CN211517497U

CN211517497U - 一种机器人电子皮肤及机器人

Info

Publication number: CN211517497U
Application number: CN201921258844.0U
Authority: CN
Inventors: 刘培超; 黄睿; 曹林攀; 林俊凯
Original assignee: Shenzhen Yuejiang Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Yuejiang Technology Co Ltd
Priority date: 2019-08-02
Filing date: 2019-08-02
Publication date: 2020-09-18
Anticipated expiration: 2029-08-02

Abstract

本实用新型涉及电子皮肤领域，公开了一种机器人电子皮肤及机器人。包括：绝缘支撑件；电容感应单元，用于与靠近电容感应单元的接地物体构成第一电容；控制电路，与电容感应单元连接，包括LC谐振电路与接地端口，其中，接地端口与大地构成第二电容，LC谐振电路包括第一节点与第二节点，电容感应单元与第一节点连接；基准层，与接地端口连接，基准层与大地构成第三电容；当激励信号从第一节点输入时，得到第一震荡电路，当激励信号从第二节点输入时，得到第二震荡电路。本实用新型实现了接地物体非接触式的距离检测。

Description

一种机器人电子皮肤及机器人

技术领域

本实用新型涉及电子皮肤领域，特别是涉及一种机器人电子皮肤及机器人。

背景技术

目前，机器人的电子皮肤主要以接触式的电阻式电子皮肤为主，电阻式电子皮肤依靠接地物体(例如人体)与机器人接触后引起电子皮肤的形变，并向机器人的控制电路发送接触信号。但是，若接地物体不直接接触电子皮肤，电子皮肤则无法实现接地物体非接触式的距离检测。

实用新型内容

本实用新型实施例旨在提供一种机器人电子皮肤及机器人，其能够基于自电容检测原理，实现接地物体非接触式的距离检测。

为解决上述技术问题，本实用新型实施例提供以下技术方案：

第一方面，本实用新型实施例提供一种机器人电子皮肤，包括：

绝缘支撑件；

电容感应单元，设置于所述绝缘支撑件的外表面，用于与靠近所述电容感应单元的接地物体构成第一电容；

控制电路，与所述电容感应单元连接，所述控制电路包括LC谐振电路与接地端口，其中，所述接地端口与大地构成第二电容，所述LC谐振电路包括第一节点与第二节点，所述电容感应单元与所述第一节点连接；

基准层，设置于所述绝缘支撑件的内表面，与所述接地端口连接，所述基准层与大地构成第三电容；

当激励信号从所述第一节点输入时，得到第一震荡电路，当激励信号从所述第二节点输入时，得到第二震荡电路。

进一步的，所述电容感应单元包括电容感应层，所述电容感应层设置于所述绝缘支撑件的外表面，用于与靠近所述电容感应层的接地物体构成第一电容。

进一步的，所述电容感应单元的数量为多个，呈阵列式地设置于所述绝缘支撑件的外表面。

进一步的，每相邻两个所述电容感应单元相互绝缘。

进一步的，所述电容感应层包括金属片、金属板或金属涂层。

进一步的，所述基准层包括接地金属片、接地金属板、接地金属涂层或机器人的接地金属外壳。

进一步的，所述第三电容大于所述第一电容。

第二方面，本实用新型实施例提供一种机器人，包括如上所述的机器人电子皮肤。

本实用新型实施例的有益效果是：区别于现有技术的情况下，本实用新型实施例提供的一种机器人电子皮肤及机器人。其中，所述机器人电子皮肤通过电容感应单元与靠近电容感应单元的接地物体构成第一电容，控制电路包括LC谐振电路与接地端口，接地端口与大地构成第二电容，LC谐振电路包括第一节点与第二节点，电容感应单元与第一节点连接，以及基准层与接地端口连接，基准层与大地构成第三电容，再通过自电容检测原理，当激励信号从第一节点输入时，得到第一震荡电路，当激励信号从第二节点输入时，得到第二震荡电路，控制电路用于来回切换第一震荡电路和第二震荡电路，并根据震荡频率计算接地物体与电容感应单元之间的距离。因此，本实用新型实施例采用电容式机器人电子皮肤，在接地物体靠近电容感应单元的过程中，实时精确测量接地物体与电容感应单元之间的距离。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本实用新型实施例提供的一种机器人电子皮肤的平面示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种机器人电子皮肤的A-B剖面示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一种机器人电子皮肤的结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的一种第一震荡电路的等效示意图；

图5是本实用新型实施例提供的一种第二震荡电路的等效示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

此外，下面所描述的本实用新型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。

请参阅图1，为本实用新型实施例提供的一种机器人电子皮肤的平面示意图。如图1所示，所述机器人电子皮肤100至少包括绝缘支撑件10和电容感应单元20，所述绝缘支撑件10和所述电容感应单元20均位于机器人的接地金属外壳的外表面，可以被用户直接观测或者触摸。

所述绝缘支撑件10安装于机器人的接地金属外壳上，紧贴于机器人的接地金属外壳设置，为不影响机器人的整体外观设计和其他机械性能，通常将所述绝缘支撑件10的厚度设置在2mm以下。其中，所述电容感应单元20集中布局于所述绝缘支撑件10上，且所述电容感应单元20设置于所述绝缘支撑件10的外表面，即所述绝缘支撑件10用于为所述电容感应单元20提供依附的场地。所述绝缘支撑件10为不善于传导电流的物质，例如，橡胶、塑料、玻璃、陶瓷等等。

可以理解，根据机器人类型的不同，可以调整所述绝缘支撑件10在机器人上的安装位置，例如，当机器人为陪伴机器人时，所述绝缘支撑件10一般安装于机器人的本体的正前方，以便于用户进行操作。当机器人为工业机器人或者协作机器人时，所述绝缘支撑件10一般安装于机器人的机器臂的末端，以便于机器臂感知外物，进而抓取物体或者躲避物体碰撞等。所述绝缘支撑件10的大小与所述电容感应单元20的大小和数量有关，根据距离感知的精度要求，需要变更所述电容感应单元20的大小和数量，进而需调节所述绝缘支撑件10的大小。所述绝缘支撑件10的截面形状也不限于本实施例所公开的长方形或正方形。

所述电容感应单元20设置于所述绝缘支撑件10的外表面，用于与靠近所述电容感应单元20的接地物体1构成第一电容C_x(如图3所示)。在本实施例中，所述电容感应单元20为4cm*4cm的正方形，每相邻两个所述电容感应单元20相互绝缘。在一些实施例中，根据位置信号的分辨率，可以调整所述电容感应单元20的大小。在本实施例中，接地物体1可以为电学上的任意接地形式，在此不做限定。

如图2所示，所述电容感应单元20包括电容感应层201，所述电容感应层201设置于所述绝缘支撑件10的外表面，用于与靠近所述电容感应层201的接地物体1构成第一电容C_x。

在本实施例中，所述电容感应层201包括金属片、金属板或金属涂层。所述电容感应层201相当于电容器的一个单板，所述电容感应层201与所述控制电路30(如图3所示)连接，则所述电容感应层201与所述控制电路30结合相当于一个电容传感器。所述电容感应层201与所述控制电路30结合既满足了电容器的条件，也满足了将被测量的物理量或机械量转换成电容量变化，并将其发送至所述控制电路30进行处理的条件。所述电容传感器将所述接地物体1与所述电容感应单元20之间的距离变化转化为所述第一电容C_x的电容量变化，通过所述控制电路30计算所述第一电容C_x的电容量，从而得到所述接地物体1与所述电容感应单元20之间的距离。

进一步的，所述电容感应单元20的数量为多个，若干所述电容感应单元20呈阵列式地设置于所述绝缘支撑件10的外表面。

需要说明的是，每一个所述电容感应单元20能够独立感知所述电容感应层201对应区域的电容变化信号(即所述第一电容C_x的电容量变化)，并将所述电容变化信号发送给所述控制电路30。每一个所述电容感应单元20有且只有一个电容变化信号，即无论所述接地物体1靠近某一个所述电容感应单元20的任意区域(例如所述电容感应单元20的左上角，或者所述电容感应单元20的右下角)，或者所述接地物体1覆盖某一个所述电容感应单元20的任意区域大小，对应的所述电容感应单元20仅产生唯一一个电容变化信号。

请再次参阅图3，为本实用新型实施例提供的一种机器人电子皮肤的结构示意图。所述机器人电子皮肤100还包括控制电路30和基准层40。

所述控制电路30与所述电容感应单元20连接，所述控制电路30包括LC谐振电路301与接地端口302，其中，所述接地端口302与大地构成第二电容Cg，所述LC谐振电路301包括第一节点31与第二节点32。

请一并参阅图2，所述基准层40设置于所述绝缘支撑件10的内表面，所述基准层40与所述接地端口302连接，所述基准层40与大地构成第三电容C_pg，所述第三电容远大于所述第一电容C_x和所述第二电容C_g。需要说明的是，所述基准层40可与大地构成电容值较大且稳定的电容。

综上，所述绝缘支撑件10位于所述电容感应单元20和所述基准层40之间，所述绝缘支撑件10还用于隔离所述电容感应单元20与所述基准层40，从而实现将所述电容感应单元20和所述控制电路30结合形成电容传感器。

在本实施例中，所述基准层40为面积很大的金属面，包括接地金属片、接地金属板、接地金属涂层或机器人的接地金属外壳。当所述基准层40为机器人的接地金属外壳时，所述机器人的接地金属外壳与所述接地端口302连接，即所述机器人的接地金属外壳与大地构成的第三电容C_pg并联于所述接地端口302与大地之间。当所述基准层40连接大地时，连接的通路也会构成的第三电容C_pg，并联于所述接地端口302与大地之间。由于将所述接地端口302连接至所述基准层40上，相当于在所述第二电容C_g上并联了一个很大的电容，即所述第二电容C_g与所述第三电容C_pg并联，实际上增大了所述第二电容C_g的等效电容。

如图4和图5所示，当激励信号从所述第一节点31输入时，得到第一震荡电路200。当激励信号从所述第二节点32输入时，得到第二震荡电路300。所述控制电路30用于来回切换所述第一震荡电路200和所述第二震荡电路300，并根据震荡频率计算所述接地物体1与所述电容感应单元20之间的距离。

可以理解，所述接地物体1与所述电容感应单元20之间的距离可以用于表征障碍物(即所述接地物体1)与机器人(即所述电容感应单元20)之间距离的远近，当所述接地物体1与所述电容感应单元20之间的距离小于第一预设阈值时，则判断所述接地物体1与所述电容感应单元20发生了直接触碰，再结合中央控制器的处理，对所述接地物体1的触摸操作进行处理，在本实施例中，所述第一预设阈值设置为1mm。

在本实施例中，所述控制电路30为电容传感器芯片，该电容传感器芯片可以采用集成电路FDC2214，可以理解，集成电路FDC2214为电容传感器芯片中的一种，不用于限制所述控制电路30的具体表现形式。

具体的，所述控制电路30来回切换所述第一震荡电路200和所述第二震荡电路300，并根据震荡频率计算所述接地物体与所述电容感应单元之间的距离，包括：

S10：根据式子一：

计算所述震荡周期的第一周期。

S20：根据式子二：

计算所述震荡周期的第二周期。

S30：根据式子三：

计算所述第一电容。

S40：根据式子四:

计算所述接地物体与所述电容感应单元之间的距离。

其中，

C_g1＝C_g+C_pg，T₁为所述震荡周期的第一周期，T₂为所述震荡周期的第二周期，L₀为所述LC谐振电路的电感，C₀为所述LC谐振电路的电容，C_comb为等效电容，β为电容系数，C_g1为等效电容，C_x为所述第一电容，C_g为所述第二电容，C_pg为所述第三电容，f为所述震荡频率，ε为电介质常数，S为所述电容感应层与所述基准层的正对面积，k为静电力常数，d为所述接地物体与所述电容感应单元之间的距离。

所述震荡频率f对应震荡周期T，所述第一震荡电路200对应所述震荡周期T的第一周期T₁，所述第二震荡电路300对应所述震荡周期T的第二周期T₂。其中，所述第一周期T₁为所述第一震荡电路200在一个所述震荡周期内的振荡时间，所述第二周期T₂为所述第二震荡电路300在一个所述震荡周期内的振荡时间。

在本实施例中，f＝1/T＝1/(T₁+T₂)，根据所述震荡频率f，所述震荡周期的第一周期T₁和所述震荡周期的第二周期T₂交替出现。在一个所述震荡周期内，当处于所述第一周期T₁时，优先将电路切换为所述第一震荡电路200，即此时，所述机器人电子皮肤100的等效电路为所述第一震荡电路200；同理，在一个所述震荡周期内，当处于所述第二周期T₂时，将所述第一震荡电路200切换为所述第二震荡电路300，即此时，所述机器人电子皮肤100的等效电路为所述第二震荡电路300。

需要说明的是，本实施例并未限制所述第一周期T₁和所述第二周期T₂对应的时间长短，仅用于指示其在时间轴上出现的先后顺序，满足所述第一周期T₁和所述第二周期T₂相加等于所述震荡周期T即可，例如，若所述第一周期T₁等于T/2，则所述第二周期T₂等于T/2，若所述第一周期T₁等于T/4，则所述第二周期T₂等于3T/4。

所述第一周期T₁和所述第二周期T₂的大小取决于所述震荡频率f。

＝T/2，＝T/2可以不相等

需要说明的是，由于在所述第二电容C_g的两端并联了所述第三电容C_pg，由于所述基准层40与大地构成第三电容C_pg，所以，所述第三电容C_pg的电容值非常大，所述第三电容C_pg远远大于所述第一电容C_x，则所述等效电容C_g1远远大于所述第一电容C_x，从而，所述电容系数β趋近于1，故而，式子三有且仅有一个变量第一电容C_x。

本实用新型实施例提供的一种机器人电子皮肤，通过电容感应单元与靠近电容感应单元的接地物体构成第一电容，控制电路包括LC谐振电路与接地端口，接地端口与大地构成第二电容，LC谐振电路包括第一节点与第二节点，电容感应单元与第一节点连接，以及基准层与接地端口连接，基准层与大地构成第三电容，再通过自电容检测原理，当激励信号从第一节点输入时，得到第一震荡电路，当激励信号从第二节点输入时，得到第二震荡电路，控制电路用于来回切换第一震荡电路和第二震荡电路，并根据震荡频率计算接地物体与电容感应单元之间的距离。因此，本实用新型实施例采用电容式机器人电子皮肤，在接地物体靠近电容感应单元的过程中，实时精确测量接地物体与电容感应单元之间的距离。

进一步的，所述控制电路30还用于根据所述接地物体1与所述电容感应单元20之间的距离，控制机器人采取碰撞防护操作。或者，所述控制电路30还用于根据所述接地物体1与所述电容感应单元20之间的距离，控制机器人实施拖动示教操作。

可以理解，将所述机器人电子皮肤100的距离检测技术与碰撞防护技术结合，可减少红外传感器的使用，从而降低成本。另外，在机器人独立执行工作任务时，可以有效避开障碍物的碰撞，提升机器人的安全性。

机器人拖动示教通过事先“告知”机器人所要进行的动作信息和作业信息等。这些信息大致分为三类：机器人位置和姿态信息，轨迹和路径点等信息；机器人任务动作顺序等信息；机器人动作、作业时的附加条件等信息、机器人动作的速度和加速度等信息、作业内容信息等。在机器人拖动示教的过程中，由于程序、现场等因素的影响，可能对机器人所要进行的动作信息和作业信息产生影响，为降低这种影响，提高拖动示教的效果，是以提出了将所述机器人电子皮肤100的距离检测技术与机器人拖动示教结合的方案，根据机器人拖动示教过程中的接地物体1与电容感应单元20之间的距离，可以更好地进行示教。

综上，基于所述机器人电子皮肤100实时精确测量的接地物体1与电容感应单元20之间的距离，可将其应用于其他机器人技术，以实现预期效果，例如碰撞防护、拖动示教等。

在一些实施例中，所述控制电路30还用于根据所述接地物体1与所述电容感应单元20之间的距离，提示用户。

具体的，利用3D仿真软件仿真所述机器人电子皮肤100的硬件环境和软件环境，所述3D仿真软件的显示界面包括多个所述电容感应单元20对应的小方块。若没有检测到所述接地物体1，则所述电容感应单元20对应的小方块显示绿色，若检测到所述接地物体1，则所述电容感应单元20对应的小方块显示红色。在所述接地物体1逐渐靠近的过程中，通过红绿色系的渐变表示所述接地物体1的远近，即所述接地物体1与所述电容感应单元20之间的距离的大小。

在一些实施例中，所述控制电路30还用于根据所述接地物体1与所述电容感应单元20之间的距离，实现虚拟按键。

具体的，当所述接地物体1与所述电容感应单元20之间的距离小于或等于第二预设阈值，确定用户在实施虚拟按键操作；根据发送电容变化信号的所述电容感应单元20，确定该虚拟按键操作对应的坐标位置；根据该坐标位置，实施虚拟按键操作子程序。

作为本实用新型的另一实施例，本实用新型实施例还提供了一种机器人，所述机器人包括如前任一实施例所述的机器人电子皮肤100。

本实用新型实施例提供的一种机器人，通过电容感应单元与靠近电容感应单元的接地物体构成第一电容，控制电路包括LC谐振电路与接地端口，接地端口与大地构成第二电容，LC谐振电路包括第一节点与第二节点，电容感应单元与第一节点连接，以及基准层与接地端口连接，基准层与大地构成第三电容，再通过自电容检测原理，当激励信号从第一节点输入时，得到第一震荡电路，当激励信号从第二节点输入时，得到第二震荡电路，控制电路用于来回切换第一震荡电路和第二震荡电路，并根据震荡频率计算接地物体与电容感应单元之间的距离。因此，本实用新型实施例采用电容式机器人电子皮肤，在接地物体靠近电容感应单元的过程中，实时精确测量接地物体与电容感应单元之间的距离。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种机器人电子皮肤，其特征在于，包括：

绝缘支撑件；

2.根据权利要求1所述的机器人电子皮肤，其特征在于，所述电容感应单元包括电容感应层，所述电容感应层设置于所述绝缘支撑件的外表面，用于与靠近所述电容感应层的接地物体构成第一电容。

3.根据权利要求2所述的机器人电子皮肤，其特征在于，所述电容感应单元的数量为多个，呈阵列式地设置于所述绝缘支撑件的外表面。

4.根据权利要求3所述的机器人电子皮肤，其特征在于，每相邻两个所述电容感应单元相互绝缘。

5.根据权利要求2-4任一项所述的机器人电子皮肤，其特征在于，所述电容感应层包括金属片、金属板或金属涂层。

6.根据权利要求1所述的机器人电子皮肤，其特征在于，所述基准层包括接地金属片、接地金属板、接地金属涂层或机器人的接地金属外壳。

7.根据权利要求1所述的机器人电子皮肤，其特征在于，所述第三电容大于所述第一电容。

8.一种机器人，其特征在于，包括如权利要求1至7任一项所述的机器人电子皮肤。