CN206140521U - 机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种机器人，包括：机器人本体；纳米压力传感器，所述纳米压力传感器包括纳米压电发电机，所述纳米压力传感器设在所述机器人本体的外表面上，所述纳米压力传感器适于将外界物体对其施加的压力转化成电信号；信号处理器，所述信号处理器与所述纳米压力传感器电连接以接收所述电信号，所述信号处理器对所述电信号进行处理；中央控制器，所述中央控制器与所述信号处理器连接以根据所述信号处理器的输出信号控制所述机器人本体的相应部位动作。本实用新型的机器人，具有较高的触觉感知能力，从而有利于提高机器人的灵敏度和灵活性。

Description

机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，尤其涉及一种机器人。

背景技术

触觉感知是机器人实现自主活动的前提，高水平的触觉感知能力能够使机器人动作精准、力量适中。现有技术中，机器人的触觉感知多采用压力传感器、压电元件、接触电极等实现触觉感知，但这些传感器柔性欠佳、灵敏度低、控制精度差。

实用新型内容

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种机器人，所述机器人具有改进的纳米压力传感器结构，有利于提高机器人的感知能力，提高机器人的灵敏度和灵活性。

根据本实用新型实施例的机器人感知装置，包括：机器人本体；纳米压力传感器，所述纳米压力传感器包括纳米压电发电机，所述纳米压力传感器设在所述机器人本体的外表面上，所述纳米压力传感器适于将外界物体对其施加的压力转化成电信号；信号处理器，所述信号处理器与所述纳米压力传感器电连接以接收所述电信号，所述信号处理器对所述电信号进行处理；中央控制器，所述中央控制器与所述信号处理器连接以根据所述信号处理器的输出信号控制所述机器人的相应部位动作。

根据本实用新型实施例的机器人，通过在机器人本体的外表面上设置纳米压力传感器，当外界物体对纳米压力传感器施加压力时，纳米压力传感器内的纳米压电发电机可将机械能转化成电能，从而输出电信号，这样，有利于提高机器人的感知能力和柔韧性；在纳米压力传感器将电信号输出给信号处理器后，信号处理器可将电信号进行处理，此时中央控制器可根据信号处理器的输出信号控制机器人的相应部位动作，从而有利于提高机器人的灵敏度和灵活性。

根据本实用新型的一些实施例，所述中央控制器根据所述信号处理器的输出信号确定所述纳米压力传感器的受力点，且所述中央控制器根据所述受力点控制所述机器人本体的相应部位动作和/或所述相应部位动作的力度大小。

根据本实用新型的一些实施例，所述纳米压电发电机包括：第一电极层和第二电极层，所述第一电极层和所述第二电极层形成为所述电信号的输出端；压电发电层，所述压电发电层位于所述第一电极层和所述第二电极层之间，当外界物体对所述纳米压力传感器施加压力时，所述压电发电层产生压电电子使得所述第一电极层和所述第二电极层产生感应电荷。

具体地，所述压电发电层为氧化锌层、锆钛酸铅压电陶瓷层或聚偏氟乙烯层。

根据本实用新型的一些实施例，所述纳米压力传感器还包括衬底和封装层，所述衬底为柔性件，所述纳米压电发电机设在所述衬底上，所述封装层包覆所述纳米压电发电机和所述衬底。

具体地，所述封装层为柔性件。

根据本实用新型的一些实施例，所述纳米压力传感器覆盖在所述机器人本体的全部或部分外表面上。

根据本实用新型的一些实施例，所述纳米压力传感器为多个，多个所述纳米压力传感器间隔设在所述机器人本体的外表面上，多个所述纳米压力传感器之间电连接。

具体地，多个所述纳米压力传感器以阵列形式排列，形成M行N列的纳米压力传感器阵列，每行的所述纳米压力传感器所包括的所述纳米压电发电机的一个输出端彼此相互连接，组成行输出端；每列的所述纳米压力传感器所包括的纳米压电发电机的另一个输出端彼此相互连接，组成列输出端；用于将外界物体对其施加的压力转换成电信号。

根据本实用新型的一些实施例，所述机器人还包括：电源模块和开关模块，所述开关模块分别与所述电源模块和所述信号处理器相连，所述开关模块用于控制所述电源模块为所述信号处理器供电。

附图说明

图1是根据本实用新型一些实施例的机器人的示意图。

图2是根据本实用新型一些实施例的纳米压力传感器的示意图；

图3是根据本实用新型一些实施例的机器人的机械手的示意图；

图4是根据本实用新型另一些实施例的机器人的机械手的示意图；

图5是根据本实用新型一些实施例的多个纳米压力传感器的连接示意图；

图6是根据本实用新型一些实施例的机器人的示意图。

附图说明

机器人100；

机器人本体1；机械手11；

纳米压力传感器2；纳米压电发电机21；第一电极层211；第二电极层213；压电发电机212；衬底22；封装层23；信号处理器3；中央控制器4；电源模块5；开关模块6。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面参考图1-图6描述根据本实用新型实施例的机器人100。

如图1和图6所示，根据本实用新型实施例的机器人100，可以包括机器人本体1、纳米压力传感器2、信号处理器3和中央控制器4。其中，可以理解的是，机器人本体1为机器人100的整个身体。

如图1、图3和图4所示，纳米压力传感器2设在机器人本体1的外表面上。例如纳米压力传感器2设在机器人本体1的机械手11、腿、脚、手臂、胸部、头部和/或背部上。

如图2所示，纳米压力传感器2包括纳米压电发电机21，纳米压力传感器2适于将外界物体对其施加的压力转化成电信号。具体而言，当外界物体与机器人本体1的外表面接触以对设在外表面上的所述纳米压力传感器2施加压力时，纳米压电发电机21可在纳米范围内将机械能转化成电能，从而使得纳米压力传感器2输出电信号。可以理解的是，纳米压力传感器2输出的电信号的强弱与所受到的压力有关，当纳米压力传感器2的受到的压力越大时，其输出的电信号的强度越强，当纳米压力传感器2受到的压力越小时，其输出的电信号的强度越弱。

信号处理器3与纳米压力传感器2电连接以接收电信号，也就是说，信号处理器3的输入端与纳米压力传感器2的输出端电连接，以便于接收纳米压力传感器2输出的电信号。信号处理器3可以对纳米压力传感器2输出的电信号进行处理，以将模拟压力电信号转换成数字压力电信号。具体地，信号处理器3包括：放大电路、整流电路、滤波电路、模数转换电路，其中，放大电路的输入端与纳米压力传感器的输出端相连以用于放大纳米压力传感器输出的电信号，整流电路的输入端与放大电路的输出端相连以用于将放大电路输出的放大后的电信号进行整流处理，滤波电路的输入端与整流电路的输出端相连以用于滤除整流电路输出的压力电信号中的干扰杂波，模数转换电路的输入端与滤波电路的输出端相连以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。

中央控制器4与信号处理器3连接，以根据信号处理器3的输出信号控制机器人100的相应部位动作，也就是说，中央控制器4可根据信号处理器3输出的压力信号控制机器人本体1的相应部位例如腿、脚等执行相应的动作。例如，当纳米压力传感器2设在机器人100的机器人本体1上时，当机器人本体1因接触到障碍物而使得与障碍物对应的机器人本体1的位置处的纳米压力传感器2受到压力时，纳米压力传感器2可产生电信号，并将电信号传输给信号处理器3，信号处理器3对输入的压力电信号进行相应处理，然后输出给中央控制器4，此时中央控制器4可根据信号处理器3输出的信号控制机器人本体1的相应部分例如腿和脚动作，以便于机器人100灵活调整行动方向，以躲避障碍物。或者在另一些实施例中，中央控制器4根据信号处理器3的输出信号确定纳米压力传感器2的受力点，且中央控制器4根据所确定的受力点控制机器人本体1的相应部位动作和/或相应部位动作的力度大小。例如，当机器人100的机械手11的表面上设有纳米压力传感器2，且机械手11在拾取物体的过程中，当机械手11初次触碰到外界物体后，外界物体对机械手11上的纳米压力传感器2施加压力，此时纳米压力传感器2输出电信号，信号处理器3对纳米压力传感器2输出的电信号进行处理，然后中央控制器4根据信号处理器3输出的压力信号确定纳米压力传感器2的受力位置。若初始为机械手11的手掌部位触碰到外界物体，而手指没有触碰到，则中央控制器4控制机械手11的手指合拢，并且当位于手指部位的纳米压力传感器2也产生信号输出时，表示该物体可以进行拾取；若初始为机械手11的手指部位触碰到外界物体，而手掌没有触碰到，则中央控制器4控制机械手11的手指伸展，同时机械手调整角度和位置，并且当位于手掌部位的纳米压力传感器2产生信号输出时，表示机械手11位置准确，然后由中央控制器4控制机械手11的手指合拢，待位于手指部位的纳米压力传感器2也产生信号输出时，表示该物体可以进行拾取。随后，中央控制器4控制机械手11以较小的初始力度拾取物体，若在拾取过程中某一位置处的纳米压力传感器2的输出信号减弱，则表示该物体有滑落的趋势，说明该力度不足以将物体拾取，则中央控制器4自动调整拾取力度，直至该物体能够被拾取。优选地，通过在机械手11上设置加速度传感器可获得机械手11各部位间的角度，将其与获得的纳米压力传感器2的受力点的位置相结合，可对外界物体的形状进行识别。

根据本实用新型实施例的机器人100，通过在机器人100的机器人本体1的外表面上设置纳米压力传感器2，当外界物体对纳米压力传感器2施加压力时，纳米压力传感器2内的纳米压电发电机21可将机械能转化成电能，从而输出电信号，这样，有利于提高机器人100的感知能力和柔韧性；在纳米压力传感器2将电信号输出给信号处理器3后，信号处理器可将电信号进行处理，此时中央控制器4可根据信号处理器3输出的压力信号控制机器人100的相应部位动作，从而有利于提高机器人100的灵敏度和灵活性。

具体地，如图1和图6所示，机器人100还包括电源模块5和开关模块6，电源模块5可以对信号处理器3和中央控制器4的工作提供电能，电源模块5既可以采用可拆卸的储能元件，如蓄电池、超级电容等，也可采用有线供电，例如通过电缆与外界电源连接。从而便于对机器人100的供电。开关模块6分别与信号处理器3和电源模块5电连接，以控制电源模块5为信号处理器3和中央控制器4供电。

根据本实用新型的一些实施例，如图2所示，纳米压电发电机21包括：第一电极层211、第二电极层213和压电发电层212。其中，压电发电层212位于第一电极层211和第二电极层213之间，第一电极层211和第二电极层213形成为电信号的输出端，当外界物体对纳米压力传感器2施加压力时，压电发电层212产生压电电子使得第一电极层211和第二电极层213产生感应电荷，从而在第一电极层211和第二电极层213之间出现电势差，当外电路接通时，压电发电层212产生的电子由电动势低的一侧流向电动势高的一侧，以使得纳米压力传感器2将电信号输出给信号处理器3，简单可靠。

可选地，压电发电层212为氧化锌层、锆钛酸铅压电陶瓷层或聚偏氟乙烯层。由此，不但结构简单，而且有利于提高纳米压力传感器2的灵敏度。此处需要说明的是，纳米压电发电机21和纳米压力传感器2的结构和工作原理已被本领域技术人员所熟知，此处不再进行详细说明。

在本实用新型的一些实施例中，纳米压力传感器2还包括衬底22和封装层23，纳米压电发电机21设在衬底22上，从而使得纳米压电发电机21通过衬底22设在机器人本体1的外表面上。

衬底22为柔性件。由此，通过使得衬底22为柔性材料，在纳米压力传感器2受到压力时，纳米压电发电机21可产生较大的形变，从而有利于获得较大的电信号输出以提高纳米压力传感器2的灵敏度，同时衬底22还可以起到缓冲和保护纳米压电发电机21的作用。

封装层23包覆纳米压电发电机21和衬底22，从而起到保护纳米压电发电机21和衬底22的作用。具体地，封装层23为柔性件，例如封装层23由超薄柔性材料制成。

可选地，机器人100还可以包括温度传感器和湿度传感器，温度传感器可检测机器人100所在环境和/或外界物体的温度，湿度传感器可检测机器人100所在环境和/或外界物体的湿度。具体地，温度传感器和湿度传感器分别经过封装形成温度传感器层和湿度传感器层后，与纳米压电传感器层叠设置；或者，温度传感器和湿度传感器嵌入纳米压力传感器2的封装层23内。

在本实用新型的一些实施例中，纳米压力传感器2可以为一个，纳米压力传感器2整个覆盖在机器人本体1的部分或全部外表面上。例如，如图4所示，机器人100包括机械手11，纳米压力传感器2为一个且覆盖在机器人100的机械手11的表面上。当然，本实用新型不限于此，在其它实施例中，一个纳米压力传感器2还可以覆盖在机器人本体1的全部外表面上。

根据本实用新型的一些实施例，纳米压力传感器2为多个，多个纳米压力传感器2间隔设在机器人100的外表面上，以便于中央控制器4根据不同位置处的纳米压力传感器2输出的电信号控制机器人100相应部位的动作。例如，如图1和图3所示，纳米压力传感器2为多个，多个纳米压力传感器2间隔设在机器人100的机械手11上，多个纳米压力传感器2之间电连接。优选地，每个纳米压力传感器2与信号处理器3电连接，由此，当机器人100的机械手11上的不同位置处的纳米压力传感器2受到不同的压力时，则不同的纳米压力传感器2输出的电信号的强度不同，从而便于中央控制器4根据不同的电信号控制与相应的纳米压力传感器2对应的机械手11的不同位置处的动作。

可选地，多个纳米压力传感器2既可以均匀分布在机械手11的表面上，也可以根据机械手11的不同位置处的灵活性要求确定相应部位设置的纳米压力传感器2的数量。

可选地，多个纳米压力传感器2以阵列形式排列形成M行N列的纳米压力传感器2阵列，每行的纳米压力传感器2所包括的纳米压电发电机21的一个输出端彼此相互连接，组成行输出端。每列的纳米压力传感器2所包括的纳米压电发电机21的另一个输出端彼此相互连接，组成列输出端。每个行输出端和每个列输出端分别通过接口与信号处理器3相连，当外力作用在不同的纳米压力传感器2上时，纳米压力传感器2产生压力电信号，由信号处理器3根据信号输入的端子以识别产生电信号的纳米压力传感器2的位置。

例如，如图5所示，9个纳米压力传感器2排列成3行3列的阵列。每个纳米压电发电机21均包括上述的第一电极层211、第二电极层213和压电发电层212。每行的纳米压力传感器2的纳米压电发电机21的第一电极层211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以组成行输出端，同时每列的纳米压力传感器2的纳米压电发电机21的第二电极层213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以组成列输出端。将上述行输出端和列输出端通过接口与信号处理器相连，当外力作用在不同的纳米压力传感器2上(例如(M1，N2)和(M2，N3))时，纳米压力传感器2产生压力电信号，由信号处理器3根据信号输入的端子以识别产生电信号的纳米压力传感器2的位置。由此，每个纳米压力传感器2的第一电极层211和第二电极层213均与信号处理器3之间形成单独的电流回路，从而当多个纳米压力传感器2中的一个或者几个与外界物体接触时，不同的纳米压力传感器2之间受到的外界物体对其施加的压力可能是不同的，不同的纳米压力传感器2可各自独立地将输出的电信号传递给信号处理器3，从而便于信号处理器3对各个纳米压力传感器2的电信号进行单独处理，同时便于中央控制器4对与各个纳米压力传感器2对应的位置处的机器人本体1的结构进行单独控制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种机器人，其特征在于，包括：

机器人本体；

纳米压力传感器，所述纳米压力传感器包括纳米压电发电机，所述纳米压力传感器设在所述机器人本体的外表面上，所述纳米压力传感器适于将外界物体对其施加的压力转化成电信号；

信号处理器，所述信号处理器与所述纳米压力传感器电连接以接收所述电信号，所述信号处理器对所述电信号进行处理；

中央控制器，所述中央控制器与所述信号处理器连接以根据所述信号处理器的输出信号控制所述机器人本体的相应部位动作。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述中央控制器根据所述信号处理器的输出信号确定所述纳米压力传感器的受力点，且所述中央控制器根据所述受力点控制所述机器人本体的相应部位动作和/或所述相应部位动作的力度大小。

3.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述纳米压电发电机包括：

第一电极层和第二电极层，所述第一电极层和所述第二电极层形成为所述电信号的输出端；

压电发电层，所述压电发电层位于所述第一电极层和所述第二电极层之间，当外界物体对所述纳米压力传感器施加压力时，所述压电发电层产生压电电子使得所述第一电极层和所述第二电极层产生感应电荷。

4.根据权利要求3所述的机器人，其特征在于，所述压电发电层为氧化锌层、锆钛酸铅压电陶瓷层或聚偏氟乙烯层。

5.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述纳米压力传感器还包括衬底和封装层，所述衬底为柔性件，所述纳米压电发电机设在所述衬底上，所述封装层包覆所述纳米压电发电机和所述衬底。

6.根据权利要求5所述的机器人，其特征在于，所述封装层为柔性件。

7.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述纳米压力传感器覆盖在所述机器人本体的全部或部分外表面上。

8.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述纳米压力传感器为多个，多个所述纳米压力传感器间隔设在所述机器人本体的外表面上，多个所述纳米压力传感器之间电连接。

9.根据权利要求8所述的机器人，其特征在于，多个所述纳米压力传感器以阵列形式排列，形成M行N列的纳米压力传感器阵列，每行的所述纳米压力传感器所包括的所述的纳米压电发电机的一个输出端彼此相互连接，组成行输出端；每列的所述纳米压力传感器所包括的所述纳米压电发电机的另一个输出端彼此相互连接，组成列输出端；用于将外界物体对其施加的压力转换成电信号。

10.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，还包括：电源模块和开关模块，所述开关模块分别与所述电源模块和所述信号处理器相连，所述开关模块用于控制所述电源模块为所述信号处理器供电。