CN114459642B - 一种全局刚度可控的机器人仿生柔性电子皮肤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全局刚度可控的机器人仿生柔性电子皮肤。包含三级感知系统。一级感知为迫近感知，由电容式迫近柔性传感器阵列组成，可感知人机迫近距离、迫近速度、迫近方向；二级感知为灵敏接触感知，采用仿生毛发结构的灵敏柔性触觉传感器，可检测接触力；三级感知为负载敏感触觉感知，采用一体化集成的柔性触觉传感器和柔性驱动器，可全局调整柔性电子皮肤刚度，可检测接触压力，改变测量量程和灵敏度，进而实现动态负载自适应。本发明可通过多级感知系统对多源多模态信号进行检测。

Description

一种全局刚度可控的机器人仿生柔性电子皮肤
技术领域
本发明涉及了一种传感装置，特别是涉及了一种全局刚度可控的机器人仿生柔性电子皮肤。
背景技术
机器人现已被广泛的应用于生产生活，机器人在日常的生产生活中不可避免的需要于人、环境进行交互。在机器人于人、环境交互的过程中，安全性是最为基础且重要的环节。
为提高人机交互的安全性，传统方法有对机器人进行柔性材料包覆、机械限位等，但此类方法属于碰撞事件发生后的被动控制方法，只能尽可能地减小机器人对外界或人体的伤害，无法主动避免伤害。主动感知外界环境并在预测有突发状况时，机器人采取紧急控制措施，如主动停止、延接近方向返回、绕行等，是一种提高安全性有效的手段，该方案需要机器人具备对感知外界环境充分感知、理解的能力，并对自身行为的安全性做出判断。
触觉和接近觉都是感知外界环境的关键方式。目前，接近觉常使用光电传感器、超声波传感器或电容式传感器；触觉信号常使用敏感电子皮肤。现有的这些传感器大多只能检测单一信号，且量程、灵敏度不可根据环境动态调整，只能适用于简单、结构化、稳定的环境。面对复杂多变的环境时，只安装此类传感器的机器人难以进行合理有效的应对。
发明内容
为了解决现有柔性电子皮肤感知外界环境信号单一的问题，本发明提出了一种基于多源异类传感器的机器人仿生柔性电子皮肤。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：
本发明包括迫近感知层、灵敏接触感知层和负载敏感触觉感知层；
灵敏接触感知层层叠铺设在负载敏感触觉感知层上表面，灵敏接触感知层的上表面设置有迫近感知层，迫近感知层、灵敏接触感知层和负载敏感触觉感知层分别用于检测外界物体对皮肤的迫近、接触和压力，其中负载敏感触觉感知层的调节实现仿生柔性电子皮肤的全局刚度可控。
所述灵敏接触感知层由多个基于仿生毛发结构的灵敏柔性触觉传感器以阵列形式进行拼接后层叠铺设在负载敏感触觉感知层上表面；
所述灵敏柔性触觉传感器包括平整柔性基底、柔性毛发结构、柔性电阻式应变传感器和柔性电极；
平整柔性基底的中部开有十字槽，十字槽的四个分支槽中均设置有柔性毛发结构，每个柔性毛发结构的一端与平整柔性基底固定连接，每个柔性毛发结构的另一端往十字槽的中间延伸并向上产生形变后与另外三个柔性毛发结构的另一端固定连接，使得四个柔性毛发结构共同构成三维的仿生毛发结构；每个柔性电阻式应变传感器设置在对应柔性毛发结构的上表面和靠近当前柔性毛发结构的平整柔性基底上表面；每个柔性电阻式应变传感器与对应的柔性电极电连接
所述负载敏感触觉感知层包括多孔柔性基底和多个负载敏感柔性触觉传感器，多个负载敏感柔性触觉传感器以阵列形式地嵌装在多孔柔性基底中，多孔柔性基底和多个负载敏感柔性触觉传感器上层叠铺设灵敏接触感知层。
所述负载敏感柔性触觉传感器包括硅胶气室单元、触觉传感单元，触觉传感单元嵌装于硅胶气室单元内；
触觉传感单元包括两根导线、两根铜针和柔性多孔传感单元主体；
每根导线的一端与对应铜针的一端进行焊接，两根铜针的另一端分别插到柔性多孔传感单元主体的上部和下部，两根铜针在空间上正交设置；
硅胶气室单元包括气室主体、气室封盖、气管、无弹性布；
气室主体的底部开口，气室主体的底部套装在气室封盖中实现气室主体的密封，气室主体内嵌装有柔性多孔传感单元主体，气室主体和气室封盖外包覆无弹性布，气管的一端穿过气室封盖使得气管设置在气室主体内，气管的另一端与外部的控制阀及气泵相连接，通过气管对气室内充放气进而实现气室主体的刚度调节；两根导线的另一端通过气室主体和气室封盖之间的缝隙引出或从气管中引出。
所述气室主体、气室封盖和气管之间硅胶粘连剂进行密封。
所述迫近感知层包括多个非接触电容式迫近柔性传感器；多个非接触电容式迫近柔性传感器呈阵列形式地间隔铺设在灵敏接触感知层上。
所述灵敏柔性触觉传感器的加工过程为：先在柔性基底的中部运用激光加工技术切割出一个柔性毛发结构，在切割完成的柔性基底上打印柔性电阻式应变传感器和柔性电极，再将打印完成的四块柔性基底层叠布置后形成四层基底结构，四层基底结构中对应的柔性毛发结构在十字槽中对称设置，四层基底结构中对应的柔性毛发结构的端部相互对顶变形后形成三维的仿生毛发结构，再使用粘合剂粘连仿生毛发结构的尖端，形成立体的仿生毛发结构。
所述负载敏感触觉感知层的制作方法具体为：将负载敏感柔性触觉传感器按矩阵排列的形式排布在模具中，通过发泡工艺发泡填充负载敏感柔性触觉传感器间隙，形成柔性基底，待柔性基底发泡完成后，形成负载触觉感知层。
本发明的工作原理是：
所述的迫近感知层采用非接触电容式迫近柔性传感器，传感器的结构为单片电极，原理是自电容。检测电路可检测单片电极与地之间的电容，当有物体接近单片电极时，单片电极与地之间的电容值会发生变化，通过检测电容值的大小可以用于检测迫近物体的距离、迫近速度。
所述的灵敏接触感知层采用基于仿生毛发结构的灵敏柔性触觉传感器。传感器在三维结构上有类似毛发的立体结构，仿生毛发结构表面附有功能墨水打印的柔性传感器，这种柔性传感器会在形变时发生电阻值的变化。当外界有轻微的碰触力，仿生毛发结构就会产生形变，进而使柔性传感器的电阻发生变化。微接触力的大小不同，仿生毛发结构产生的形变也不同，柔性传感器的电阻值也不同。通过监测柔性传感器电阻值的大小可用于检测微接触力的大小。每个立体三维毛发结构使用四层毛发对顶，这使得每个仿生毛发结构稳定性更强。同时，通过对四个柔性传感器数据处理，整个灵敏接触感知层可以检测全方向的接触力。
所述的负载触觉感知层采用阵列排布的负载敏感柔性触觉传感器，由硅胶气室单元和触觉传感单元组成。触觉传感单元采用柔性多孔传感器，柔性多孔传感器在受到外界压力时，内部会发生形变，导致其电阻值发生变化，通过检测柔性多孔传感器电阻值的大小可用于检测外力大小。硅胶气室的刚度会随着硅胶气室内的气压变化发生改变。在外力相同的情况下，硅胶气室内部的气压越大，则传感器的形变量越小，柔性多孔传感器的电阻变化也越小；反之，电阻变化量更大。因此调节硅胶气室的气压可调节负载敏感柔性触觉传感器的量程和灵敏度。柔性多孔传感器内部为疏松的多孔结构，不会对硅胶气室内部的充放气产生影响，所以在内部有柔性多孔传感器时，硅胶气室仍可以自由地充放气。
本发明的有益效果为：
本发明与传统的柔性电子皮肤相比，传统的柔性电子皮肤只能对单模态信号进行感知，且测量量程和灵敏度固定，不能随外界环境的变化而改变，这造成了柔性电子皮肤应用的局限性。本发明中的仿生柔性电子皮肤可以检测迫近、微接触、压力三种感知模态。并且这种仿生柔性电子皮肤可以通过硅胶气室的充放气实现刚度的调节，同时改变负载敏感触觉感知层压力检测的范围和灵敏度。这使本发明可以应用于更复杂多变的环境。
而本发明中的基于仿生毛发结构的灵敏柔性触觉传感器使用了仿生毛发结构，每一个毛发传感器有四个方向的毛发对顶，这使得基于仿生毛发结构的灵敏柔性触觉传感器稳定性更高；同时，通过对四个传感器数据分析，此传感器可以检测全方向移动的微接触力。
本发明中的负载触觉感知层，使用了触觉传感单元内嵌于硅胶气室单元的方案，相较于触觉传感单元与硅胶气室单元分开的结构，此方案具有全局刚度可调、所有位置压力可测的特点。这使本发明中的负载触觉感知层同时具有可以抵御更大的冲击，检测更大的力，传感分辨率高的特点。
附图说明
图1为本发明的正视图；
图2为本发明的轴测图；
图3为本发明的结构示意图；
图4为本发明的非接触电容式迫近柔性传感器结构图；
图5为本发明的仿生毛发结构的灵敏柔性触觉传感器变形前示意图；
图6为本发明的仿生毛发结构的灵敏柔性触觉传感器变形后示意图图；
图7为本发明的负载触觉感知层的俯视图；
图8为本发明的硅胶气室单元和触觉传感单元的结构示意图；
图9为本发明中软管与导线分离结构示意图；
图10为本发明中导线与硅胶气室分离的结构示意图；
图中：1.迫近感知层、10.非接触电容式迫近柔性传感器、2.灵敏接触感知层、20.灵敏柔性触觉传感器、201.平整柔性基底、202.柔性毛发结构、203.柔性电阻式应变传感器、204.柔性电极、3.负载触觉感知层、30.负载敏感柔性触觉传感器、31.硅胶气室单元、32.触觉传感单元、33.多孔柔性基底、311.气室主体、312.气室封盖、313.气管、314.无弹性布、321.导线、322.铜针、323.柔性多孔传感单元主体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1、图2和图3所示，本发明包括迫近感知层1、灵敏接触感知层2和负载敏感触觉感知层3；
灵敏接触感知层2层叠铺设在负载敏感触觉感知层3上表面，灵敏接触感知层2的上表面设置有迫近感知层1，迫近感知层1、灵敏接触感知层2和负载敏感触觉感知层3分别用于检测外界物体对皮肤的迫近、接触和压力，其中负载敏感触觉感知层3的调节实现仿生柔性电子皮肤的全局刚度可控。
如图5和图6所示，迫近感知层1包括多个非接触电容式迫近柔性传感器10；多个非接触电容式迫近柔性传感器10呈阵列形式地间隔铺设在灵敏接触感知层2的平整柔性基底201上，具体实施中，各个非接触电容式迫近柔性传感器10均与外接电路相连，外接电路用于检测非接触电容式迫近柔性传感器10的状态进而检测外界物体对皮肤的迫近距离等。
具体实施中，非接触电容式迫近柔性传感器10采用点胶打印或喷墨打印工艺进行加工，并且以最顶层的平整柔性基底201作为基底，制备步骤具体为：将功能墨水按设计好的图案打印于基底，打印完成后使用真空吸附加热法对非接触电容式迫近柔性传感器10进行后处理。非接触电容式迫近柔性传感器10的图案包括平面形、S形、天线形、环形，分别如图4的a、b、c和d所示。
灵敏接触感知层2由多个基于仿生毛发结构的灵敏柔性触觉传感器20以阵列形式进行拼接后层叠铺设在负载敏感触觉感知层3上表面；
灵敏柔性触觉传感器20包括平整柔性基底201、柔性毛发结构202、柔性电阻式应变传感器203和柔性电极204；
平整柔性基底201的中部开有十字槽，十字槽的四个分支槽中均设置有柔性毛发结构202，每个柔性毛发结构202的一端与平整柔性基底201固定连接，每个柔性毛发结构202的另一端往十字槽的中间延伸并向上产生形变后与另外三个柔性毛发结构202的另一端固定连接，使得四个柔性毛发结构202共同构成三维的仿生毛发结构；每个柔性电阻式应变传感器203设置在对应柔性毛发结构202的上表面和靠近当前柔性毛发结构202的平整柔性基底201上表面；柔性电阻式应变传感器203用于检测柔性毛发结构202的形变，进而反应灵敏柔性触觉传感器20所受到的接触，仿生毛发结构和四个柔性电阻式应变传感器203均关于平整柔性基底201的中心对称；每个柔性电阻式应变传感器203与对应的柔性电极204电连接，灵敏接触感知层2中每一行的所有柔性电阻式应变传感器203的柔性电极204的一极之间串联，而行与行之间的柔性电极204的一极之间并联；灵敏接触感知层2中每一列的所有柔性电阻式应变传感器203的柔性电极204的另一极之间串联，而列与列之间的柔性电极204的另一极之间并联。具体实施中，每个柔性电极204均与外接电路相连，外接电路用于检测灵敏柔性触觉传感器20的状态进而检测外界物体与机器人仿生柔性电子皮肤的接触。
灵敏柔性触觉传感器20的加工过程为：先在柔性基底的中部运用激光加工技术切割出一个柔性毛发结构(202)，在切割完成的柔性基底上打印柔性电阻式应变传感器(203)和柔性电极(204)，再将打印完成的四块柔性基底层叠布置后形成四层基底结构，四层基底结构中对应的柔性毛发结构(202)在十字槽中对称设置，四层基底结构中对应的柔性毛发结构(202)的端部相互对顶变形后形成三维的仿生毛发结构，再使用粘合剂粘连仿生毛发结构的尖端，形成立体的仿生毛发结构，如图6所示；非接触电容式迫近柔性传感器10、柔性电阻式应变传感器203和柔性电极204的加工须在激光切割之后、三维塑形之前进行。
如图7、图8、图9和图10所示，负载敏感触觉感知层3包括多孔柔性基底33和多个负载敏感柔性触觉传感器30，多个负载敏感柔性触觉传感器30以阵列形式地嵌装在多孔柔性基底33中，多孔柔性基底33的上表面与多个负载敏感柔性触觉传感器30的上表面处于同一平面，多孔柔性基底33和多个负载敏感柔性触觉传感器30上层叠铺设灵敏接触感知层2的平整柔性基底201；
负载敏感柔性触觉传感器30包括硅胶气室单元31、触觉传感单元32，触觉传感单元32嵌装于硅胶气室单元31内；
触觉传感单元32包括两根导线321、两根铜针322和柔性多孔传感单元主体323；
每根导线321的一端与对应铜针322的一端进行焊接，两根铜针322的另一端分别插到柔性多孔传感单元主体323的上部和下部，两根铜针322在空间上正交设置且不接触；
硅胶气室单元31包括气室主体311、气室封盖312、气管313、无弹性布314；
气室主体311为开有空腔的硅胶气室，气室主体311的底部开口，气室主体311的底部套装在气室封盖312中实现气室主体311的密封，气室主体311的顶部不开口，气室主体311内嵌装有柔性多孔传感单元主体323，气室主体311和气室封盖312外包覆无弹性布314，无弹性布314用于限制形变。气管313的一端穿过气室封盖312使得气管313设置在气室主体311内，气管313的另一端与外部的控制阀及气泵相连接，通过气管313对气室内充放气进而实现气室主体311的刚度调节；两根导线321的另一端通过气室主体311和气室封盖312之间的缝隙引出或从气管313中引出后与在外部软管接头处将导线321引到气管313外部，两根导线321的另一端引出后与外部分析电路相连。气室主体311，气室封盖312和气管313进行配合并使用硅胶粘连剂进行密封。
具体实施中，负载敏感触觉感知层3的制作方法具体为：将负载敏感柔性触觉传感器30按矩阵排列的形式排布在摸具中，通过发泡工艺发泡填充负载敏感柔性触觉传感器间隙，形成柔性基底33，待多孔材料发泡完成后，形成负载触觉感知层3。
触觉传感单元32中的柔性多孔传感单元主体323采用多孔柔性材料制备，多孔柔性材料包括聚氨酯海绵、三聚腈氨海绵，柔性多孔传感单元主体323的制备步骤为：采用激光切割工艺将多孔柔性材料切割为指定尺寸，将炭黑颗粒加入正己烷溶液中充分搅拌至分散均匀形成导电溶液，将切割成型的柔性多孔材料浸泡在此导电溶液中，浸泡后取出烘干；导线321和铜针322使用焊接工艺连接，将两铜针322插入柔性多孔传感单元主体323的顶端和底端，并使这两根铜针322相互正交，完成触觉传感单元32的制作。
本发明具体实施方案为：
根据机器人应用场景对于安全智能感知的需求，将机器人仿生柔性电子皮肤覆盖于机器人本体表面，建立基于机械臂模型的基准多源感知单元运动学模型，结合D-H模型的姿态映射方法求解多源感知单元位姿，以柔性传感单元为基准，通过坐标变换得到其余各传感单元的位姿、正压力方向、人机距离等信息。
根据机器人仿生柔性电子皮肤中集成的电容式迫近柔性传感器和触觉传感器构建测距和接触力监测系统，实现机器人对于相邻环境的安全距离和接触力感知，分析处理获取的触觉数据，反向推断碰撞力的大小与接触面的轮廓形状，为划分碰撞力类型和评估损伤程度提供可靠依据。
根据迫近传感器的感知结果划分操作安全性等级，设置安全距离阈值，使机器人在接近障碍物的过程中完成“间距小于安全距离后减速乃至停止”的动作，构建基于迫近感知的分级安全控制策略，为分析对比不同控制方法下机器人、人的损伤降低程度，实现人-机-环境交互中的本质安全提供技术支撑。

Claims (6)

1.一种全局刚度可控的机器人仿生柔性电子皮肤，其特征在于：包括迫近感知层(1)、灵敏接触感知层(2)和负载敏感触觉感知层(3)；
灵敏接触感知层(2)层叠铺设在负载敏感触觉感知层(3)上表面，灵敏接触感知层(2)的上表面设置有迫近感知层(1)，迫近感知层(1)、灵敏接触感知层(2)和负载敏感触觉感知层(3)分别用于检测外界物体对皮肤的迫近、接触和压力，其中负载敏感触觉感知层(3)的调节实现仿生柔性电子皮肤的全局刚度可控；
所述灵敏接触感知层(2)由多个基于仿生毛发结构的灵敏柔性触觉传感器(20)以阵列形式进行拼接后层叠铺设在负载敏感触觉感知层(3)上表面；
所述灵敏柔性触觉传感器(20)包括平整柔性基底(201)、柔性毛发结构(202)、柔性电阻式应变传感器(203)和柔性电极(204)；
平整柔性基底(201)的中部开有十字槽，十字槽的四个分支槽中均设置有柔性毛发结构(202)，每个柔性毛发结构(202)的一端与平整柔性基底(201)固定连接，每个柔性毛发结构(202)的另一端往十字槽的中间延伸并向上产生形变后与另外三个柔性毛发结构(202)的另一端固定连接，使得四个柔性毛发结构(202)共同构成三维的仿生毛发结构；每个柔性电阻式应变传感器(203)设置在对应柔性毛发结构(202)的上表面和靠近当前柔性毛发结构(202)的平整柔性基底(201)上表面；每个柔性电阻式应变传感器(203)与对应的柔性电极(204)电连接；
所述迫近感知层(1)包括多个非接触电容式迫近柔性传感器(10)；多个非接触电容式迫近柔性传感器(10)呈阵列形式地间隔铺设在灵敏接触感知层(2)上。
2.根据权利要求1所述的一种全局刚度可控的机器人仿生柔性电子皮肤，其特征在于：
所述负载敏感触觉感知层(3)包括多孔柔性基底(33)和多个负载敏感柔性触觉传感器(30)，多个负载敏感柔性触觉传感器(30)以阵列形式地嵌装在多孔柔性基底(33)中，多孔柔性基底(33)和多个负载敏感柔性触觉传感器(30)上层叠铺设灵敏接触感知层(2)。
3.根据权利要求2所述的一种全局刚度可控的机器人仿生柔性电子皮肤，其特征在于：
所述负载敏感柔性触觉传感器(30)包括硅胶气室单元(31)、触觉传感单元(32)，触觉传感单元(32)嵌装于硅胶气室单元(31)内；
触觉传感单元(32)包括两根导线(321)、两根铜针(322)和柔性多孔传感单元主体(323)；
每根导线(321)的一端与对应铜针(322)的一端进行焊接，两根铜针(322)的另一端分别插到柔性多孔传感单元主体(323)的上部和下部，两根铜针(322)在空间上正交设置；
硅胶气室单元(31)包括气室主体(311)、气室封盖(312)、气管(313)、无弹性布(314)；
气室主体(311)的底部开口，气室主体(311)的底部套装在气室封盖(312)中实现气室主体(311)的密封，气室主体(311)内嵌装有柔性多孔传感单元主体(323)，气室主体(311)和气室封盖(312)外包覆无弹性布(314)，气管(313)的一端穿过气室封盖(312)使得气管(313)设置在气室主体(311)内，气管(313)的另一端与外部的控制阀及气泵相连接，通过气管(313)对气室内充放气进而实现气室主体(311)的刚度调节；两根导线(321)的另一端通过气室主体(311)和气室封盖(312)之间的缝隙引出或从气管(313)中引出。
4.根据权利要求3所述的一种全局刚度可控的机器人仿生柔性电子皮肤，其特征在于：所述气室主体(311)、气室封盖(312)和气管(313)之间硅胶粘连剂进行密封。
5.根据权利要求1所述的一种全局刚度可控的机器人仿生柔性电子皮肤，其特征在于：所述灵敏柔性触觉传感器(20)的加工过程为：先在柔性基底的中部运用激光加工技术切割出一个柔性毛发结构(202)，在切割完成的柔性基底上打印柔性电阻式应变传感器(203)和柔性电极(204)，再将打印完成的四块柔性基底层叠布置后形成四层基底结构，四层基底结构中对应的柔性毛发结构(202)在十字槽中对称设置，四层基底结构中对应的柔性毛发结构(202)的端部相互对顶变形后形成三维的仿生毛发结构，再使用粘合剂粘连仿生毛发结构的尖端，形成立体的仿生毛发结构。
6.根据权利要求2所述的一种全局刚度可控的机器人仿生柔性电子皮肤，其特征在于：所述负载敏感触觉感知层(3)的制作方法具体为：将负载敏感柔性触觉传感器(30)按矩阵排列的形式排布在模具中，通过发泡工艺发泡填充负载敏感柔性触觉传感器间隙，形成柔性基底(33)，待柔性基底(33)发泡完成后，形成负载触觉感知层(3)。
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