用于机器人触觉反馈的阵列式柔性电子皮肤

摘要

本发明公开了一种用于机器人触觉反馈的阵列式柔性电子皮肤，包括触觉反馈响应系统、呈阵列分布的多个容置壳、分别设于容置壳内的多个柔性电子皮肤单元，多个容置壳之间通过拼接部进行连接，每个柔性电子皮肤单元包括基底、位于基底上的电致变色压力显示单元以及位于电致变色压力显示单元上的摩擦电压力敏感单元，触觉反馈响应系统分别与电致变色压力显示单元、摩擦电压力敏感单元相连接。本发明能够大面积地应用在机器人上，同时呈阵列分布的多个柔性电子皮肤单元之间是连接在一起的，能够便于阵列式柔性电子皮肤的移动调整，便于应用在机器人的不同位置，检测范围大，可完成对压力大小及分布的检测和实时可视化显示，对电源的依赖性低。

说明书

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种用于机器人触觉反馈的阵列式柔性电子皮肤。

背景技术

目前机器人在触觉反馈领域常用的技术为基于压力传感器的触觉响应系统，主要由压力传感器和信号处理系统组成。但是，机器人触觉反馈领域中的压力传感器都应用在机器人相对固定的位置，如关节部位，检测位置非常局限。因此触觉反馈技术无法大面积的应用于机器人表面。此外，在信号处理系统方面，关于压力的相关信息主要通过显示器来呈现，无法在压力接触表面呈现压力的相关信息，而该设备需要持续不断的外界电源供电才可以维持正常的工作。当电源断开时，机器人与外界环境中的作用力接触时，我们就无法得知压力的相关信息，并且目前商用的压力传感器也存在电源依赖和能耗高的问题。

发明内容

针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种可柔性大面积贴合机器人表面，完成大面积压力检测和实时显示，并且成本较低、制备简易、电源依赖性低及能耗较低的用于机器人触觉反馈的阵列式柔性电子皮肤。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种用于机器人触觉反馈的阵列式柔性电子皮肤，包括触觉反馈响应系统、呈阵列分布的多个容置壳、分别设于所述容置壳内的多个柔性电子皮肤单元，多个所述容置壳之间通过拼接部进行连接，每个所述柔性电子皮肤单元包括基底、位于所述基底上的电致变色压力显示单元以及位于所述电致变色压力显示单元上的摩擦电压力敏感单元，所述触觉反馈响应系统分别与所述电致变色压力显示单元、摩擦电压力敏感单元相连接。

作为本发明的进一步改进，所述触觉反馈响应系统包括信号采集过滤电路、与所述信号采集过滤电路相连接的单片机、与所述单片机相连接的电脑、输出电路，所述信号采集过滤电路与所述摩擦电压力敏感单元相连接，所述输出电路与所述电致变色压力显示单元相连接。

作为本发明的进一步改进，所述单片机为Arduino Mega2560单片机。

作为本发明的进一步改进，所述拼接部与多个所述容置壳加热固化粘接。

作为本发明的进一步改进，所述加热固化的加热温度为65℃。

作为本发明的进一步改进，所述拼接部的材质与所述容置壳的材质相同。

作为本发明的进一步改进，所述容置壳包括上端开口的容置壳体、将所述容置壳体封闭住的封口部。

作为本发明的进一步改进，所述容置壳的底面积为1.5cm×1.0cm。

作为本发明的进一步改进，所述电致变色压力显示单元包括依次层叠的电致变色下电极层、电致变色层、电致变色电解质层和电致变色上电极层，所述电致变色下电极层位于所述基底上。

作为本发明的进一步改进，所述摩擦电压力敏感单元包括摩擦电电极层、设于所述摩擦电电极层上的摩擦电敏感层，所述摩擦电电极层位于所述电致变色上电极层上。

本发明的有益效果是：

本发明呈阵列分布能够大面积地应用在机器人上，同时呈阵列分布的多个柔性电子皮肤单元之间是连接在一起的，能够便于阵列式柔性电子皮肤的移动调整，便于应用在机器人的不同位置，检测范围大，可进行大面积的压力检测，还能够快捷地贴合在机器人表面上进行触觉反馈检测，可完成对压力大小及分布的检测和实时可视化显示，检测效率高，同时还能够确保各柔性电子皮肤单元的工作稳定性和使用寿命，且本发明的触觉反馈响应系统的成本低廉，而且信号处理及时且准确，降噪能力强，适用性强，灵活轻便，可便携式适用，适用范围广，同时通过该触觉反馈响应系统，使得阵列式柔性电子皮肤对电源的依赖性低，且能耗较低，延长使用时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的优选实施例的结构示意图；

图2为本发明的优选实施例的未设置封口部的俯视图；

图3为本发明的优选实施例的原理框图；

图4为本发明的优选实施例的信号采集过滤电路的电路图；

图5为本发明的优选实施例的输出电路的电路图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

如图1-图3所示，本发明实施例提供了一种用于机器人触觉反馈的阵列式柔性电子皮肤，包括触觉反馈响应系统6、呈阵列分布的多个容置壳8、分别设于容置壳8内的多个柔性电子皮肤单元10，多个容置壳8之间通过拼接部20进行连接，每个柔性电子皮肤单元包括基底30、电致变色压力显示单元40、摩擦电压力敏感单元50，电致变色压力显示单元40位于基底30上，摩擦电压力敏感单元50位于电致变色压力显示单元40上，触觉反馈响应系统6分别与电致变色压力显示单元40、摩擦电压力敏感单元50相连接，呈阵列分布能够大面积地应用在机器人上，同时呈阵列分布的多个柔性电子皮肤单元10之间是连接在一起的，能够便于阵列式柔性电子皮肤的移动调整，便于应用在机器人的不同位置，检测范围大，还能够快捷地贴合在机器人表面上，同时还能够确保柔性电子皮肤单元10的工作稳定性和使用寿命。

在本实施例中，拼接部20与多个容置壳8加热固化粘接。

进一步地，加热固化的加热温度为65℃，能够使得拼接部20与容置壳8粘接稳固，且粘接迅速，提高粘接质量和粘接效率。

为了进一步提高拼接部20与容置壳8粘接的稳固性，本发明优选拼接部20的材质与容置壳8的材质相同。具体地，容置壳8的材质和拼接部20的材质均为PDMS。

在一实施例中，容置壳8包括上端开口的容置壳体801、将容置壳体801封闭住的封口部802。制作时，先通过PDMS形成上端开口的容置壳体801，当柔性电子皮肤单元10放置到容置壳体801内后，用PDMS封住容置壳体801的开口，再通过65℃加热固化，将容置壳体801封闭住，使得柔性电子皮肤单元10被完全包裹住。

为了形成阵列化的分布，同时便于与机器人表面相适配，本发明优选容置壳8的底面积为1.5cm×1.0cm。

基底30的材料为涤纶树脂(PET)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)，保证基底10的柔性。

请参阅图1，电致变色压力显示单元40包括依次层叠的电致变色下电极层401、电致变色层402、电致变色电解质层403和电致变色上电极层404，电致变色下电极层401位于基底10上。

在本实施例中，电致变色层402包括聚噻吩、聚苯胺、三氧化钨、五氧化二钒、三氧化钼中的一种或多种。

在本实施例中，电致变色下电极层401包括铜箔、铜片、铝箔、氧化铟锡、金膜、银膜、铝膜、导电石墨烯、碳纳米管、金属纳米线、导电银浆、导电水凝胶中的一种或多种；电致变色上电极层404包括铜箔、铜片、铝箔、氧化铟锡、金膜、银膜、铝膜、导电石墨烯、碳纳米管、金属纳米线、导电银浆、导电水凝胶中的一种或多种。

请参阅图1，摩擦电压力敏感单元50包括摩擦电电极层501、设于摩擦电电极层501上的摩擦电敏感层502，摩擦电电极层501位于电致变色上电极层404上。

摩擦电电极层501包括铜箔、铜片、铝箔、氧化铟锡、金膜、银膜、铝膜、导电石墨烯、碳纳米管、金属纳米线、导电银浆、导电水凝胶中的一种或多种。摩擦电敏感层502包括全氟乙烯丙烯共聚物、硅胶、尼龙、布料、聚胺酯、聚丙烯酸酯、聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。

如图3所示，触觉反馈响应系统6包括信号采集过滤电路601、与信号采集过滤电路601相连接的单片机602、与单片机602相连接的电脑603、输出电路604，信号采集过滤电路601与摩擦电压力敏感单元50相连接，输出电路604与电致变色压力显示单元40相连接，当摩擦电压力敏感单元50受到外力作用时，摩擦电压力敏感单元50产生电信号并传输电信号给信号采集过滤电路601，信号采集过滤电路601过滤信号并传递给单片机602，单片机602处理得到压力信息并将该压力信息传递给电脑603，电脑603分析处理该压力信息并传递给单片机602，单片机602控制输出电路604导通，为电致变色压力显示单片40供电使得电致变色压力显示单元40工作进行不同颜色的变化，通过阵列式柔性电子皮肤颜色的变化来判断压力的大小，完成压力实时检测及可视化显示功能。该触觉反馈响应系统6的成本低廉，而且信号处理及时且准确，降噪能力强，适用性强，灵活轻便，可便携式适用，对电源的依赖性低，且能耗较低，延长使用时间，能够实时可视化显示压力相关信息。具体地，信号采集过滤电路601的输入端与摩擦电电极层501相连接，输出电路604的输出端分别与电致变色下电极层401、电致变色上电极层404相连接。

如图4所示，信号采集过滤电路601包括多个LM358AN芯片，信号采集过滤电路601与单片机602的模拟值输入端口相连接。单片机602为Arduino MEGA2560单片机，单片机602通过USB端口与电脑603互连。如图5所示，控制电路604包括CD4013模块，控制电路604的继电器端口与单片机602上的数字输出端口相连接，其中控制电路604的COM1和NO1、COM2和NO2、COM3和NO3、COM4和NO4、COM5和NO5作为继电器端口，电致变色下电极层401、电致变色上电极层404分别与输出电路604中的ECD+端口和ECD-端口相连接。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。