CN217442737U - 一种柔性电子皮肤及机器人 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种柔性电子皮肤，用于无需外接电源，通过外力触摸即可使导电单元释放大量存储电荷，导通显示部件使其产生亮光，以显示出按压位置，使电子皮肤具有更好的感知交互。本申请实施例方法包括：由外至内依次设置的导电单元、感应单元以及复合膜，所述导电单元包括导电基板和电镀层，所述导电基板与所述电镀层组合形成导电电极，所述导电电极用于产生电信号；所述导电电极的第一侧面与所述复合膜的第二侧面均为导电表面；所述感应单元包括至少为一组的显示部件，所述显示部件的正负电极分别黏贴于所述导电电极与所述复合膜的导电表面的一端，用于显示被按压的位置。

Description

一种柔性电子皮肤及机器人

技术领域

本申请实施例涉及机器人技术领域，尤其涉及一种柔性电子皮肤及机器人。

背景技术

皮肤是构成人体触感的重要器官之一，为了赋予机器人类似的触感，电子皮肤应运而生。通过电子皮肤赋予机器人触觉后，机器人能够更加充分、精准地获取环境中的压力信号，从而实现多样的、有效的行动。

由于机器人在行动时，其表面覆盖的电子皮肤需要外接电源与周围的环境进行物理感知，当外接电源无法给电子皮肤提供所需电能时，会影响电子皮肤的感知交互。

实用新型内容

本申请实施例提供了一种柔性电子皮肤，用于无需外接电源，通过外力触摸即可使导电单元释放大量存储电荷，导通显示部件使其产生亮光，以显示出按压位置，使电子皮肤具有更好的感知交互。

本申请在第一方面提供了柔性电子皮肤，所述柔性电子皮肤包括由外至内依次设置的导电单元、感应单元以及复合膜：

所述导电单元包括导电基板和电镀层，所述导电基板与所述电镀层组合形成导电电极，所述导电电极用于产生电信号；

所述导电电极的第一侧面与所述复合膜的第二侧面均为导电表面；

所述感应单元包括至少为一组的显示部件，所述显示部件的正负电极分别黏贴于所述导电电极与所述复合膜的导电表面的一端，用于显示被按压的位置。

可选的，所述柔性电子皮肤还包括阳极；

所述导电电极的第一侧面设置为齿槽结构，所述电镀层为银纳米电镀层，所述阳极置于所述导电电极的齿槽结构的凹槽内，用于让所述银纳米电镀层中的银纳米粒子沉积于所述齿槽结构内。

可选的，所述导电单元与所述复合膜之间填充保护气体，用于隔绝氧气。

可选的，所述复合膜为具备多孔特征的复合膜。

可选的，所述导电基板的材质具备柔性透光性质。

可选的，所述显示部件为灯带组。

可选的，所述柔性电子皮肤还包括粘性胶层；

所述粘性胶层覆盖于所述复合膜的第三侧面，用于黏连机器人外表面。

可选的，所述柔性电子皮肤还包括放大检测电路；

所述放大检测电路包括放大器、第一电阻以及第二电阻；

所述放大检测电路的电源正负极分别外接于所述复合膜与所述导电电极的导电表面的另一端，用于检测所述电镀层存储的电荷大小并放大相应的电信号。

可选的，所述柔性电子皮肤还包括与所述放大检测电路连接的控制器；

所述控制器用于：

获取所述放大检测电路输出的电信号；

根据所述电信号确定被按压的位置。

本申请从第二方面提供了一种机器人，包括如前述第一方面的任一所述的柔性电子皮肤。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

在本申请提供的柔性电子皮肤包括了导电单元、感应单元以及复合膜，该导电单元包括了导电基板和电镀层，导电基板与电镀层组合形成的导电电极用于产生电信号，感应单元中显示部件的正负电极分别黏贴于导电电极与复合膜的导电表面的一端，用于显示被按压的位置。其中，导电电极的第一侧面可以模拟电容器，形成大量电荷积聚，让导电电极与复合膜之间产生的电势差加大，使得电子皮肤无需外接电源，只需通过外力触摸即可让导电单元释放大量存储电荷为显示部件提供电能，使其产生亮光，以显示出按压位置，使电子皮肤具有更好的感知交互。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的多足机器人的硬件结构示意图；

图2为本申请实施例提供的多足机器人的机械结构示意图；

图3为本申请实施例提供的柔性电子皮肤的一个实施例结构示意图；

图4为本申请实施例提供的放大检测电路的一个实施例结构示意图；

图5为本申请实施例提供的复合膜的制备流程示意图。

具体实施方式

在本申请实施例中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅用于说明各部件或组成部分之间的相对位置关系，并不特别限定各部件或组成部分的具体安装方位。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

此外，在本申请中所附图式所绘制的结构、比例、大小等，均仅用于配合说明书所揭示的内容，以供本领域技术人员了解与阅读，并非用于限定本申请可实施的限定条件，故不具有技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均仍应落在本申请所揭示的技术内容涵盖的范围内。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在后续的描述中，使用用于表示部件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本实用新型的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。

请参阅图1，图1为本实用新型其中一个实施方式的多足机器人100的硬件结构示意图。在图1所示的实施方式中，多足机器人100包括机械单元101、通讯单元102、传感单元103、接口单元104、存储单元105、控制模块110、电源111。多足机器人100的各种部件可以以任何方式连接，包括有线或无线连接等。本领域技术人员可以理解，图1中示出的多足机器人100的具体结构并不构成对多足机器人100的限定，多足机器人100可以包括比图示更多或更少的部件，某些部件也并不属于多足机器人100的必须构成，完全可以根据需要在不改变实用新型的本质的范围内而省略，或者组合某些部件。

下面结合图1对多足机器人100的各个部件进行具体的介绍：

机械单元101为多足机器人100的硬件。如图1所示，机械单元101可包括驱动板1011、电机1012、机械结构1013，如图2所示，机械结构1013可包括机身主体1014、可伸展的腿部1015、足部1016，在其他实施方式中，机械结构1013还可包括可伸展的机械臂(图未示)、可转动的头部结构1017、可摇动的尾巴结构1018、载物结构1019、鞍座结构1020、摄像头结构1021等。需要说明的是，机械单元101的各个部件模块可以为一个也可以为多个，可根据具体情况设置，比如腿部1015可为4个，每个腿部1015可配置3个电机1012，对应的电机1012为12个。

通讯单元102可用于信号的接收和发送，还可以通过与网络和其他设备通信，比如，接收遥控器或其他多足机器人100发送的按照特定步态以特定速度值向特定方向移动的指令信息后，传输给控制模块110处理。通讯单元102包括如WiFi模块、4G模块、5G模块、蓝牙模块、红外模块等。

传感单元103用于获取多足机器人100周围环境的信息数据以及监控多足机器人100内部各部件的参数数据，并发送给控制模块110。传感单元103包括多种传感器，如获取周围环境信息的传感器：激光雷达(用于远程物体检测、距离确定和/或速度值确定)、毫米波雷达(用于短程物体检测、距离确定和/或速度值确定)、摄像头、红外摄像头、全球导航卫星***(GNSS，Global Navigation Satellite System)等。如监控多足机器人100内部各部件的传感器：惯性测量单元(IMU，Inertial Measurement Unit)(用于测量速度值、加速度值和角速度值的值)，足底传感器(用于监测足底着力点位置、足底姿态、触地力大小和方向)、温度传感器(用于检测部件温度)。至于多足机器人100还可配置的载荷传感器、触摸传感器、电机角度传感器、扭矩传感器等其他传感器，在此不再赘述。

接口单元104可以用于接收来自外部装置的输入(例如，数据信息、电力等)并且将接收到的输入传输到多足机器人100内的一个或多个部件，或者可以用于向外部装置输出(例如，数据信息、电力等)。接口单元104可包括电源端口、数据端口(如USB端口)、存储卡端口、用于连接具有识别模块的装置的端口、音频输入/输出(I/O)端口、视频I/O端口等。

存储单元105用于存储软件程序以及各种数据。存储单元105可主要包括程序存储区和数据存储区，其中，程序存储区可存储操作***程序、运动控制程序、应用程序(比如文本编辑器)等；数据存储区可存储多足机器人100在使用中所生成的数据(比如传感单元103获取的各种传感数据，日志文件数据)等。此外，存储单元105可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如磁盘存储器、闪存器、或其他易失性固态存储器。

显示单元106用于显示由用户输入的信息或提供给用户的信息。显示单元106可包括显示面板1061，可以采用液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)、有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode,OLED)等形式来配置显示面板1061。

输入单元107可用于接收输入的数字或字符信息。具体地，输入单元107可包括触控面板1071以及其他输入设备1072。触控面板1071，也称为触摸屏，可收集用户的触摸操作(比如用户使用手掌、手指或适合的附件在触控面板1071上或在触控面板1071附近的操作)，并根据预先设定的程式驱动相应的连接装置。触控面板1071可包括触摸检测装置1073和触摸控制器1074两个部分。其中，触摸检测装置1073检测用户的触摸方位，并检测触摸操作带来的信号，将信号传送给触摸控制器1074；触摸控制器1074从触摸检测装置1073上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给控制模块110，并能接收控制模块110发来的命令并加以执行。除了触控面板1071，输入单元107还可以包括其他输入设备1072。具体地，其他输入设备1072可以包括但不限于遥控操作手柄等中的一种或多种，具体此处不做限定。

进一步的，触控面板1071可覆盖显示面板1061，当触控面板1071检测到在其上或附近的触摸操作后，传送给控制模块110以确定触摸事件的类型，随后控制模块110根据触摸事件的类型在显示面板1061上提供相应的视觉输出。虽然在图1中，触控面板1071与显示面板1061是作为两个独立的部件来分别实现输入和输出功能，但是在某些实施例中，可以将触控面板1071与显示面板1061集成而实现输入和输出功能，具体此处不做限定。

控制模块110是多足机器人100的控制中心，利用各种接口和线路连接整个多足机器人100的各个部件，通过运行或执行存储在存储单元105内的软件程序，以及调用存储在存储单元105内的数据，从而对多足机器人100进行整体控制。

电源111用于给各个部件供电，电源111可包括电池和电源控制板，电源控制板用于控制电池充电、放电、以及功耗管理等功能。在图1所示的实施方式中，电源111电连接控制模块110，在其它的实施方式中，电源111还可以分别与传感单元103(比如摄像头、雷达、音箱等)、电机1012电性连接。需要说明的是，各个部件可以各自连接到不同的电源111，或者由相同的电源111供电。

在上述实施方式的基础上，具体地，在一些实施方式中，可以通过终端设备来与多足机器人100进行通信连接，在终端设备与多足机器人100进行通信时，可以通过终端设备来向多足机器人100发送指令信息，多足机器人100可通过通讯单元102来接收指令信息，并可在接收到指令信息的情况下，将指令信息传输至控制模块110，使得控制模块110可根据指令信息来处理得到目标速度值。终端设备包括但不限于：具备图像拍摄功能的手机、平板电脑、服务器、个人计算机、可穿戴智能设备、其它电器设备。

指令信息可以根据预设条件来确定。在一个实施方式中，多足机器人100可以包括传感单元103，传感单元103可根据多足机器人100所在的当前环境可生成指令信息。控制模块110可根据指令信息来判断多足机器人100的当前速度值是否满足对应的预设条件。若满足，则会保持多足机器人100的当前速度值和当前步态移动；若不满足，则会根据对应的预设条件来确定目标速度值和相应的目标步态，从而可控制多足机器人100以目标速度值和相应的目标步态移动。环境传感器可以包括温度传感器、气压传感器、视觉传感器、声音传感器。指令信息可以包括温度信息、气压信息、图像信息、声音信息。环境传感器与控制模块110之间的通信方式可以为有线通信，也可以为无线通信。无线通信的方式包括但不限于：无线网络、移动通信网络(3G、4G、5G等)、蓝牙、红外。

以上对本申请提供的机器人的硬件结构和机械结构进行说明，下面对本申请提供的应用于多足机器人上的柔性电子皮肤进行说明。

请参阅图3，在本申请实施例中，提供了一种应用于机器人的柔性电子皮肤，该柔性电子皮肤包括由外至内依次设置的导电单元、感应单元以及复合膜13，导电单元包括导电基板11和电镀层12，导电基板11与电镀层12组合形成导电电极，导电电极用于产生电信号；导电电极的第一侧面与复合膜13的第二侧面均为导电表面；感应单元包括至少为一组的显示部件14，显示部件14的正负电极分别黏贴于导电电极与复合膜13的导电表面的一端，用于显示被按压的位置。

在本申请实施例中，导电单元的导电基板11与电镀层12可以组合形成导电电极，在与复合膜13产生摩擦时，导电电极会发生电荷转移，该导电电极与复合膜13之间会形成一个电势差，由于存储的电荷量增大了，所以转移的电荷会增多，相应的所形成的电势差也会变大，使得电子皮肤无需外接电源，只需通过外力触摸即可让导电单元释放大量存储电荷为显示部件14提供所需电能，从而实现快速点亮显示部件14以感应显示按压位置。

在一个实施例中，可以将导电电极的第一侧面设置为齿槽结构，以增大其存储电荷量，电镀层12设置为银纳米电镀层，因此，为了让银纳米电镀层中的银纳米粒子能够沉积于该齿槽结构内，即为了电镀均匀，可以通过对应工装将针状的阳极***到该齿槽结构的凹槽内电镀。需要说明的是，导电电极设置成齿槽结构是用于模拟电容器的，导电电极还可以设置成除齿槽结构外的，任意可以模拟电容器大量电荷积聚特性的结构。

进一步需要说明的是，导电单元中的导电基板11可以采用透明涤纶树脂(PET，Polyethylene terephthalate)基板，同时，可以包括但不限于利用银纳米粒子通过浪涌电镀工艺的手段在该导电基板11上形成电镀层，从而得到导电电极。

在一个实施例中，由于氧气容易使得电极氧化，而惰性气体不活泼，与电极不会产生化学反应，可以防止电极氧化，因此，导电单元和复合膜13之间可以通过填充保护气体来使得电极隔绝氧气，例如在导电单元和复合膜13之间的空隙，可以填充浓度为95％-98％的干燥氮气，从而达到防止电镀层12氧化的效果。进一步的，柔性电子皮肤在静置过程中，由于电荷积聚效应，导电电极在与复合膜13接触后可以释放出超量的电荷。

在一个实施例中，复合膜13为具备多孔特征的复合膜13。需要说明的是，由于硅橡胶是气体渗透量最高的高分子膜材料之一，且具有廉价易得，粘结性好及成膜性好等优点，是优异的气体分离膜材料，因此，为了让复合膜13获得优异的气体渗透性和分离选择性，这里的复合膜13可以是至少包含硅橡胶材料所制备的复合膜13。

在一个实施例中，显示部件14可以为灯带组。

在一个实施例中，对于导电单元，导电单元的导电基板11材质具备柔性透光性质；为了该柔性电子皮肤能够与应用的机器人外表面贴合度更高，会在复合膜13的第三侧面处覆盖粘性胶层15。

请参阅图4，如图4所示，本申请实施例中的柔性电子皮肤还可以分别从复合膜13和导电电极外接放大检测电路，具体的外接连接方式为：将该放大检测电路的电源正极外接于复合膜13，电源负极外接于导电电极的导电表面。该放大检测电路可以包括放大器41、第一电阻R1以及第二电阻R2，用于检测电镀层12存储的电荷大小并放大相应的电信号。需要说明的是，在该放大检测电路中，放大器41的型号可以包括但不限于AD823。

优选的，本申请实施例中的柔性电子皮肤还可以包括与放大检测电路连接的控制器，该控制器可以获取放大检测电路输出的电信号，以及根据所获取到的电信号确定被挤压的位置。在本申请实施例中，控制器可以是中央处理单元(CPU，central processingunit)，组合逻辑控制器，还可以是其他通用控制器等，具体此处不做限定。当柔性电子皮肤作为传感器时，该控制器可以根据按压位置、电信号的大小和电信号存在的时间等做出相应的响应。

请参阅图5，如图5所示，柔性电子皮肤的复合膜13制备方法可以包括以下几个步骤：

(a1)往定量的聚二甲基硅氧烷(PDMS，polydimethylsiloxane)中加入5％至10％的固化剂，使得聚二甲基硅氧烷固化；

(a2)将定量铜纳米粉(导电粉末)、定量碳酸钙、固化后的聚二甲基硅氧烷和定量去离子水组合搅拌，让铜粉均匀分布，形成PDMS掺杂铜粉的导电聚合物；

(a3)将氮气通入导电聚合物，以使得导电聚合物中的PDMS混合胶体产生气泡，从而实现多孔特征；

(a4)将导电聚合物倒入相应的模具槽中进行24小时的固化/打磨，其中，固化/打磨的温度环境设置在60°至80°范围内，固化的作用是为了将该导电聚合物形成预设形状，打磨的作用是为了保持PDMS混合胶体的平面度，以便于贴合；

(a5)从模具槽中取出处理后的导电聚合物酸洗，以去除碳酸钙；

(a6)去离子水多次清洗；

(a7)将清洗后的导电聚合物进行50°至80°干燥，以去除水蒸气。

去除水蒸气后的导电聚合物即为具备多孔特征的复合膜13，通过这些步骤制备出的复合膜13不但能够拥有优异的气体渗透性，还能拥有优异的分离选择性。需要说明的是，在(a3)步骤中所使用的氮气并不唯一，可以是任意无化学反应的气体，惰性气体。

由于摩擦起电效应，通过外部按压导电电极，使得该导电电极和复合膜13发生接触，因为导电电极和复合膜13的摩擦电极性不同，其会发生电荷转移，使得导电电极和复合膜13之间形成一个电势差。具体实施方式为：当导电电极与复合膜13通过按压接触时，导电电极和复合膜13产生摩擦，由于导电电极中的粒子失去电子的能力强于复合膜13，复合膜13被摩擦后产生负电；当导电电极和复合膜13分离时，因为复合膜13具备的多孔特征，分离发生顺序有先后，电子会通过显示部件14的引脚流动，去中和正电荷，从而产生一个个脉冲电流来点亮显示部件14，使得该柔性电子皮肤无需电池供电即可单独工作。

需要说明的是，感应单元中的显示部件14可以是至少为一条的发光二极管(LED，Light Emitting Diode)灯带条，这个LED灯带条的正负极分别粘贴在导电电极和复合膜13之间，不会产生静电拉弧，电子通过在LED灯带条之间的转移来平衡电势差，这样形成的电子转移有持续性，电流也才能驱动LED灯带条。在无外接电源的条件下，通过按压导电电极，产生摩擦起电效应，就能使得显示部件14上的灯珠通电导通，产生亮光，光源透过透明的导电电极，显示出按压位置，具有更好的交互性。

Claims (10)

1.一种柔性电子皮肤，其特征在于，所述柔性电子皮肤包括由外至内依次设置的导电单元、感应单元以及复合膜：

所述导电单元包括导电基板和电镀层，所述导电基板与所述电镀层组合形成导电电极，所述导电电极用于产生电信号；

所述导电电极的第一侧面与所述复合膜的第二侧面均为导电表面；

所述感应单元包括至少为一组的显示部件，所述显示部件的正负电极分别黏贴于所述导电电极与所述复合膜的导电表面的一端，用于显示被按压的位置。

2.根据权利要求1所述的柔性电子皮肤，其特征在于，所述柔性电子皮肤还包括阳极；

所述导电电极的第一侧面设置为齿槽结构，所述电镀层为银纳米电镀层，所述阳极置于所述导电电极的齿槽结构的凹槽内，用于让所述银纳米电镀层中的银纳米粒子沉积于所述齿槽结构内。

3.根据权利要求2所述的柔性电子皮肤，其特征在于，所述导电单元与所述复合膜之间填充保护气体，用于隔绝氧气。

4.根据权利要求3所述的柔性电子皮肤，其特征在于，所述复合膜为具备多孔特征的复合膜。

5.根据权利要求1所述的柔性电子皮肤，其特征在于，所述导电基板的材质具备柔性透光性质。

6.根据权利要求1所述的柔性电子皮肤，其特征在于，所述显示部件为灯带组。

7.根据权利要求1所述的柔性电子皮肤，其特征在于，所述柔性电子皮肤还包括粘性胶层；

所述粘性胶层覆盖于所述复合膜的第三侧面，用于黏连机器人外表面。

8.根据权利要求1至7任一项所述的柔性电子皮肤，其特征在于，所述柔性电子皮肤还包括放大检测电路；

所述放大检测电路包括放大器、第一电阻以及第二电阻；

所述放大检测电路的电源正负极分别外接于所述复合膜与所述导电电极的导电表面的另一端，用于检测所述电镀层存储的电荷大小并放大相应的电信号。

9.根据权利要求8所述的柔性电子皮肤，其特征在于，所述柔性电子皮肤还包括与所述放大检测电路连接的控制器；

所述控制器用于：

获取所述放大检测电路输出的电信号；

根据所述电信号确定被按压的位置。

10.一种机器人，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的柔性电子皮肤。

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