CN205647296U - 基于摩擦发电机的触觉传感器及机器人触觉感知系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于摩擦发电机的触觉传感器及机器人触觉感知系统，该触觉传感器包括：至少一个摩擦发电机；其中，摩擦发电机包括：依次层叠设置的第一电极层，第一高分子聚合物绝缘层，以及第二电极层；其中，摩擦发电机相对的两个表面构成摩擦界面，当外力作用于摩擦发电机上时，摩擦界面相互摩擦，摩擦发电机输出与外力对应的压力电信号；第一电极层和第二电极层构成摩擦发电机的输出端。本实用新型提供的基于摩擦发电机的触觉传感器及机器人触觉感知系统，结构简单、灵敏度及精确度高。
Description
技术领域
本实用新型涉及传感器技术领域，具体涉及一种基于摩擦发电机的触觉传感器及机器人触觉感知系统。
背景技术
机器人已广泛应用于工业生产并逐渐进入了人们的日常生活。传感器技术的发展和应用使机器人日趋智能化，逐渐具备了视觉、触觉和听觉能力。触觉能够使机器人准确获知物体的形状，大小等情况，从而确定适当的拾取力度，保证被拾取物体不被损坏，也确保机器人自身的安全。
现有技术的机器人大多基于压力传感器、压电元件、接触电极等实现触觉感知，但这些传感器存在结构复杂，灵敏度低，精确度低等不足，对于外力改变时有较大的非线性、输出的信号也较弱。因此，基于此类压力传感器、压电元件、接触电极的机器人在触觉反应方面会存在反应慢、判断失误等情况。
实用新型内容
本实用新型的发明目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于摩擦发电机的触觉传感器及机器人触觉感知系统，用于解决现有技术中的传感器结构复杂，灵敏度低，精确度低等问题。
根据本实用新型的一个方面，提供了一种基于摩擦发电机的触觉传感器，包括：至少一个摩擦发电机；其中，摩擦发电机包括：依次层叠设置的第一电极层，第一高分子聚合物绝缘层，以及第二电极层；其中，摩擦发电机相对的两个表面构成摩擦界面，当外力作用于摩擦发电机上时，摩擦界面相互摩擦，摩擦发电机输出与外力对应的压力电信号；第一电极层和第二电极层构成摩擦发电机的输出端。
进一步，还包括：至少一个微动加强层，设置在摩擦发电机内部不构成摩擦界面的两个表面之间，用于加强摩擦发电机在感应外力作用时所输出的压力电信号。
进一步，第一高分子聚合物绝缘层与第二电极层相对的两个表面构成摩擦界面；微动加强层设置在第一电极层和第一高分子聚合物绝缘层之间。
进一步，摩擦发电机还包括：第二高分子聚合物绝缘层；第二高分子聚合物绝缘层设置在第一高分子聚合物绝缘层和第二电极层之间；其中，第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层相对的两个表面构成摩擦界面；
微动加强层设置在第一电极层与第一高分子聚合物绝缘层之间；和/或，设置在第二高分子聚合物绝缘层与第二电极层之间。
进一步，摩擦发电机还包括：第二高分子聚合物绝缘层和居间薄膜层；第二高分子聚合物绝缘层层叠设置在第二电极层上，居间薄膜层设置在第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层之间；其中，第一高分子聚合物绝缘层与居间薄膜层、和/或居间薄膜层与第二高分子聚合物绝缘层相对的两个表面构成摩擦界面；
微动加强层设置在第一电极层与第一高分子聚合物绝缘层之间；和/或，设置在第一高分子聚合物绝缘层与居间薄膜层之间；和/或，设置在居间薄膜层与第二高分子聚合物绝缘层之间；和/或，设置在第二高分子聚合物绝缘层与第二电极层之间。
进一步，摩擦发电机还包括：第二高分子聚合物绝缘层和居间电极层；第二高分子聚合物绝缘层层叠设置在第二电极层上，居间电极层设置在第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层之间；其中，第一高分子聚合物绝缘层与居间电极层、和/或居间电极层与第二高分子聚合物绝缘层相对的两个表面构成摩擦界面，第一电极层和第二电极层相连后与居间电极层构成摩擦发电机的输出端；
微动加强层设置在第一电极层与第一高分子聚合物绝缘层之间；和/或，设置在第一高分子聚合物绝缘层与居间电极层之间；和/或，设置在居间电极层与第二高分子聚合物绝缘层之间；和/或，设置在第二高分子聚合物绝缘层与第二电极层之间。
进一步，第一电极层、第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层、第二电极层、居间薄膜层、居间电极层均为柔性材料。
进一步，构成摩擦界面的两个表面中的至少一个面上设有凸起阵列。
进一步，凸起阵列为菱形排布。
进一步，微动加强层为平板结构或为阵列开设有几何形状通孔的镂空结构。
进一步，微动加强层的材料为塑料或橡胶。
进一步，多个摩擦发电机以并联和/或串联的方式连接，其中，多个并联和/或串联方式连接的摩擦发电机通过平铺方式和/或层叠方式设置。
进一步，还包括：在摩擦发电机外围依次层叠包覆的绝缘层、屏蔽层和保护层；其中，绝缘层，用于防止摩擦发电机与屏蔽层相互接触，减少压力电信号的损耗；屏蔽层，用于屏蔽外界电磁干扰，以保护摩擦发电机输出的压力电信号；保护层，用于密封保护摩擦发电机，防止摩擦发电机在外力作用下受到损伤。
根据本实用新型的另一个方面，提供了一种机器人触觉感知系统，包括上述的触觉传感器，还包括：信号采集模块、中央控制模块和电源模块；其中，触觉传感器用于感应作用在其上的外力，输出与外力对应的压力电信号；信号采集模块与触觉传感器相连，用于采集处理触觉传感器输出的压力电信号；中央控制模块与信号采集模块相连，用于根据信号采集模块输出的压力电信号，调节系统操作；电源模块与信号采集模块相连，用于为信号采集模块供电。
进一步，还包括开关模块；其中，开关模块分别与信号采集模块和电源模块相连，用于控制电源模块为信号采集模块供电。
进一步，信号采集模块包括：放大电路、整流电路、滤波电路和模数转换电路；其中，放大电路与触觉传感器相连，用于放大触觉传感器输出的压力电信号；整流电路与放大电路相连，用于将放大电路输出的放大后的压力电信号进行整流处理；滤波电路与整流电路相连，用于滤除整流电路输出的压力电信号中的干扰杂波；模数转换电路与滤波电路相连，用于将滤波电路输出的模拟压力电信号转换为数字压力电信号。
进一步，中央控制模块进一步用于：根据信号采集模块输出的压力电信号进行力度调节和/或方向角度调节。
进一步，电源模块为储能元件或通过电缆与外部电源连接的电转换模块。
进一步，机器人触觉感知系统包括多个触觉传感器；多个触觉传感器以阵列形式排列，形成M行N列的触觉传感器阵列，每行的触觉传感器所包括的摩擦发电机的一个输出端彼此相互连接，组成行输出端；每列的触觉传感器所包括的摩擦发电机的另一个输出端彼此相互连接，组成列输出端；用于当外力作用与触觉传感器时，输出压力电信号。
进一步，触觉传感器设置在机器人与物体直接接触的表面。
进一步，机器人与物体直接接触的表面为机器人的手、手臂、脚、腿部、头部、胸部、和/或背部。
根据本实用新型提供的基于摩擦发电机的触觉传感器及机器人触觉感知系统，摩擦发电机在外力作用下发生形变，输出对应的压力电信号，进一步，机器人触觉感知系统的中央控制模块根据处理后的压力电信号，进行力度和/或方向角度的调节。基于摩擦发电机的触觉传感器及机器人触觉感知系统结构简单、灵敏度及精确度高。
附图说明
图1为本实用新型提供的基于摩擦发电机的触觉传感器实施例一的一结构示意图；
图2为本实用新型提供的基于摩擦发电机的触觉传感器实施例一的另一结构示意图；
图3a为本实用新型提供的基于摩擦发电机的触觉传感器实施例一的一信号输出数据图；
图3b为本实用新型提供的基于摩擦发电机的触觉传感器实施例一的另一信号输出数据图；
图4为本实用新型提供的基于摩擦发电机的触觉传感器实施例二的结构示意图；
图5为本实用新型提供的基于摩擦发电机的触觉传感器实施例三的结构示意图；
图6为本实用新型提供的基于摩擦发电机的触觉传感器实施例四的结构示意图；
图7a为本实用新型提供的机器人触觉感知系统一实施例的功能框图；
图7b为本实用新型提供的机器人触觉感知系统另一实施例的功能框图；
图8为图7a和图7b中信号采集模块的功能框图；
图9a-图9b为机器人触觉感知系统实施例中触觉传感器设置的结构示意图；
图10为图9b中触觉传感器阵列排布的结构示意图。
具体实施方式
为充分了解本实用新型之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本实用新型做详细说明，但本实用新型并不仅仅限于此。
本实用新型提供的基于摩擦发电机的触觉传感器包括：至少一个摩擦发电机，其中，摩擦发电机相对的两个表面构成摩擦界面，当外力作用于摩擦发电机上时，摩擦界面相互摩擦，摩擦发电机输出与外力对应的压力电信号。其中，基于摩擦发电机的触觉传感器可以包括一个摩擦发电机，也可以包括多个摩擦发电机，本领域技术人员可以根据需要进行选择，此处不做限定。若基于摩擦发电机的触觉传感器包括多个摩擦发电机时，多个摩擦发电机可以并联和/或串联的方式连接，并且多个并联和/或串联方式连接的摩擦发电机还可通过平铺方式和/或层叠方式设置，从而增加摩擦发电机输出的压力电信号的强度，进而使基于摩擦发电机的触觉传感器的灵敏度更高。
图1为本实用新型提供的基于摩擦发电机的触觉传感器实施例一的一结构示意图。如图1所示，该基于摩擦发电机的触觉传感器包括：一个摩擦发电机。其中，图1所示的摩擦发电机为三层结构的摩擦发电机，其包括：依次层叠设置的第一电极层110、第一高分子聚合物绝缘层120以及第二电极层130；具体地，第一高分子聚合物绝缘层120的第一侧表面设置有第一电极层110，第一高分子聚合物绝缘层120的第二侧表面与第二电极层130的第一侧表面相对设置构成摩擦界面，当外力作用于摩擦发电机上时，第一高分子聚合物绝缘层120与第二电极层130相对的两个摩擦界面相互摩擦，输出与外力对应的压力电信号；第一电极层110和第二电极层130构成摩擦发电机的输出端。
当外力作用于摩擦发电机时，摩擦发电机中的第一高分子聚合物绝缘层120与第二电极层130相对的两个表面相互摩擦产生静电荷，静电荷的产生会使第一电极层110和第二电极层130产生感应电荷，从而导致第一电极层110和第二电极层130之间出现电势差。由于第一电极层110和第二电极层130之间电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流。当摩擦发电机的各层恢复到原来状态时，这时形成在第一电极层110和第二电极层130之间的内电势消失，此时已平衡的第一电极层110和第二电极层130之间将再次产生反向的电势差，则自由电子通过外电路形成反向电流。通过反复摩擦和恢复，就可以在外电路中形成周期性的交流压力电信号。
除如图1所示的三层结构的摩擦发电机外，本领域技术人员还可以根据实际实施情况，采用四层结构、五层居间薄膜结构、五层居间电极结构的摩擦发电机，此处不做具体限定。
进一步地，如图1所示，基于摩擦发电机的触觉传感器中的摩擦发电机还包括：在摩擦发电机外围依次层叠包覆的绝缘层200、屏蔽层300和保护层400；其中，绝缘层200用于防止摩擦发电机与屏蔽层相互接触，减少摩擦发电机输出的压力电信号的损耗；屏蔽层300用于屏蔽外界电磁干扰，以保护摩擦发电机输出的压力电信号；保护层400，用于密封保护摩擦发电机，防止摩擦发电机在外力作用下受到损伤。
由于屏蔽层300大多数情况下采用铜或铝等金属材质，在其与摩擦发电机的第一电极层110和第二电极层130直接接触时，使得摩擦发电机输出的压力电信号会被屏蔽层300屏蔽掉一部分，影响摩擦发电机产生的压力电信号的输出，故在摩擦发电机和屏蔽层300之间设置有绝缘层200，将摩擦发电机整体包覆住，以防止摩擦发电机的第一电极层110和第二电极层130与屏蔽层300相互接触，减少摩擦发电机输出的压力电信号的损耗。绝缘层200可采用高分子聚合物材质，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚偏氟乙烯(PVDF)、氟化乙丙稀共聚物(FEP)、可溶性聚四氟乙烯(PFA)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)等。
屏蔽层300设置在绝缘层200和保护层400之间，包覆在绝缘层200之上，用于屏蔽外界电磁干扰，以保护摩擦发电机输出的压力电信号。
保护层400设置在基于摩擦发电机的触觉传感器的最外层，包覆在屏蔽层300之上，用于密封保护摩擦发电机，防止摩擦发电机在外力作用下受到损伤，同时也起到防尘、防潮、防腐蚀的效果，以增加摩擦发电机的使用寿命。
如图2所示，在该实施例中，还进一步包括：用于加强摩擦发电机在感应外力作用时所输出的压力电信号的微动加强层500。在该实施例中增加微动加强层500，可以减小摩擦发电机在感应外力作用时所发生的局部形变，加快各层间的分离速度，从而加强摩擦发电机对微小外力的压力电信号的输出。其中，微动加强层500可以设置在摩擦发电机内部不构成摩擦界面的两个表面之间。如图2所示，微动加强层500设置在第一电极层110和第一高分子聚合物绝缘层120之间。
如图2所示，该摩擦发电机包括：依次层叠设置的第一电极层110、微动加强层500、第一高分子聚合物绝缘层120和第二电极层130；具体地，第一高分子聚合物绝缘层120的第一侧表面设置有微动加强层500，第一高分子聚合物绝缘层120的第二侧表面与第二电极层130的第一侧表面相对设置构成摩擦界面，当外力作用于摩擦发电机上时，第一高分子聚合物绝缘层120与第二电极层130相对的两个摩擦界面相互摩擦，第一电极层110和第二电极层130构成摩擦发电机的输出端。
图3a本实用新型提供的基于摩擦发电机的触觉传感器实施例一的一信号输出数据图。图3b本实用新型提供的基于摩擦发电机的触觉传感器实施例一的另一信号输出数据图。图3a与图3b的区别在于，图3a中没有设置微动加强层，图3b中加设有微动加强层，除此之外，两个实施例的结构设置完全相同，两者所施加的外力也完全相同。从图3a和图3b中可以看出，其输出的压力电信号的起伏较小，说明其持续均匀受力。在持续均匀受力过程中，可以看出微动加强层对微小动作引起的受力的感知依旧灵敏。
根据本实用新型提供的基于摩擦发电机的触觉传感器，摩擦发电机在感应到外力作用时，输出对应的压力电信号，以感知外力的大小。基于摩擦发电机的触觉传感器结构简单、灵敏度及精确度高。
图4为本实用新型提供的基于摩擦发电机的触觉传感器实施例二的结构示意图。如图4所示，该实施例中的基于摩擦发电机的触觉传感器包括：一个摩擦发电机。其中，图4所示的摩擦发电机为四层结构的摩擦发电机，其包括：依次层叠设置的第一电极层110、第一高分子聚合物绝缘层120、第二高分子聚合物绝缘层140、微动加强层500和第二电极层130；具体地，第一高分子聚合物绝缘层120的第一侧表面设置有第一电极层110，第一高分子聚合物绝缘层120的第二侧表面与第二高分子聚合物绝缘层140的第一侧表面相对设置构成摩擦界面，第二高分子聚合物绝缘层140的第二侧表面设置有微动加强层500，当外力作用于摩擦发电机上时，第一高分子聚合物绝缘层120与第二高分子聚合物绝缘层140相对的两个摩擦界面相互摩擦，第一电极层110和第二电极层130构成摩擦发电机的输出端。
应当注意的是，微动加强层500不仅可以如图4所示设置在第二高分子聚合物绝缘层140与第二电极层130之间；也可以设置在第一电极层110与第一高分子聚合物绝缘层120之间；还也可以在上述两个位置(即第二高分子聚合物绝缘层140与第二电极层130之间和第一电极层110与第一高分子聚合物绝缘层120之间)均设置微动加强层500，也就是说，微动加强层500可以设置在摩擦发电机内部不构成摩擦界面的两个表面之间，此处不做限定。
除上述不同外，实施例二的基于摩擦发电机的触觉传感器均与实施例一的基于摩擦发电机的触觉传感器相同，此处不再赘述。
图5为本实用新型提供的基于摩擦发电机的触觉传感器实施例三的结构示意图。如图5所示，该实施例中的基于摩擦发电机的触觉传感器包括：一个摩擦发电机。其中，图5所示的摩擦发电机为五层居间薄膜结构的摩擦发电机，其包括：依次层叠设置的第一电极层110、微动加强层500、第一高分子聚合物绝缘层120、居间薄膜层150、第二高分子聚合物绝缘层140和第二电极层130；具体地，第一高分子聚合物绝缘层120的第一侧表面设置有微动加强层500，第一高分子聚合物绝缘层120的第二侧表面与居间薄膜层150的第一侧表面相对设置构成摩擦界面，居间薄膜层150的第二侧表面设置有第二高分子聚合物绝缘层140，当外力作用于摩擦发电机时，第一高分子聚合物绝缘层120与居间薄膜层150相对的两个摩擦界面相互摩擦，第一电极层110和第二电极层130构成摩擦发电机的输出端。
应当注意的是，微动加强层500不仅可以如图5所示设置在第一电极层110与第一高分子聚合物绝缘层120之间；也可以设置在第二高分子聚合物绝缘层140与第二电极层130之间；还可以设置在居间薄膜层150与第二高分子聚合物绝缘层140之间；此外，还可在上述三个位置(即第一电极层110与第一高分子聚合物绝缘层120之间、第二高分子聚合物绝缘层140与第二电极层130之间和居间薄膜层150与第二高分子聚合物绝缘层140之间)均设置微动加强层500，也就是说，微动加强层500可以设置在摩擦发电机内部不构成摩擦界面的两个表面之间，此处不做限定。
另外，不仅可如图5所示使第一高分子聚合物绝缘层120的第二侧表面与居间薄膜层150的第一侧表面相对设置构成摩擦界面；也可使居间薄膜层150的第二侧表面与第二高分子聚合物绝缘层140的第一侧表面相对设置构成摩擦界面；还可使第一高分子聚合物绝缘层120的第二侧表面与居间薄膜层150的第一侧表面，以及居间薄膜层150的第二侧表面与第二高分子聚合物绝缘层140的第一侧表面相对设置构成摩擦界面，本领域技术人员可以根据需要进行选择，此处不做限定。
若使居间薄膜层的第二侧表面与第二高分子聚合物绝缘层的第一侧表面相对设置构成摩擦界面，微动加强层不仅可设置在第一电极层与第一高分子聚合物绝缘层之间；也可以设置在第二高分子聚合物绝缘层与第二电极层之间；还可以设置在第一高分子聚合物绝缘层与居间薄膜层之间；此外，还可在上述三个位置(即第一电极层与第一高分子聚合物绝缘层之间、第二高分子聚合物绝缘层与第二电极层之间和第一高分子聚合物绝缘层与居间薄膜层之间)均设置微动加强层，也就是说，微动加强层可以设置在摩擦发电机内部不构成摩擦界面的两个表面之间，此处不做限定。
若使第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面与居间薄膜层的第一侧表面，以及居间薄膜层的第二侧表面与第二高分子聚合物绝缘层的第一侧表面相对设置构成摩擦界面，微动加强层不仅可设置在第一电极层与第一高分子聚合物绝缘层之间；也可以设置在第二高分子聚合物绝缘层与第二电极层之间；还可在上述两个位置(即第一电极层与第一高分子聚合物绝缘层之间和第二高分子聚合物绝缘层与第二电极层之间)均设置微动加强层，也就是说，微动加强层可以设置在摩擦发电机内部不构成摩擦界面的两个表面之间，此处不做限定。
除上述不同外，实施例三的基于摩擦发电机的触觉传感器均与实施例一的基于摩擦发电机的触觉传感器相同，此处不再赘述。
图6为本实用新型提供的基于摩擦发电机的触觉传感器实施例四的结构示意图。如图6所示，该实施例中的基于摩擦发电机的触觉传感器包括：一个摩擦发电机。其中，图6所示的摩擦发电机为五层居间电极结构的摩擦发电机，其包括：依次层叠设置的第一电极层110、微动加强层500、第一高分子聚合物绝缘层120、居间电极层160、第二高分子聚合物绝缘层140和第二电极层130；具体地，第一高分子聚合物绝缘层120的第一侧表面设置有微动加强层500，第一高分子聚合物绝缘层120的第二侧表面与居间电极层160的第一侧表面相对设置构成摩擦界面，居间电极层160的第二侧表面设置有第二高分子聚合物绝缘层140，当外力作用于摩擦发电机时，第一高分子聚合物绝缘层120与居间电极层160相对的两个摩擦界面相互摩擦，第一电极层110和第二电极层130相连后与居间电极层160构成摩擦发电机的输出端。
应当注意的是，微动加强层500不仅可以如图6所示设置在第一电极层110与第一高分子聚合物绝缘层120之间；也可以设置在第二高分子聚合物绝缘层140与第二电极层130之间；还可以设置在居间电极层160与第二高分子聚合物绝缘层140之间；此外，还可在上述三个位置(即第一电极层110与第一高分子聚合物绝缘层120之间、第二高分子聚合物绝缘层140与第二电极层130之间和居间电极层160与第二高分子聚合物绝缘层140之间)均设置微动加强层500，也就是说，微动加强层500可以设置在摩擦发电机内部不构成摩擦界面的两个表面之间，此处不做限定。
另外，不仅可如图6所示使第一高分子聚合物绝缘层120的第二侧表面与居间电极层160的第一侧表面相对设置构成摩擦界面；也可使居间电极层160的第二侧表面与第二高分子聚合物绝缘层140的第一侧表面相对设置构成摩擦界面；还可使第一高分子聚合物绝缘层120的第二侧表面与居间电极层160的第一侧表面，以及居间电极层160的第二侧表面与第二高分子聚合物绝缘层140的第一侧表面相对设置构成摩擦界面，本领域技术人员可以根据需要进行选择，此处不做限定。
若使居间电极层的第二侧表面与第二高分子聚合物绝缘层的第一侧表面相对设置构成摩擦界面，微动加强层不仅可设置在第一电极层与第一高分子聚合物绝缘层之间；也可以设置在第二高分子聚合物绝缘层与第二电极层之间；还可以设置在第一高分子聚合物绝缘层与居间电极层之间；此外，还可在上述三个位置(即第一电极层与第一高分子聚合物绝缘层之间、第二高分子聚合物绝缘层与第二电极层之间和第一高分子聚合物绝缘层与居间电极层之间)均设置微动加强层，也就是说，微动加强层可以设置在摩擦发电机内部不构成摩擦界面的两个表面之间，此处不做限定。
若使第一高分子聚合物绝缘层的第二侧表面与居间电极层的第一侧表面，以及居间电极层的第二侧表面与第二高分子聚合物绝缘层的第一侧表面相对设置构成摩擦界面，微动加强层不仅可设置在第一电极层与第一高分子聚合物绝缘层之间；也可以设置在第二高分子聚合物绝缘层与第二电极层之间；还可在上述两个位置(即第一电极层与第一高分子聚合物绝缘层之间和第二高分子聚合物绝缘层与第二电极层之间)均设置微动加强层，也就是说，微动加强层可以设置在摩擦发电机内部不构成摩擦界面的两个表面之间，此处不做限定。
除上述不同外，实施例四的基于摩擦发电机的触觉传感器均与实施例一的基于摩擦发电机的触觉传感器相同，此处不再赘述。
在上述各个实施例中，摩擦发电机中所提及的各层均为柔性材料，即第一电极层、第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层、第二电极层、居间薄膜层、居间电极层均为柔性材料。
在上述各个实施例中，摩擦发电机中构成摩擦界面的两个表面中的至少一个面上可以设有凸起阵列。该凸起阵列优选微米级或纳米级的凸起结构，可采用菱形排布的方式进行排布。该凸起阵列能够有效的增加摩擦接触面积，增大摩擦阻力，提高压力电信号的输出效率。
在上述各个实施例中，微动加强层的外形尺寸与触觉传感器的外形尺寸相当，一般可根据其设置的具体位置进行微调，厚度可设置在0.1-2.0mm之间。微动加强层可采用平板结构，或采用阵列开设有几何形状通孔的镂空结构。微动加强层的材料大多选用塑料或橡胶。
以上具体设置均为举例说明，实际实施时，可根据具体情况进行设置，此处不做具体限定。
根据本实用新型提供的基于摩擦发电机的触觉传感器，通过加设微动加强层，可以对微小动作引起的受力的感知更加灵敏，提高触觉传感器的灵敏度。
图7a为本实用新型提供的机器人触觉感知系统一实施例的功能框图，如图7a所示，机器人触觉感知系统，包括触觉传感器10、信号采集模块20、中央控制模块30和电源模块40。触觉传感器10可采用上述各个实施例中的基于摩擦发电机的触觉传感器，参见上述实施例中的基于摩擦发电机的触觉传感器的描述，在此不再赘述。
信号采集模块20与触觉传感器10相连，即信号采集模块20的输入端与触觉传感器10的输出端相连，用于采集处理触觉传感器输出的压力电信号。如图8所示，信号采集模块20包括：放大电路21、整流电路22、滤波电路23和模数转换电路24。放大电路21的输入端(即信号采集模块20的输入端)与触觉传感器10的输出端相连，用于放大触觉传感器10输出的压力电信号。整流电路22的输入端与放大电路21的输出端相连，用于将放大电路21输出的放大后的压力电信号进行整流处理。滤波电路23的输入端与整流电路22的输出端相连，用于滤除整流电路22输出的压力电信号中的干扰杂波。模数转换电路24的输入端与滤波电路23的输出端相连，用于将滤波电路23输出的模拟压力电信号转换为数字压力电信号，输出至中央控制模块30。放大电路21、整流电路22、滤波电路23和模数转换电路24的电源输入端(即信号采集模块20的电源输入端)都与电源模块40的输出端相连(图中未示出)，进而使用电源模块40中的电能。
中央控制模块30与信号采集模块20相连，即中央控制模块30的输入端与信号采集模块20的输出端相连，用于根据信号采集模块20输出的压力电信号，调节系统操作。根据信号采集模块20输出的压力电信号，中央控制模块30可以对力度和/或方向角度调节。例如，将触觉传感器设置于机器人的机械手上，当该机械手拾取物体时，碰触到物体后，由于物体给机械手的外力作用，使机械手上的触觉传感器受力，输出压力电信号，经信号采集模块20采集处理后，输出至中央控制模块30。中央控制模块30在接收到处理后的压力电信号后，进行判断。若当该压力电信号没有持续输出，中央控制模块可以判断该物体没有持续外力作用于机械手，即该物体没有被拾起。中央控制模块进一步根据压力电信号，判断机械手受力位置，当受力位置为整个手掌时，可判断出机械手碰触到整个物体，但力度较小，不足以将物体拾取。中央控制模块自动调节机械手拾取力度，使该物体能够被拾取。当中央控制模块根据压力电信号，判断机械手受力位置。当受力位置只是单只手指时，可判断出机械手只是碰触到物体局部，此时，中央控制模块自动调节机械手拾取物体的角度，使机械手能够碰触到整个物体，从而能够拾取物体。此处仅为举例说明，实际实施时，需要根据具体情况进行设置。
电源模块40与信号采集模块20相连，即电源模块40的输入端与信号采集模块20的电源输入端相连，用于为信号采集模块20供电。该电源模块40可采用可拆卸的储能元件，如蓄电池、超级电容等，或采用外部电源，使用有线供电的方式，通过电缆与外部电源连接，将外部电源的电能提供给信号采集模块20和中央控制模块30使用。应当理解的是，图7a中虽然未示出中央控制模块30与电源模块40相连，但是，其通过信号采集模块20间接使用电源模块40中的电能。
如图7b所示，本实用新型提供的机器人触觉感知系统还可以进一步包括：开关模块50，其分别与信号采集模块20和电源模块40相连，即开关模块50的输入端与电源模块40的输出端相连，开关模块50的输出端与信号采集模块20的电源输入端相连，用于控制电源模块40为信号采集模块20供电。该电源模块40可采用可拆卸的储能元件，如蓄电池、超级电容等，或采用外部电源，使用有线供电的方式，通过电缆与外部电源连接，将外部电源的电能提供给信号采集模块20和中央控制模块30使用。应当理解的是，图7b中虽然未示出中央控制模块30通过开关模块50与电源模块40相连，但是，其通过信号采集模块20间接使用电源模块40中的电能。
如图8所示，信号采集模块20包括：放大电路21、整流电路22、滤波电路23和模数转换电路24。放大电路21的输入端(即信号采集模块20的输入端)与触觉传感器10的输出端相连，用于放大触觉传感器10输出的压力电信号。整流电路22的输入端与放大电路21的输出端相连，用于将放大电路21输出的放大后的压力电信号进行整流处理。滤波电路23的输入端与整流电路22的输出端相连，用于滤除整流电路22输出的压力电信号中的干扰杂波。模数转换电路24的输入端与滤波电路23的输出端相连，用于将滤波电路23输出的模拟压力电信号转换为数字压力电信号，输出至中央控制模块30。放大电路21、整流电路22、滤波电路23和模数转换电路24的电源输入端(即信号采集模块20的电源输入端)都与开关模块50的输出端相连(图中未示出)，进而通过开关模块50使用电源模块40中的电能。
图9a和图9b为机器人触觉感知系统实施例中触觉传感器不同的两种设置结构的示意图。图9a中，将触觉传感器整个设置在机械手掌的表面。图9b中，将多个触觉传感器以阵列形式排列为触觉传感器阵列。图10为触觉传感器阵列排布的结构示意图。如图10所示，多个触觉传感器以阵列形式排列，形成M行N列的触觉传感器阵列，每行的触觉传感器所包括的摩擦发电机的一个输出端彼此相互连接，得到第一行输出端M1、第二行输出端M2和第三行输出端M3，组成行输出端。每列的触觉传感器所包括的摩擦发电机的另一个输出端彼此相互连接，得到第一列输出端N1、第二列输出端N2和第三列输出端N3，组成列输出端。将行输出端和列输出端通过接口与信号采集模块相连后，当外力作用在触觉传感器上时，输出压力电信号。由信号采集模块根据压力电信号的输出端识别产生压力电信号的触觉传感器的位置。触觉传感器阵列所包括的触觉传感器数量可以根据测量精度要求和设置面积来确定，此处不做限定。
除图9a和图9b所示将触觉传感器设置在机械手掌外，触觉传感器还可以设置在机器人与物体直接接触的身体表面，如还可以将触觉传感器设置在机器人的手臂上，当机器人搬运物体时，可以通过物体对手臂作用的外力感知调节力度和/或角度，以保证能够平稳的搬运物体，不使物体掉落。或还可以将触觉传感器设置在脚部、腿部、头部、胸部、背部等部位，当机器人碰触到如障碍物时，可以灵活的调节方向，以躲避障碍物等情况。或如机器人踢球时，脚部、腿部、头部、胸部等可与球直接接触的部位，在与球接触后，根据球作用于触觉传感器的外力，可以灵活的调整各部位的受力点，进而控制球的走向。以上均为举例说明，具体实施时可根据实际情况进行设置，此处不做具体限定。
根据本实用新型提供的机器人触觉感知系统，中央控制模块根据压力电信号，自动调节机器人触觉感知系统的力度和/或角度，可以实现自动拾取物体等操作。该机器人触觉感知系统结构简单、灵敏度高。采用阵列方式设置触觉传感器时，可使系统的测量精度更高。
本实用新型中所提到的各种模块、电路均为由硬件实现的电路，虽然其中某些模块、电路集成了软件，但本实用新型所要保护的是集成软件对应的功能的硬件电路，而不仅仅是软件本身。
本领域技术人员应该理解，附图或实施例中所示的装置结构仅仅是示意性的，表示逻辑结构。其中作为分离部件显示的模块可能是或者可能不是物理上分开的，作为模块显示的部件可能是或者可能不是物理模块。
最后，需要注意的是：以上列举的仅是本实用新型的具体实施例子，当然本领域的技术人员可以对本实用新型进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本实用新型的保护范围。
Claims (24)
1.一种基于摩擦发电机的触觉传感器，其特征在于，包括：至少一个摩擦发电机；其中，所述摩擦发电机包括：依次层叠设置的第一电极层，第一高分子聚合物绝缘层，以及第二电极层；
其中，所述摩擦发电机相对的两个表面构成摩擦界面，当外力作用于所述摩擦发电机上时，所述摩擦界面相互摩擦，所述摩擦发电机输出与所述外力对应的压力电信号；
所述第一电极层和所述第二电极层构成所述摩擦发电机的输出端。
2.根据权利要求1所述的基于摩擦发电机的触觉传感器，其特征在于，还包括：至少一个微动加强层，设置在所述摩擦发电机内部不构成摩擦界面的两个表面之间，用于加强所述摩擦发电机在感应外力作用时所输出的压力电信号。
3.根据权利要求2所述的基于摩擦发电机的触觉传感器，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层与所述第二电极层相对的两个表面构成所述摩擦界面；所述微动加强层设置在所述第一电极层和所述第一高分子聚合物绝缘层之间。
4.根据权利要求2所述的基于摩擦发电机的触觉传感器，其特征在于，所述摩擦发电机还包括：第二高分子聚合物绝缘层；所述第二高分子聚合物绝缘层设置在所述第一高分子聚合物绝缘层和所述第二电极层之间；其中，所述第一高分子聚合物绝缘层与所述第二高分子聚合物绝缘层相对的两个表面构成所述摩擦界面；
所述微动加强层设置在所述第一电极层与所述第一高分子聚合物绝缘层之间；和/或，设置在所述第二高分子聚合物绝缘层与所述第二电极层之间。
5.根据权利要求2所述的基于摩擦发电机的触觉传感器，其特征在于，所述摩擦发电机还包括：第二高分子聚合物绝缘层和居间薄膜层；所述第二高分子聚合物绝缘层层叠设置在所述第二电极层上，所述居间薄膜层设置在所述第一高分子聚合物绝缘层和所述第二高分子聚合物绝缘层之间；其中，所述第一高分子聚合物绝缘层与所述居间薄膜层、和/或所述居间薄膜层与所 述第二高分子聚合物绝缘层相对的两个表面构成所述摩擦界面；
所述微动加强层设置在所述第一电极层与所述第一高分子聚合物绝缘层之间；和/或，设置在所述第一高分子聚合物绝缘层与所述居间薄膜层之间；和/或，设置在所述居间薄膜层与所述第二高分子聚合物绝缘层之间；和/或，设置在所述第二高分子聚合物绝缘层与所述第二电极层之间。
6.根据权利要求2所述的基于摩擦发电机的触觉传感器，其特征在于，所述摩擦发电机还包括：第二高分子聚合物绝缘层和居间电极层；所述第二高分子聚合物绝缘层层叠设置在所述第二电极层上，所述居间电极层设置在所述第一高分子聚合物绝缘层和所述第二高分子聚合物绝缘层之间；其中，所述第一高分子聚合物绝缘层与所述居间电极层、和/或所述居间电极层与所述第二高分子聚合物绝缘层相对的两个表面构成所述摩擦界面，所述第一电极层和所述第二电极层相连后与所述居间电极层构成所述摩擦发电机的输出端；
所述微动加强层设置在所述第一电极层与所述第一高分子聚合物绝缘层之间；和/或，设置在所述第一高分子聚合物绝缘层与所述居间电极层之间；和/或，设置在所述居间电极层与所述第二高分子聚合物绝缘层之间；和/或，设置在所述第二高分子聚合物绝缘层与所述第二电极层之间。
7.根据权利要求1-3任一项所述的基于摩擦发电机的触觉传感器，其特征在于，所述第一电极层、所述第一高分子聚合物绝缘层、所述第二电极层、均为柔性材料。
8.根据权利要求4所述的基于摩擦发电机的触觉传感器，其特征在于，所述第一电极层、所述第一高分子聚合物绝缘层、所述第二高分子聚合物绝缘层、所述第二电极层为柔性材料。
9.根据权利要求5所述的基于摩擦发电机的触觉传感器，其特征在于，所述第一电极层、所述第一高分子聚合物绝缘层、所述第二高分子聚合物绝缘层、所述第二电极层、所述居间薄膜层为柔性材料。
10.根据权利要求6所述的基于摩擦发电机的触觉传感器，其特征在于，所述第一电极层、所述第一高分子聚合物绝缘层、所述第二高分子聚合物绝 缘层、所述第二电极层、所述的居间电极层为柔性材料。
11.根据权利要求1-6任一项所述的基于摩擦发电机的触觉传感器，其特征在于，构成所述摩擦界面的两个表面中的至少一个面上设有凸起阵列。
12.根据权利要求11所述的基于摩擦发电机的触觉传感器，其特征在于，所述凸起阵列为菱形排布。
13.根据权利要求2-6任一项所述的基于摩擦发电机的触觉传感器，其特征在于，所述微动加强层为平板结构或为阵列开设有几何形状通孔的镂空结构。
14.根据权利要求2-6任一项所述的基于摩擦发电机的触觉传感器，其特征在于，所述微动加强层的材料为塑料或橡胶。
15.根据权利要求1所述的基于摩擦发电机的触觉传感器，其特征在于，多个所述摩擦发电机以并联和/或串联的方式连接，其中，多个所述并联和/或串联方式连接的摩擦发电机通过平铺方式和/或层叠方式设置。
16.根据权利要求1所述的基于摩擦发电机的触觉传感器，其特征在于，还包括：在所述摩擦发电机外围依次层叠包覆的绝缘层、屏蔽层和保护层；其中，
所述绝缘层，用于防止所述摩擦发电机与所述屏蔽层相互接触，减少所述压力电信号的损耗；
所述屏蔽层，用于屏蔽外界电磁干扰，以保护所述摩擦发电机输出的压力电信号；
所述保护层，用于密封保护所述摩擦发电机，防止所述摩擦发电机在外力作用下受到损伤。
17.一种机器人触觉感知系统，其特征在于，包括权利要求1-16任一项所述触觉传感器，还包括：信号采集模块、中央控制模块和电源模块；其中，
所述触觉传感器用于感应作用在其上的外力，输出与所述外力对应的压力电信号；
所述信号采集模块与所述触觉传感器相连，用于采集处理所述触觉传感 器输出的压力电信号；
所述中央控制模块与所述信号采集模块相连，用于根据所述信号采集模块输出的压力电信号，调节系统操作；
所述电源模块与所述信号采集模块相连，用于为信号采集模块供电。
18.根据权利要求17所述的机器人触觉感知系统，其特征在于，还包括开关模块；其中，所述开关模块分别与所述信号采集模块和所述电源模块相连，用于控制所述电源模块为所述信号采集模块供电。
19.根据权利要求17或18所述的机器人触觉感知系统，其特征在于，所述信号采集模块包括：放大电路、整流电路、滤波电路和模数转换电路，
所述放大电路的输入端与所述触觉传感器的输出端相连，用于放大所述触觉传感器输出的压力电信号；
所述整流电路的输入端与所述放大电路的输出端相连，用于将所述放大电路输出的放大后的压力电信号进行整流处理；
所述滤波电路的输入端与所述整流电路的输出端相连，用于滤除所述整流电路输出的压力电信号中的干扰杂波；
所述模数转换电路的输入端与所述滤波电路的输出端相连，用于将所述滤波电路输出的模拟压力电信号转换为数字压力电信号。
20.根据权利要求17或18所述的机器人触觉感知系统，其特征在于，所述中央控制模块进一步用于：根据所述信号采集模块输出的压力电信号进行力度调节和/或方向角度调节。
21.根据权利要求17或18所述的机器人触觉感知系统，其特征在于，所述电源模块为储能元件或通过电缆与外部电源连接的电转换模块。
22.根据权利要求17或18所述的机器人触觉感知系统，其特征在于，所述机器人触觉感知系统包括多个所述触觉传感器；多个所述触觉传感器以阵列形式排列，形成M行N列的触觉传感器阵列，每行的所述触觉传感器所包括的摩擦发电机的一个输出端彼此相互连接，组成行输出端；每列的所述触觉传感器所包括的摩擦发电机的另一个输出端彼此相互连接，组成列输出端；用于当外力作用与所述触觉传感器时，输出压力电信号。
23.根据权利要求17所述的机器人触觉感知系统，其特征在于，所述触觉传感器设置在机器人与物体直接接触的表面。
24.根据权利要求23所述的机器人触觉感知系统，其特征在于，所述机器人与物体直接接触的表面为机器人的手、手臂、脚、腿部、头部、胸部、和/或背部。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20161012 Effective date of abandoning: 20180420 |
|
| AV01 | Patent right actively abandoned |