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CN107329436A - 柔性触觉传感器以及机器人处理系统 - Google Patents

柔性触觉传感器以及机器人处理系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性触觉传感器，包括：相对设置的柔性基底和PET薄膜，所述柔性基底是绝缘的，所述柔性基底在其面对所述PET薄膜的一侧设置有金属电极，所述柔性基底与所述PET薄膜之间设置有垫片，传感器的柔性基底一侧贴附在机器人需要有触觉反馈的表面，该传感器具有柔性，适合贴附于平面或非平面表面，所述传感器在不受外力时，由于所述垫片的作用，所述PET薄膜与所述金属电极之间存在一定间隙；外界物体触碰所述PET薄膜使所述传感器受到外力时，所述PET薄膜发生形变，与所述金属电极发生接触，从而有电信号产生。现有技术相比，本发明在外力作用下，不需要外界再提供电源和信号转化电路，它自身可以直接产生电信号，输出给系统。它可以按大表面积进行制作，可方便地大面积覆盖机器人表面。并且对其可以进行产业化大批量的生产，降低了成本。

Description

柔性触觉传感器以及机器人处理系统
技术领域
本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种柔性触觉传感器以及机器人处理系统。
背景技术
柔性触觉传感器作为机器人智能皮肤的一种，可实现环境中各种接触力的检测感知，是机器人直接感知环境作用的必要媒介。这种触觉感知传感器要像人的皮肤一样具有柔韧性，可以经过任意弯曲变形，覆盖在机器人本体表面，并且其厚度要控制在一个理想的范围内，同时它还应该具有系统反馈功能，能够将触觉信息实时反馈给控制中心，实现机器人智能控制响应。
目前，由于机器人的广泛使用，应用于机器人智能皮肤的柔性触觉传感器得到了广泛的关注，基于不同原理和不同柔性材料，设计和制作了各种不同种类的柔性传感器。柔性触觉传感器原理一般采用压阻式、电容式等。柔性触觉传感器的柔性材料一般采用聚合物，如PET、硅胶、PDMS等。
目前，应用于机器人智能皮肤的柔性触觉传感器主要有压阻式、电容式等。压阻式柔性触觉传感器的工作原理是在外力的作用下，电阻发生变化，通过外部电源供电并通过转换电路将电阻的变化转化为电信号，再将电信号反馈给系统。电容式柔性触觉传感器的工作原理是在外力的作用下，电容发生变化，通过外部电源供电并通过转换电路将电容的变化转化为电信号，再将电信号反馈给系统。
压阻式柔性触觉传感器和电容式柔性触觉传感器工作时都需要外部电源的供电和外部转化电路进行电信号输出，这提高了系统的复杂性。另外它们的制作工艺也相对复杂，加工成本较高，在批量化生产和大规模商业化应用方面有一定的局限性。并且它们的加工一般使用光刻设备，由于受光刻设备的最大曝光面积的限制，加工出的传感阵列能覆盖机器人表面的面积有限。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种柔性触觉传感器以及机器人处理系统，在外力作用下可以直接产生电信号。
本发明的具体技术方案是：一种柔性触觉传感器，包括：相对设置的柔性基底和PET薄膜，所述柔性基底是绝缘的，所述柔性基底在其面对所述PET薄膜的一侧设置有金属电极，所述柔性基底与所述PET薄膜之间设置有垫片，传感器的柔性基底一侧贴附在机器人需要有触觉反馈的表面，该传感器具有柔性，适合贴附于平面或非平面表面，所述传感器在不受外力时，由于所述垫片的作用，所述PET薄膜与所述金属电极之间存在一定间隙；外界物体触碰所述PET薄膜使所述传感器受到外力时，所述PET薄膜发生形变，与所述金属电极发生接触，从而有电信号产生。
优选地，所述PET薄膜在面向所述柔性基底的一侧设置有微结构，所述微结构由卷对卷纳米压印技术制作而成。
优选地，所述金属电极的数量为多个，各个金属电极均连接有用于输出信号的导线。
优选地，所述柔性基底和所述PET薄膜呈片状，所述垫片和所述金属电极为多个，多个所述垫片沿第一轴线方向延伸，且多个所述垫片沿第二轴线方向间隔排列，多个所述金属电极形成有位于两个垫片之间的单元，每一个单元中的金属电极沿第一轴线方向间隔排列。
优选地，所述垫片由泡沫或其它柔性材料制成。
本申请公开了一种机器人处理系统，包括：如上述的柔性触觉传感器、与所述柔性触觉传感器电性连接的信号处理模块、与所述信号处理模块电性连接的控制系统，所述控制系统用于根据所述信号处理模块对机器人进行控制。
优选地，所述信号处理模块用于根据所述PET薄膜与所述金属电极接触生成的电信号，判断作用于所述柔性触觉传感器的作用力值。
优选地，所述信号处理模块用于根据所述PET薄膜与所述金属电极接触生成的电信号，判断作用于所述柔性触觉传感器的作用力的位置。
优选地，所述信号处理模块包括微处理器和外围电路，当外力作用在贴附该柔性传感器的机器人表面上时，传感器发出电信号，信号处理模块接收电信号并进行处理，然后向机器人控制系统发出信号，机器人控制系统根据信号控制机器人进行相应动作。
与现有技术相比，本发明在外力作用下，不需要外界再提供电源和信号转化电路，它自身可以直接产生电信号，输出给系统。由于带微结构的PET薄膜可以采用卷对卷纳米压印工艺，它可以按大表面积进行制作，可方便地大面积覆盖机器人表面。并且对其可以进行产业化大批量的生产，降低了成本。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。
图1为本申请实施例中的柔性触觉传感器的爆炸结构示意图；
图2为本申请实施例中的柔性触觉传感器的主视图；
图3为PET薄膜的结构示意图；
图4为该柔性触觉传感器在一个动作过程中的工作原理示意图；
图5为采用柔性触觉传感器的机器人处理系统的原理示意图。
以上附图的附图标记：1、柔性基底；2、金属电极；3、垫片；4、PET薄膜；5、引线；6、微结构；7、电阻；8、柔性触觉传感器；9、信号处理模块；91、MCU；92、外围电路；10、控制系统。
具体实施方式
结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。
本申请公开了一种柔性触觉传感器8，包括相对设置的柔性基底1和PET薄膜4，所述柔性基底1是绝缘的，所述柔性基底1在其面对所述PET薄膜4的一侧设置有金属电极2，所述柔性基底1与所述PET薄膜4之间设置有垫片3，传感器的柔性基底一侧贴附在机器人需要有触觉反馈的表面，由于该传感器具有柔性，适合贴附于平面或非平面表面。所述传感器8在不受外力时，由于所述垫片3的作用，PET薄膜4与金属电极2之间存在一定间隙；外界物体触碰所述PET薄膜使传感器8受到外力时，所述PET薄膜4发生形变，与金属电极2发生接触，从而有电信号产生。
具体的，参照图1和图2所示，所述柔性基底1具有相背对的上侧面和下侧面。所述柔性基底1可以由具有良好的柔韧性绝缘材料制成，如PET等。
所述金属电极2可以贴覆在所述柔性基底1的上侧面上。由于铜和PET薄膜的摩擦生电效果较佳，所述金属电极2可以由很薄的铜箔制成。在实际中还可以使用其它摩擦生电效果好的材料。特别的，每个金属电极2还连接有导线，从而将产生的电信号输出。当然的，金属电极2的个数、形状和在柔性基底1上的分布位置可以根据实际进行设计。所述垫片3也设置在所述柔性基底1的上侧面。所述PET薄膜4贴附在所述垫片3上。垫片3可以在该柔性触觉传感器8未发生形变或发生一定形变的情况下使所述PET薄膜4和所述金属电极2之间具有一定间隔。当然的，垫片3的厚度和在柔性基底1上的分布可根据实际情况进行设计。
当该柔性触觉传感器8受到外力时，所述PET薄膜4产生形变，可以和所述金属电极2接触，由于摩擦生电和静电感应相耦合产生电信号。
为了增大摩擦生电的效果，在所述PET薄膜4与金属电极2相对的表面上设计有微结构6阵列，如图3所示，本微结构6阵列为正方形凸起阵列，尺寸为1mm*1mm，间隔长度为1mm，高度为25μm。当然的，实际中的微结构6阵列可根据实际情况进行设计。微结构6能够大大提高柔性摩擦电式柔性触觉传感器8的输出电压这是由于：第一，微结构6增加了两种摩擦材料的接触面积，进而增强了摩擦生电效应；第二，微结构6和平面结构相比，尖端放电效应更加明显，更容易产生摩擦电荷。本申请中的微结构6使用卷对卷纳米压印技术制作，可以进行大面积和大批量的制作，因此克服了传统光刻工艺带来的加工面积小和生产效率低的缺点。
优选地，所述柔性基底1和所述PET薄膜4呈片状，所述垫片3和所述金属电极2为多个，多个所述垫片3沿第一轴线方向延伸，且多个所述垫片3沿第二轴线方向间隔排列，多个所述金属电极2形成有位于两个垫片3之间的单元，每一个单元中的金属电极2沿第一轴线方向间隔排列。具体的垫片与金属电极在柔性基底上的分布不限于图中所给形式，只要每个金属电极间有一定间隔，垫片能够使PET薄膜和金属电极之间存在一定间隙即可。该传感器全部由柔性材料制成，并且为片状，厚度胶薄，所以具有良好的柔性，适合贴附于平面或非平面的表面。
本申请中的柔性触觉传感器8的工作原理大体如下：金属电极2和PET薄膜4作为摩擦材料，PET材料得电子能力强，而铜易失电子。在传感器8不受力时，由于垫片3的存在，金属电极2和PET薄膜4具有一定的空隙。当外界压力施加在柔性触觉传感器8上时，PET薄膜4与下面的金属电极2相互接触，由于摩擦生电效应，发生电荷转移，使得金属电极2的内表面带正电，而PET薄膜4的内表面带负电；当释放形变力的时候，两个带相反电荷的表面自动分开，带相反电荷的摩擦材料之间会形成电场，金属电极2的内表面带正电荷，由于该金属电极2接地，所以电子会从接地端流到带正电荷的一端，从而产生电流，在这个过程中产生的电流将持续，直到两个金属电极2之间距离达到最大且不再改变时，两金属电极2之间的电势达到静电平衡状态，外电路电流归零；随后当两个材料再次受外力作用向对方压缩时，带正电荷的一端的电子将沿原路流回，从而产生另一个方向相反的电流脉冲，直至两种材料重新接触，电流归零。当这种周期性的机械形变持续时，交变电流信号将会持续产生。
由于产生电信号的电压幅值的大小与受外力的大小有关，外力越大使得摩擦材料接触的面积也越大，分离出的电荷数也越多，从而外力越大产生的电信号电压幅值也越大，这样通过测量产生的电信号的电压幅值大小，在一定范围内可以反映外力的大小。每个金属电极2有一个单独的引线5，这样有外力作用时，就可以识别是哪一个金属电极2发出的电信号，识别出受到外力的具体位置。
本申请还公开了一种机器人处理系统，包括：如上述的柔性触觉传感器8、与所述柔性触觉传感器8电性连接的信号处理模块9、与所述信号处理模块9电性连接的控制系统10，所述控制系统10用于根据所述信号处理模块9对机器人进行控制。柔性触觉传感器8的引线5接入信号处理模块9。
将柔性触觉传感器8的柔性基底1贴附在机器人表面，由于该传感器具有柔性，适合贴附于平面或非平面表面。外力作用于机器人表面，柔性触觉传感器8发出电信号，信号处理模块9通过分析该电信号可识别受力的具体位置和受力的大小，并将这些信息传递给机器人的控制系统10，机器人的控制系统10将根据这些信息作出相应的反应。
由前所述，所述信号处理模块9可以根据所述PET薄膜4与所述金属电极2接触生成的电信号，判断作用于所述柔性触觉传感器8的作用力值。所述控制系统10可以根据外力的大小来控制机器人进行动作。
所述信号处理模块9可以根据所述PET薄膜4与所述金属电极2接触生成的电信号，判断作用于所述柔性触觉传感器8作用力的的位置。所述控制系统10可以根据外力的位置来控制机器人进行动作。
优选地，所述信号处理模块9包括MCU91和外围电路92。微处理器通过接收传感器的电信号；然后微处理器将数据处理后传送给外围电路，由外围电路输送给控制系统。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种柔性触觉传感器，其特征在于，包括：相对设置的柔性基底和PET薄膜，所述柔性基底是绝缘的，所述柔性基底在其面对所述PET薄膜的一侧设置有金属电极，所述柔性基底与所述PET薄膜之间设置有垫片，传感器的柔性基底一侧贴附在机器人需要有触觉反馈的表面，该传感器具有柔性，适合贴附于平面或非平面表面，所述传感器在不受外力时，由于所述垫片的作用，所述PET薄膜与所述金属电极之间存在一定间隙；外界物体触碰所述PET薄膜使所述传感器受到外力时，所述PET薄膜发生形变，与所述金属电极发生接触，从而有电信号产生。
2.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述PET薄膜在面向所述柔性基底的一侧设置有微结构，所述微结构由卷对卷纳米压印技术制作而成。
3.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述金属电极的数量为多个，各个金属电极均连接有用于输出信号的导线。
4.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述柔性基底和所述PET薄膜呈片状，所述垫片和所述金属电极为多个，多个所述垫片沿第一轴线方向延伸，且多个所述垫片沿第二轴线方向间隔排列，多个所述金属电极形成有位于两个垫片之间的单元，每一个单元中的金属电极沿第一轴线方向间隔排列。
5.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述垫片由泡沫或其它柔性材料制成。
6.一种机器人处理系统，其特征在于，包括：如权利要求1至5任一项所述的柔性触觉传感器、与所述柔性触觉传感器电性连接的信号处理模块、与所述信号处理模块电性连接的控制系统，所述控制系统用于根据所述信号处理模块对机器人进行控制。
7.根据权利要求6所述的机器人处理系统，其特征在于，所述信号处理模块用于根据所述PET薄膜与所述金属电极接触生成的电信号，判断作用于所述柔性触觉传感器的作用力值，当外力作用在贴附该柔性传感器的机器人表面上时，传感器发出电信号，信号处理模块接收电信号并进行处理，然后向机器人控制系统发出信号，机器人控制系统根据信号控制机器人进行相应动作。。
8.根据权利要求7所述的机器人处理系统，其特征在于，所述信号处理模块用于根据所述PET薄膜与所述金属电极接触生成的电信号，判断作用于所述柔性触觉传感器的作用力的位置。
9.根据权利要求6所述的机器人处理系统，其特征在于，所述信号处理模块包括微处理器和外围电路。
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