应用于机器人碰撞检测的大面积电子皮肤感知系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种应用于机器人碰撞检测的大面积电子皮肤感知系统及方法，其特征在于，包括可贴合的柔性触觉传感阵列和数据采集与处理装置，柔性触觉传感阵列包括一对柔性基底、封装于两柔性基底之间的压力敏感层以及柔性基底之外的器件保护层；柔性基底上设有若干等间距平行设置的电极，且两柔性基底上的电极正交设置构成阵列；压力敏感层通过电极与数据采集与处理装置连接。本发明专利技术实现实时的接触式触觉感知，从而在人机交互、多机协作的实际应用场景中实现低成本的机器人碰撞检测，保障机器人运行安全。器人运行安全。器人运行安全。

【技术实现步骤摘要】
应用于机器人碰撞检测的大面积电子皮肤感知系统及方法


[0001]本专利技术具体涉及一种应用于机器人碰撞检测的大面积电子皮肤感知系统及方法。

技术介绍

[0002]智能机器人技术是当今发展最引人注目的高新技术之一，其基于计算机视觉、自然语言处理、深度学习等技术将多种传感器得到的信息进行融合，能够有效的适应变化的环境，具有很强的自适应、学习和自我决策能力。智能机器人已经逐步走入我们的日常生活，在工业、医疗、服务、物流等领域有着广泛的应用前景，用以代替人类执行各种任务，此时机器人的安全性能就显得至关重要，而机器人碰撞检测能力直接决定了机器人的安全性能。
[0003]现有技术中，机器人碰撞检测普遍采用的有两种方式，一种是接触式，另一种是非接触式。接触式主要分为基于电流环、关节力矩传感器和电子皮肤的碰撞检测，非接触式主要分为基于视觉、红外和超声波传感器的碰撞检测。非接触式碰撞检测的上述方法，成本高昂，容易受到环境因素的干扰，且难以做到全方位覆盖，导致碰撞检测效果较差。接触式碰撞检测中，基于电流环的碰撞检测是在机器人动力学模型的基础上，结合电流环力矩反馈信息感知外力，并判断是否发生碰撞的，但机器人动力学模型难以精确辨识，导致该方法灵敏度和可靠性不高；基于关节力矩传感器的碰撞检测是直接根据关节力矩传感器的反馈信息感知外力，并判断是否发生碰撞的，但力矩传感器成本高，难以大批量使用；基于电子皮肤的碰撞检测是根据机器人表面电子皮肤中的压力传感器检测信息感知外力，并判断是否发生碰撞的，但目前仅基于单一单元的电子皮肤传感器，空间分辨率低，导致该方法检测精度不高。
[0004]电子皮肤因其柔性、易于贴合不规则表面，而在智能机器人领域显示出广阔的应用前景，其能够检测传感器与环境直接接触时的外部环境参数，从而反应外部环境的状况，进而实现显示、传输和控制。在机器人碰撞检测应用中，电子皮肤能够顺应地贴附并覆盖机器人表面，实现全方位覆盖，并显示碰撞发生的区域。因此亟需一种低成本、高空间分辨率的大面积电子皮肤系统以实现全方位的机器人碰撞检测，保障机器人安全运行。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种应用于机器人碰撞检测的大面积电子皮肤感知系统及方法，实现实时的接触式触觉感知，从而在人机交互、多机协作的实际应用场景中实现低成本的机器人碰撞检测，保障机器人运行安全。
[0006]本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
[0007]一种应用于机器人碰撞检测的大面积电子皮肤感知系统，其特征在于，包括可贴合的柔性触觉传感阵列和数据采集与处理装置，
[0008]柔性触觉传感阵列包括一对柔性基底、封装于两柔性基底之间的压力敏感层以及
柔性基底之外的器件保护层；柔性基底上设有若干等间距平行设置的电极，且两柔性基底上的电极正交设置构成阵列；柔性基底非电极面设有位于电极正交点上方的凸点阵列；压力敏感层与数据采集与处理装置连接。
[0009]按照上述技术方案，柔性基底为聚酰亚胺薄膜材质的柔性电路板；电极为PI
‑
Ag材质的导电复合物；压力敏感层为渗碳聚烯烃材质；器件保护层为PU薄膜；凸点阵列包括锡点、硅胶或UV胶。
[0010]按照上述技术方案，作为器件保护层的PU薄膜厚度为0.5～2mm，电极的宽度为1
‑
5mm，相邻平行的电极间隔为6
‑
15mm；凸点的直径为1
‑
3mm，高度为0.3
‑
0.8mm。
[0011]按照上述技术方案，柔性基底及压力敏感层通过低表面能双面胶上下贴合，并通过冷压工艺与器件保护层进行柔性封装。
[0012]柔性触觉传感阵列和数据采集与处理装置通过定制图案化的柔性基底上的外部延伸柔性连接薄膜连接。
[0013]按照上述技术方案，PI
‑
Ag导电复合物的制备方法为：取银粉放入无水乙醇中浸泡、超声处理，并将其放入烘箱中干燥，得到可用银粉；取PI溶液溶解于DMF中并充分搅拌，得到PI稀释液；将可用银粉加入PI稀释液中，并搅拌使银粉充分分散于混合溶液中；放入烘箱中加热混合溶液使DMF蒸干，得到导电预聚物；将导电预聚物放入研钵中充分研磨，得到所述的PI
‑
Ag导电复合物。
[0014]按照上述技术方案，PI稀释液中，PI溶液与DMF的质量比为1：0.5
‑
1；所述的混合溶液中PI的质量为Ag的1/3
‑
1/2。
[0015]按照上述技术方案，数据采集与处理装置包括电源管理模块、阵列索引模块、数模转换模块、MCU模块、状态输出模块以及数据传输单元，MCU模块分别与电源管理模块、阵列索引模块、状态输出模块以及数据传输单元连接，阵列索引模块通过数模转换模块分别与MCU模块和状态输送出模块连接；状态输送出模块用于与机器人连接，数据传输单元用于与计算机终端连接，阵列索引模块与电子皮肤的柔性触觉传感阵列连接。
[0016]按照上述技术方案，数据采集与处理装置采用基于接地的电路架构实现电势屏蔽，进而采集柔性柔性触觉传感阵列的各传感单元信号，减少信号串扰；
[0017]其中，电源管理模块为数据采集与处理装置和柔性触觉传感阵列供电；阵列索引模块包括m:1模拟开关以及n路双向集成开关，实现对所述柔性触觉传感阵列信号的有序采集；
[0018]数据采集与处理装置通过阵列索引模块进行配置，最大可达32
×
32；数据采集与处理装置的采样频率与柔性触觉传感阵列的刷新频率和碰撞检测的响应时间有关，其对于单传感单元的采样频率可达20000Hz。
[0019]按照上述技术方案，柔性触觉传感阵列的制备方法包括如下步骤：
[0020]S1，制备具有定制图案化电极的柔性基底：在柔性基底上粘贴切割好图案的掩模版，将导电复合物涂抹在掩模版上后揭掉掩模版，将其整体放入烘箱加热固化，得到集成电极的柔性基底；
[0021]S2，取具有横向电极的柔性基底为上基底，通过打印或印刷方式在其非电极面的电极正交点上方集成固化凸点阵列；
[0022]S3，将一对柔性基底及压力敏感层按照特定顺序通过低表面能双面胶上下贴合，
并通过冷压工艺与器件保护层进行柔性封装，得到柔性柔性触觉传感阵列。
[0023]一种采用以上所述的应用于机器人碰撞检测的大面积电子皮肤感知系统的碰撞检测方法，包括以下步骤：
[0024]步骤1，建立应用于机器人碰撞检测的大面积电子皮肤感知系统；
[0025]步骤2，机器人正常工作时，覆盖在机器人各轴表面的电子皮肤传感阵列实时感应机器人周边环境，数据采集与处理装置实时将各电子皮肤的触觉感知信号进行模数转换并计算输出系统当前状态，控制机器人运动；
[0026]步骤3，大面积电子皮肤感知系统实时判断该机器人是否发生碰撞；
[0027]步骤4，将柔性触觉传感阵列信号数据实时传输到计算机终端；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于机器人碰撞检测的大面积电子皮肤感知系统，其特征在于，包括可贴合的柔性触觉传感阵列和数据采集与处理装置，柔性触觉传感阵列包括一对柔性基底、封装于两柔性基底之间的压力敏感层以及柔性基底之外的器件保护层；柔性基底上设有若干等间距平行设置的电极，且两柔性基底上的电极正交设置构成阵列；压力敏感层与数据采集与处理装置连接。2.根据权利要求1所述的应用于机器人碰撞检测的大面积电子皮肤感知系统，其特征在于，柔性基底为聚酰亚胺薄膜材质的柔性电路板；电极为PI
‑
Ag材质的导电复合物；压力敏感层为渗碳聚烯烃材质；器件保护层为PU薄膜。3.根据权利要求1所述的应用于机器人碰撞检测的大面积电子皮肤感知系统，其特征在于，柔性基底非电极面设有位于电极正交点上方的凸点阵列，凸点阵列包括锡点、硅胶或UV胶。4.根据权利要求1所述的应用于机器人碰撞检测的大面积电子皮肤感知系统，其特征在于，柔性基底及压力敏感层通过低表面能双面胶上下贴合，并通过冷压工艺与器件保护层进行柔性封装；柔性触觉传感阵列和数据采集与处理装置通过定制图案化的柔性基底上的外部延伸柔性连接薄膜连接。5.根据权利要求2所述的应用于机器人碰撞检测的大面积电子皮肤感知系统，其特征在于，PI
‑
Ag导电复合物的制备方法为：取银粉放入无水乙醇中浸泡、超声处理，并将其放入烘箱中干燥，得到可用银粉；取PI溶液溶解于DMF中并充分搅拌，得到PI稀释液；将可用银粉加入PI稀释液中，并搅拌使银粉充分分散于混合溶液中；放入烘箱中加热混合溶液使DMF蒸干，得到导电预聚物；将导电预聚物放入研钵中充分研磨，得到所述的PI
‑
Ag导电复合物。6.根据权利要求5所述的应用于机器人碰撞检测的大面积电子皮肤感知系统，其特征在于，PI稀释液中，PI溶液与DMF的质量比为1：0.5
‑
1；所述的混合溶液中PI的质量为Ag的1/3
‑
1/2。7.根据权利要求1所述的应用于机器人碰撞检测的大面积电子皮肤感知系统，其特征在于，数据采集与处理装置包括电源管理模块、阵列索引模块、数模转换模块、MCU模块、状态输出模块以及数据传输单元，MCU模块分别与电源管理模块、阵列索引模块、状态输出模块以及数据传输单元连接，阵列索引模块通过数模转换模块分别与MCU模块和状态输送出模块连接；状态输送出模块用于与机器人连接，数据传输单元用于与计算机终端连接，阵列索引模块与电子皮肤的柔性触觉传感阵列连接。8.根据权利要求1所述的应用于机器人碰撞检测的大面积电子皮肤感知系统，其特征在于，数据采集与处理装置采用基于接地的...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴豪，韩成，毛江艳，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：