本發(fā)明涉及一種機(jī)器人皮膚，可用于機(jī)器人人機(jī)交互等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

機(jī)器人不僅在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在服務(wù)領(lǐng)域也逐漸得到應(yīng)用。人們認(rèn)為，機(jī)器人的下一階段發(fā)展方向是人機(jī)共融，和諧相處。要實現(xiàn)人機(jī)共融，必須解決機(jī)器人的安全性問題，一個重要的要求就是機(jī)器人需具備一定的環(huán)境感知能力，如視覺、觸覺等。當(dāng)前機(jī)器視覺的研究已經(jīng)較為深入，但是機(jī)器人觸覺的研究還較少，亟需較為經(jīng)濟(jì)實用的機(jī)器人皮膚以適應(yīng)人機(jī)共融時代的來臨。

當(dāng)前一般的技術(shù)僅提供普通的防止機(jī)器人碰撞的方案，比如文獻(xiàn)cn201310365565中提到的采用機(jī)器人關(guān)節(jié)力矩來識別是否發(fā)生碰撞；文獻(xiàn)cn201310365565提到的在機(jī)器人本體上裹附粘彈性緩沖層并貼附一個或多個觸覺傳感器來實現(xiàn)防碰撞的功能。這些方案的典型不足是無法識別碰撞的具體位置。文獻(xiàn)cn201610029884提出了通過液壓測得各部分所受壓力，但是文中所用傳感器由金屬基座和充滿液壓油的腔體組成，使得機(jī)器人的負(fù)載增加，而且無法感知拉力。另外一種技術(shù)路線是文獻(xiàn)《電子皮膚技術(shù)及其專利分析》所描述的基于it技術(shù)和復(fù)合材料的電子皮膚，能感知壓力和剪切力。但是這種技術(shù)成本較高，且容易損壞，很難在工業(yè)界得到應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)可靠的可穿戴機(jī)器人皮膚，使機(jī)器人也能感知觸覺，具有廣泛的應(yīng)用前景。

為此，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種基于多層氣囊的可穿戴機(jī)器人皮膚，包括表皮層、用于與機(jī)器人本體緊貼的安裝層、以及介于表皮層與安裝層之間并被包裹在內(nèi)的若干層氣囊，安裝層和表皮層均由柔性材料制成，每個氣囊均配備有單向閥用于充入氣體，在每個氣囊內(nèi)設(shè)置有柔性支撐架用于安裝固定壓力傳感器和溫度傳感器，在柔性支撐架內(nèi)部放置連接線將氣囊內(nèi)部的壓力傳感器、溫度傳感器與機(jī)器人皮膚外部的數(shù)據(jù)采集設(shè)備相連，數(shù)據(jù)采集設(shè)備的i/o通道與每個氣囊一一對應(yīng)。

作為上述方案的優(yōu)選，相鄰層的所述氣囊錯開排列、均勻分布、互相接觸壓緊在安裝層與表皮層之間。每層氣囊錯開排列可以盡可能的填補(bǔ)氣囊間的空隙，使氣囊分布更均勻，以提高測量的準(zhǔn)確性。

進(jìn)一步，所述柔性支撐架一端與氣囊內(nèi)壁相連，一端與壓力傳感器和溫度傳感器相連，使壓力傳感器和溫度傳感器懸置于氣囊中；壓力傳感器和溫度傳感器通過柔性支撐懸置于氣囊中，如果傳感器直接貼在氣囊內(nèi)壁上，氣囊受力變形時，不僅會使傳感器測量產(chǎn)生干擾，還可能損壞傳感器。

本發(fā)明的有益效果：基于多層氣囊的可穿戴機(jī)器人皮膚，具有一定的柔性，可以安裝在任意外形的機(jī)器人本體上；通過各個獨(dú)立氣囊配備的溫度和壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集設(shè)備相連，可以準(zhǔn)確的確定機(jī)器人皮膚與外界的接觸位置，為機(jī)器人做出下一步?jīng)Q策提供信息；表皮層可以根據(jù)需要選用不同的材料，在傳遞接觸力的同時也保護(hù)了傳感器件；具有自重小、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等特點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)狀態(tài)圖。

圖2為圖1中氣囊的橫截面圖。

圖3為氣囊部分的局部放大圖。

具體實施方式

下面通過實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

結(jié)合圖1—圖3所示，一種基于多層氣囊的可穿戴機(jī)器人皮膚，主要由安裝層1、表皮層2、氣囊3、單向閥4、柔性支撐架5、壓力傳感器6、溫度傳感器7、連接線8、數(shù)據(jù)采集設(shè)備9組成。

安裝層1用于與機(jī)器人本體緊貼，若干層狀布置的氣囊3介于表皮層2與安裝層1之間，并被表皮層2與安裝層1包裹在內(nèi)。

安裝層1和表皮層2均由柔性材料制成，每個氣囊3均配備有單向閥4，通過單向閥4向氣囊3內(nèi)充入氣體。在每個氣囊3內(nèi)均設(shè)置有柔性支撐架5用于安裝固定壓力傳感器6和溫度傳感器7。壓力傳感器6最好采用應(yīng)變式壓力傳感器。在柔性支撐架5內(nèi)部放置連接線8將氣囊3內(nèi)部的壓力傳感器6、溫度傳感器7與機(jī)器人皮膚外部的數(shù)據(jù)采集設(shè)備9相連。氣囊可通過單向閥4預(yù)充氣，根據(jù)需求不同可以充入不同壓力的空氣，使得氣囊內(nèi)部具有適當(dāng)?shù)膲毫?，從而調(diào)整機(jī)器人皮膚的剛度，以適應(yīng)不同應(yīng)用環(huán)境。柔性支撐架5可采用空心柱體，與壓力傳感器6、溫度傳感器7和氣囊3相連處密閉，防止氣體泄漏。

氣囊3的內(nèi)部壓力可通過壓力傳感器6獲得，氣囊3的內(nèi)部溫度可通過溫度傳感器7獲得。氣囊3內(nèi)壓力傳感器6、溫度傳感器7與末端數(shù)據(jù)采集設(shè)備9之間的連接線8在氣囊內(nèi)的部分放置于柔性支撐架5內(nèi)，在氣囊外的部分放置于氣囊間的縫隙處，并通過氣囊3間的間隙引出。傳感器7測得的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備9進(jìn)行讀取、分析。此外，根據(jù)一個區(qū)域內(nèi)所有氣囊3中壓力傳感器6測出的力，可以進(jìn)一步分析出該區(qū)域所受力的形式(拉力、壓力和剪切力)，而且還可以診斷出該區(qū)域內(nèi)損壞的氣囊3，多層氣囊的結(jié)構(gòu)還可以使得在部分氣囊失效的情況下機(jī)器人繼續(xù)正常工作。氣囊中溫度傳感器7的作用是在外界溫度發(fā)生變化引起氣囊3內(nèi)氣壓變化時，測出溫度對壓力傳感器6測出的壓力進(jìn)行補(bǔ)償、校正，使得測量的壓力更準(zhǔn)確，使得機(jī)器人皮膚具有了觸覺功能，可以更好地進(jìn)行交互。數(shù)據(jù)采集設(shè)備9的i/o通道與每個氣囊3一一對應(yīng)，就可以識別出受力的具體位置。

最好是，相鄰層的氣囊3錯開排列、均勻分布、互相接觸壓緊在安裝層1與表皮層2之間。

另外，柔性支撐架5一端與氣囊3內(nèi)壁相連，一端與壓力傳感器6和溫度傳感器7相連，使壓力傳感器6和溫度傳感器7懸置于氣囊3中。

本發(fā)明在使用時將機(jī)器人(如機(jī)械手臂)包裹在內(nèi)，安裝層與機(jī)器人本體表面貼合。工作時，當(dāng)外部力作用于表皮層上時，表皮層相應(yīng)部位下方氣囊會產(chǎn)生變形，根據(jù)帕斯卡定理，氣囊內(nèi)氣壓會發(fā)生變化，氣壓變化會導(dǎo)致壓力傳感器中電阻變化，為壓力傳感器提供恒電流時，其兩端電壓會發(fā)生變化，這個電壓在數(shù)據(jù)采集設(shè)備測出，即可得知表皮層受到了外力的作用，根據(jù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備i/o通道與壓力傳感器的一一對應(yīng)，可以知道受力的具體位置，為機(jī)器人做出下一步?jīng)Q策提供信息。另外，根據(jù)溫度傳感器測出的氣囊內(nèi)溫度，可以通過計算對所得壓力進(jìn)行補(bǔ)償校正。

如果工作時出現(xiàn)一個或幾個氣囊沒有檢測出壓力，而它們周圍的氣囊檢測出了壓力，我們就可以判斷這個或這些氣囊出現(xiàn)了故障，即具有故障自診斷功能。

綜上所述，本發(fā)明的可穿戴機(jī)器人皮膚具有可變剛度，可感知拉力、壓力、剪切力和溫度，重量輕，可靠性好，具有自診斷功能等優(yōu)點(diǎn)，使其可以很好的適用于未來的共融機(jī)器人，而且其制備工藝成熟，集成方便，制造成本低的特點(diǎn)可以在工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行廣泛應(yīng)用。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不以此作為本發(fā)明為限制，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于多層氣囊的可穿戴機(jī)器人皮膚，包括表皮層、用于與機(jī)器人本體緊貼的安裝層、以及介于表皮層與安裝層之間并被包裹在內(nèi)的若干層氣囊，安裝層和表皮層均由柔性材料制成，每個氣囊均配備有單向閥用于充入氣體，在每個氣囊內(nèi)設(shè)置有柔性支撐架用于安裝固定壓力傳感器和溫度傳感器，在柔性支撐架內(nèi)部放置連接線將氣囊內(nèi)部的壓力傳感器、溫度傳感器與機(jī)器人皮膚外部的數(shù)據(jù)采集設(shè)備相連，數(shù)據(jù)采集設(shè)備的I/O通道與每個氣囊一一對應(yīng)。結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)可靠，使機(jī)器人也能感知觸覺，具有廣泛的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：皮陽軍;保志遠(yuǎn);劉天華;陳江
受保護(hù)的技術(shù)使用者：重慶大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.01.24
技術(shù)公布日：2017.08.18