自主感知的柔性机器人及其应用制造技术

本发明专利技术提供一种自主感知的柔性机器人，包括：机器人部件；柔性摩擦电传感器，附着在所述机器人部件上；其中所述柔性摩擦电传感器包括柔性封装结构和嵌入在柔性封装结构中的电极，其中，所述电极连接至地、等电位或外部的导电体；还可以在柔性封装结构的表面上设置具有图案的柔性微结构修饰层，用于传感触摸或者压力等信号。本发明专利技术提供的柔性机器人可以通过从摩擦电传感器自身产生的电信号来感测机器人的运动、工作状态、环境和外部刺激。

Autonomous Sensing Flexible Robot and Its Application

The invention provides a self-sensing flexible robot, which includes: a robot component; a flexible triboelectricity sensor attached to the robot component; the flexible triboelectricity sensor includes a flexible encapsulation structure and an electrode embedded in the flexible encapsulation structure, in which the electrode is connected to ground, equipotential or external conductor; and a flexible encapsulation structure. A patterned flexible microstructural modification layer is arranged on the surface for sensing signals such as touch or pressure. The flexible robot provided by the invention can sense the motion, working state, environment and external stimulus of the robot by the electric signal generated from the friction electric sensor itself.

【技术实现步骤摘要】
自主感知的柔性机器人及其应用
本专利技术涉及自驱动传感器件领域，特别是涉及能够自主感知的柔性机器人及其应用。
技术介绍
在各种机器人技术中，由柔软和可延伸材料构成的柔性机器人与人之间的互动更加安全，功能更强大，在一些方面弥补了机器与人之间的差距。模拟生物系统的仿生机器人具有类似肌肉的制动和可变形结构，使得它们在运动中相对自由，并且与其他刚性对应物相比，更符合自然环境。但是，仿生机器人的应用受机器人的认知、与人的互动能力以及机器人运动的自由的限制。迄今为止，柔性机器人已经表现出其执行各种功能，如抓地力、运动、游泳、跳跃、发光、伪装等功能。然而，缺乏感觉和反应限制了其巨大的潜力。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种结合了柔性摩擦电传感器的柔性机器人，能够具有自主感知的能力。为实现上述目的，本专利技术提供一种自主感知的柔性机器人，包括：机器人部件；柔性摩擦电传感器，附着在所述机器人部件上；其中所述柔性摩擦电传感器包括柔性封装结构和嵌入在柔性封装结构中的电极，其中，所述电极连接至地、等电位或外部的导电体。优选的，在所述柔性封装结构的表面上还设置有具有图案的柔性微结构修饰层。优选的，所述微结构修饰层的表面为：金字塔形状微结构单元形成的阵列，或者纳米线团簇组成的微结构单元形成的阵列，或者梯形台形状微结构单元形成的阵列。优选的，所述阵列中微结构单元的尺寸范围在微米级至毫米级；和/或阵列中微结构单元在垂直微结构修饰层表面的方向上的高度范围在微米级至毫米级。优选的，所述微结构修饰层的材料为有机物绝缘体。优选的，所述电极为纳米导电材料聚集形成，优选为银纳米线、碳纳米管、碳渣、纳米金属线、金属颗粒或金属碎片。优选的，所述电极通过伸出所述柔性封装结构的金属导体连接至地、等电位或外部的导电体。优选的，包括1个或多个所述柔性摩擦电传感器。优选的，所述柔性封装结构的材料为有机物绝缘体，优选为硅橡胶、硅胶、橡胶、聚二甲基硅氧烷、环氧树酯或Eco-flex。优选的，还包括信号发生部件，所述信号发生部件与柔性摩擦电传感器连接，将所述柔性摩擦电传感器的电信号转变为其他信号；优选的，所述信号发生部件为LED灯。优选的，所述机器人部件为包括多个气动室的爬行机器人部件。优选的，所述柔性摩擦电传感器设置在爬行机器人部件的腹部或背部。优选的，一个所述柔性摩擦电传感器设置在爬行机器人部件第一段气动室对应位置的腹部。上述柔性机器人在脉搏感测中的应用。上述柔性机器人在触摸传感中的应用，其中，所述柔性摩擦电传感器设置在爬行机器人部件的背部。优选的，所述机器人部件为机器人抓爪，所述柔性的摩擦电传感器设置在机器人抓爪的两个指状物上。优选的，所述机器人部件为机器手指，柔性摩擦电传感器设置在机器手指上。上述柔性机器人在湿度或温度传感中的应用。与现有技术相比，本专利技术具有下列有益效果：本专利技术采用可以高度延展、弯折、挤压等变形的柔性摩擦电传感器，赋予机器人部件主动的触觉感受和压力传感性能，能够自主感知机器人部件的爬行、抓取、触摸等动作。采用柔性的摩擦电传感器作为机器人的皮肤实现，可以通过自发电信号主动感测内部和外部刺激。将兼容的摩擦电器件集成到柔性机器人部件中可使柔性机器人自主主动地感知其肌肉动作，工作状态，环境，物体湿度和温和的人体生理信号。本专利技术的柔性机器人的最突出的优点是通过自然的摩擦带电效应赋予了主动感知的能力。无需外部电源，有意识的软机器人可以通过从自身产生电信号来感测其身体运动、工作状态、环境和外部刺激。附图说明通过附图所示，本专利技术的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本专利技术的主旨。图1为本专利技术柔性机器人第一实施例的结构示意图；图2为本专利技术柔性机器人第二实施例的结构示意图；图3和图9为本专利技术柔性机器人第三实施例的结构示意图；图4-图6为第三实施例的传感器测试结果；图7为本专利技术柔性机器人第四实施例的结构示意图；图8为第四实施例的传感器测试结果；图10为本专利技术柔性机器人第五实施例的结构示意图；图11为第五实施例的传感器测试结果。具体实施方式下面将结合本专利技术实施示例中的附图，对本专利技术实施示例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施示例仅是本专利技术一部分实施示例，而不是全部的实施示例。基于本专利技术中的实施示例，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示例，都属于本专利技术保护的范围。其次，本专利技术结合示意图进行详细描述，在详述本专利技术实施示例时，为便于说明，所述示意图只是示例，不应限制本专利技术保护的范围。实施例一：图1为本实施例自主感知的柔性机器人的典型结构示意图，自主感知的柔性机器人包括机器人部件10，以及附着在机器人部件10上的柔性摩擦电传感器，其中，机器人部件10可以在驱动装置的驱动下进行各种动作，如移动、夹取物体、爬行等；柔性摩擦电传感器包括柔性封装结构20和嵌入在柔性封装结构20中的电极30，其中，电极30可以连接至地、等电位或外部的导电体50，在机器人部件10动作的带动下当柔性封装结构20与其他物体接触分离或者挤压过程中，由于摩擦起电和静电感应作用，在电极30与地或等电位之间有电荷流动，不同的动作能够产生不同的电信号。因此，产生的电信号可以作为柔性机器人自主感知的信号，不需要为传感器提供电源，是一种自主感知的柔性机器人。优选的，电极30可以连接至设置在机器人部件10上的导电体上。电极30可以为任意导电材料，为了使柔性摩擦电传感器具有更好的柔性和可靠性，电极30可以为由纳米导电材料聚集形成的电极，电极的形状和尺寸可以根据需要的图形设计，这里不做特别的限定。柔性封装结构20采用可拉伸的弹性封装材料，使得柔性摩擦电传感器本身具有全柔性和可拉抻性，可以在双轴方向伸缩，能够适应各种机器人部件导电动作紧密贴合在机器人部件的任何形状的表面上，与其他物体感应、接触和摩擦而产生电信号，反馈给机器人部件的控制系统。电极30的纳米导电材料可为银纳米线、碳纳米管、碳渣、纳米金属线、金属颗粒或金属碎片等；柔性封装结构10的材料可以是硅橡胶、硅胶、橡胶、聚二甲基硅氧烷、环氧树酯或Eco-flex等有机物绝缘材料。对于电极30采用纳米导电材料的情况，可以通过伸出柔性封装结构10的金属导体40连接至地50。柔性摩擦电传感器的制备方法为，将由纳米导电材料配成的溶液浇注入绘制好的电极图案模具中，干燥后得到纳米导电材料图案电极；将由柔性封装材料配制成的凝胶浇注封装于所述纳米导电材料图案电极上，并固化。实施例二：本实施例中，自主感知的柔性机器人的典型结构示意图见图2，与实施例一中的自主感知的柔性机器人的区别在于，柔性摩擦电传感器的结构除了包括柔性封装结构20和嵌入在柔性封装结构20中的电极30之外，在柔性封装结构20的表面上还设置有具有图案的柔性微结构修饰层50。该微结构修饰层50可以在柔性摩擦电传感器受到压力或者被触摸时可以变形，由于摩擦起电和静电感应作用，在电极30上感应的电荷会变化，可以对压力或者触摸进行传感。微结构修饰层50的材料采用柔性可变形的绝缘材料，优选有机物绝缘体材料，可以是硅橡胶、硅胶、橡胶、聚二甲基硅氧烷、环氧树酯或Eco-flex等有机物绝缘材料。微结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自主感知的柔性机器人，其特征在于，包括：机器人部件；柔性摩擦电传感器，附着在所述机器人部件上；其中所述柔性摩擦电传感器包括柔性封装结构和嵌入在柔性封装结构中的电极，其中，所述电极连接至地、等电位或外部的导电体。

【技术特征摘要】
1.一种自主感知的柔性机器人，其特征在于，包括：机器人部件；柔性摩擦电传感器，附着在所述机器人部件上；其中所述柔性摩擦电传感器包括柔性封装结构和嵌入在柔性封装结构中的电极，其中，所述电极连接至地、等电位或外部的导电体。2.根据权利要求1所述的柔性机器人，其特征在于，在所述柔性封装结构的表面上还设置有具有图案的柔性微结构修饰层。3.根据权利要求2所述的柔性机器人，其特征在于，所述微结构修饰层的表面为：金字塔形状微结构单元形成的阵列，或者纳米线团簇组成的微结构单元形成的阵列，或者梯形台形状微结构单元形成的阵列。4.根据权利要求3所述的柔性机器人，其特征在于，所述阵列中微结构单元的尺寸范围在微米级至毫米级；和/或阵列中微结构单元在垂直微结构修饰层表面的方向上的高度范围在微米级至毫米级。5.根据权利要求2-4任一项所述的柔性机器人，其特征在于，所述微结构修饰层的材料为有机物绝缘体。6.根据权利要求1-5任一项所述的柔性机器人，其特征在于，所述电极为纳米导电材料聚集形成，优选为银纳米线、碳纳米管、碳渣、纳米金属线、金属颗粒或金属碎片。7.根据权利要求6所述的柔性机器人，其特征在于，所述电极通过伸出所述柔性封装结构的金属导体连接至地、等电位或外部的导电体。8.根据权利要求1-7任一项所述的柔性机器人，其特征在于，包括1个或多个所述柔性摩擦电传感器。9.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：王中林，赖盈至，
申请(专利权)人：北京纳米能源与系统研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11