，形成传感器网络，来感知外部对机器人电子皮肤层15上产生的压力和位置。当压力传感器16感应到的压力增加时，其阻抗就会减少，从而取得压力数据。

为了当机器人触碰到障碍物后可以及时地调转方向，需要利用总控制模块来实现数据的获取以及控制指令的发出，因此，本实施例中，机器人腰部12的内部设有控制器13和信息接收模块17；控制器13通过信息接收模块17分别与压力传感器16和头部14的摄像头连接。

信息接收模块17用于对压力传感器16采集到的压力值进行判断，将判断结果发送至控制器13，由控制器13控制机器人作出相应动作。

本实施例中，通过信息接收模块17采集薄膜式弯曲压力传感器的电阻值信号，薄膜式弯曲压力传感器连接到信息接收模块17，并将模拟信号转为数字量进行处理。当机器人的工作臂4运行中感测到外力时，机器人外壳18设置的电子皮肤层15首先感测到力，同时将力传到粘贴在电子皮肤层15下的薄膜式弯曲压力传感器，压力传感器16感应面的压力增加，电阻变小，信息接收模块17将压力数值传给机器人的控制器13，机器人控制器13控制机器人马上停止或调转方向。当人体或物体等障碍物移走后，控制器13复位机器人，使机器人重新工作，有效保护人或物体的安全。

同理，机器人头部14的摄像头与控制器13连接，摄像头将扫描的人脸图像或物品位置信息通过信息接收模块17进行处理，处理后发送至控制器13，以完成人脸识别过程，或对物品的追踪过程。

本实施例提供的可移动底座2为AGV(Automated Guided Vehicle，自动导引运输车)，导航方式为激光雷达，同时配备有高速立体视觉摄像头，以完成地面物体的抓取和场景的建模。

为了保证可移动底座2的使用安全，进而保证机器人的运行稳定性，本实施例中，可移动底座2内设有安全回路和与安全回路连接的避障模块28，安全回路和避障模块28分别通过信息接收模块17与控制器13连接。

安全回路可实时监控机器人的运行状态，根据实时监控电流大小控制机器人是否出现异常，进而进行停止运转操作，提高防碰撞效果。

本实施例中，如图4所示，安全回路包括电池21、开关22、保险丝23、电池监控器24、蜂鸣器25和安全继电器26；

电池21的输出端与开关22的输入端连接，开关22的输出端与保险丝23的输入端连接，保险丝23的输出端与电池监控器24的输入端连接，电池监控器24的输出端分别连接蜂鸣器25和安全继电器26。

安全回路由电池21、开关22、保险丝23、电池监控器24、蜂鸣器25和安全继电器26构成。旋转开关22，电池21开始给机器人供电，一旦电流过大，保险丝23会断开，保护机器人的电器元件。电池监控器24监控电池的电量，当电池21的电量低于下限值时，电池监控器24发出信号给蜂鸣器25，蜂鸣器25发出声音提示操作者及时充电。当机器人的供电系统正常时，安全继电器26的线圈通电，安全继电器26的触点闭合。

本实施例提供的机器人，还包括：安全边缘开关27和电机控制器29；安全边缘开关27设于可移动底座2上，电机控制器29设于可移动底座2内。

安全边缘开关27的输入端与安全继电器26的输出端连接，安全边缘开关27的输出端与避障模块28的输入端连接，避障模块28的输出端与电机控制器29的输入端连接，电机控制器29的输出端与电机连接。

安全边缘开关27设于可移动底座2的四周，用于切断安全回路。当受到人体或其他物体挤压时会输出一个开关信号，使安全回路断开，电机控制器29既能断开电机，同时又能使电机抱闸锁死，从而控制机器人停止，提高防碰撞效果。

在实际应用中，在机器人没有碰触到障碍物时，安全边缘开关27触点也是闭合的，避障模块28触点也是闭合的，电池21输出24V电源，电机控制器29得电，此时可以控制电机启动、停止及控制电机的转速。当机器人检测到外部障碍物时，安全边缘开关27或避障模块28触点断开，电机控制器29断电，电机停止运转。另外，当电池21电量低于下限值或保险丝23断开时，安全继电器26线圈断电，同时安全继电器26触点断开，电机控制器29同样断电，电机停止运转。

为了解决对于低矮障碍与透明障碍的探测，本实施例采用的避障模块28包括红外固态激光近距避障模块和超声波测距避障模块，可发挥每个传感器的优势功能，避免传感器的弱点，同时成本低廉。

为实现可移动底座2带着机器人本体1的移动，可移动底座2的底部对称设有驱动轮5，驱动轮5由设于可移动底座2内部的电机驱动，电机与安全回路连接。

驱动轮5由直流无刷电机驱动，并装有编码器反馈，电机由电机控制器29控制，而电机控制器29与机器人的控制器13连接。

当通过机器人外壳18设置的压力传感器16检测到压力数据，并判断出遇到障碍物后，由控制器13将停止信号传递给电机控制器29，由电机控制器29控制电机停止提供驱动力。

在其他实施例中，本实施例提供的机器人的可移动底座2上还设有急停按钮，急停按钮通过信息接收模块17与控制器13连接。

急停按钮用于当机器人出现紧急情况时，直接拍下，可立即停止机器人的工作，防止机器人在紧急情况下继续运行，易对机器人造成损伤。

按下急停按钮后，由信息接收模块17采集到该信号，经过处理后传递至控制器13，由控制器13控制机器人停止工作。

另外，本实施例提供的机器人，在机器人胸部11上设有显示屏6，显示屏6通过信息接收模块17与控制器13连接。

显示屏6可便于工作人员的操作，控制机器人的启动和停止。工作人员在显示屏6上产生的操作，对应的控制信号由信息接收模块17接收并处理，再传递至控制器13，以使得控制器13实现对机器人的控制。

由以上技术方案可知，本发明实施例提供的一种基于电子皮肤的服务机器人，包括：可移动底座2和设置在可移动底座2上的机器人本体1，机器人本体1包括顶部设有头部14的机器人胸部11，以及设有控制器13和信息接收模块17机器人腰部12。机器人胸部11的相对两端分别通过连接销3连接工作臂4，工作臂4和头部14的表面分别设有电子皮肤层15，电子皮肤层15与工作臂4的外壳之间、以及电子皮肤层15与头部14的外壳之间分别设有压力传感器16。可移动底座2内设有安全回路和与安全回路连接的避障模块28。当机器人工作过程中碰到人体或者物体时，压力通过电子皮肤层15传递到压力传感器16，压力传感器16感应面的压力增加，信息接收模块17将压力信号反馈给机器人控制器13，控制器13控制机器人停止工作，保护人或物体安全。同时，利用安全回路实时监控机器人的运行状态，根据实时监控电流大小控制机器人是否出现异常，进而进行停止运转操作；利用避障模块28可以对低矮障碍与透明障碍进行探测，提高防碰撞效果。可见，本实施例提供的机器人，具有防护措施，防碰撞效果好，成本低，可使机器人在突发情况下立刻自动停止工作。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种基于电子皮肤的服务机器人，其特征在于，包括：机器人本体(1)和可移动底座(2)，所述机器人本体(1)设置在可移动底座(2)上部，其中，

所述机器人本体(1)包括机器人胸部(11)，以及与机器人胸部(11)连接的机器人腰部(12)；所述机器人胸部(11)的顶端设有头部(14)，所述头部(14)上设有摄像头；所述机器人胸部(11)的相对两端分别通过连接销(3)连接工作臂(4)；

所述工作臂(4)和头部(14)的表面分别设有电子皮肤层(15)，所述电子皮肤层(15)与工作臂(4)的外壳之间、以及电子皮肤层(15)与头部(14)的外壳之间分别设有压力传感器(16)；

所述机器人腰部(12)的内部设有控制器(13)和信息接收模块(17)；所述控制器(13)通过信息接收模块(17)分别与压力传感器(16)和头部(14)的摄像头连接；

所述可移动底座(2)内设有安全回路和与安全回路连接的避障模块(28)，所述安全回路和避障模块(28)分别通过信息接收模块(17)与控制器(13)连接；

所述可移动底座(2)的底部对称设有驱动轮(5)，所述驱动轮(5)由设于可移动底座(2)内部的电机驱动，所述电机与安全回路连接。

2.根据权利要求1所述的基于电子皮肤的服务机器人，其特征在于，所述安全回路包括电池(21)、开关(22)、保险丝(23)、电池监控器(24)、蜂鸣器(25)和安全继电器(26)；

所述电池(21)的输出端与开关(22)的输入端连接，所述开关(22)的输出端与保险丝(23)的输入端连接，所述保险丝(23)的输出端与电池监控器(24)的输入端连接，所述电池监控器(24)的输出端分别连接蜂鸣器(25)和安全继电器(26)。

3.根据权利要求2所述的基于电子皮肤的服务机器人，其特征在于，还包括：安全边缘开关(27)和电机控制器(29)；所述安全边缘开关(27)设于可移动底座(2)上，所述电机控制器(29)设于可移动底座(2)内；

所述安全边缘开关(27)的输入端与安全继电器(26)的输出端连接，所述安全边缘开关(27)的输出端与避障模块(28)的输入端连接，所述避障模块(28)的输出端与电机控制器(29)的输入端连接，所述电机控制器(29)的输出端与电机连接。

4.根据权利要求1所述的基于电子皮肤的服务机器人，其特征在于，所述可移动底座(2)上还设有急停按钮，所述急停按钮通过信息接收模块(17)与控制器(13)连接。

5.根据权利要求1所述的基于电子皮肤的服务机器人，其特征在于，所述机器人胸部(11)上设有显示屏(6)，所述显示屏(6)通过信息接收模块(17)与控制器(13)连接。

6.根据权利要求1所述的基于电子皮肤的服务机器人，其特征在于，所述工作臂(4)的末端安装有相机和夹爪(7)，所述相机和夹爪(7)分别通过信息接收模块(17)与控制器(13)连接。

7.根据权利要求6所述的基于电子皮肤的服务机器人，其特征在于，所述夹爪(7)内设有传感器，所述传感器通过信息接收模块(17)与控制器(13)连接。

8.根据权利要求1所述的基于电子皮肤的服务机器人，其特征在于，所述避障模块(28)包括红外固态激光近距避障模块和超声波测距避障模块。