一种距离和压力感知的柔性传感器及系统、机器人技术方案

本实用新型专利技术涉及一种距离和压力感知的柔性传感器及系统、机器人，属于人机交互技术领域，感知电极阵列感知物体到柔性传感器的距离或柔性传感器表面的压力，信号处理电路切换距离感知和压力感知，距离感知时，信号处理电路向柔性传感器的感知电极阵列输出电压信号产生电场，接收感知电极阵列的电势值，上位机根据感知电极阵列的电势值判断物体到柔性传感器的距离，在障碍物处于较远位置时就能被检测到；压力感知时，信号处理电路读取柔性传感器的感知电极阵列与地电极之间的电容值，上位机根据电容值判断柔性传感器表面的压力，解决机器和人交互时的安全性问题，增强机器和外界交互的能力，丰富人和机器交互的多样性。丰富人和机器交互的多样性。丰富人和机器交互的多样性。

【技术实现步骤摘要】
一种距离和压力感知的柔性传感器及系统、机器人


[0001]本技术涉及人机交互
，特别是涉及一种距离和压力感知的柔性传感器及系统、机器人。

技术介绍

[0002]工业机器人已经规模应用于工厂车间，机器人取代工人进行各种装配、搬运、包装等任务。传统的工业机器人使用刚性部件并且没有触觉，无法保证与人一起工作时的固有安全性。目前的解决方案多是将柔性压力传感器贴附在机械臂表面，当柔性压力传感器感知到压力时，工业机器人立即停止工作。但机械臂运行时瞬间停止对生产线和机械臂本体有很大影响，无法保证机器和人交互时的安全性。

技术实现思路

[0003]本技术的目的是提供一种距离和压力感知的柔性传感器及系统、机器人，以解决机器和人交互时的安全性问题，增强机器和外界交互的能力，丰富人和机器交互的多样性。
[0004]为实现上述目的，本技术提供了如下方案：
[0005]一种距离和压力感知的柔性传感器，所述柔性传感器包括：感知电极阵列、第一绝缘层、空腔结构阵列、可压缩电介质和地电极；
[0006]从顶层至底层依次设置感知电极阵列、第一绝缘层、可压缩电介质和地电极；空腔结构阵列设置在第一绝缘层中，并与可压缩电介质连接；
[0007]所述感知电极阵列用于感知物体到柔性传感器的距离或柔性传感器表面的压力。
[0008]可选的，所述感知电极阵列包括：距离感知接收电极阵列、第二绝缘层和共用感知电极阵列；
[0009]距离感知接收电极阵列与第二绝缘层连接，共用感知电极阵列设置在所述第二绝缘层中，第二绝缘层与第一绝缘层连接；共用感知电极阵列与空腔结构阵列相对设置；
[0010]当所述柔性传感器用于感知距离时，所述共用感知电极阵列为距离感知发射电极阵列；
[0011]当所述柔性传感器用于感知压力时，所述共用感知电极阵列为压力感知电极阵列。
[0012]可选的，所述距离感知接收电极阵列包括5个电极；
[0013]所述距离感知接收电极阵列的4个电极呈口字形分布在所述第二绝缘层上方的边缘，1个电极位于所述第二绝缘层上方的中心。
[0014]可选的，所述感知电极阵列包括：距离感知接收电极阵列和共用感知电极阵列；
[0015]距离感知接收电极阵列和共用感知电极阵列均设置在所述第一绝缘层的上方；
[0016]当所述柔性传感器用于感知距离时，所述共用感知电极阵列为距离感知发射电极阵列；
[0017]当所述柔性传感器用于感知压力时，所述共用感知电极阵列为压力感知电极阵列。
[0018]可选的，所述距离感知接收电极阵列包括4个电极；
[0019]4个电极呈口字形分布在所述第一绝缘层上方的边缘；所述共用感知电极阵列位于所述第一绝缘层上方的中心。
[0020]一种距离和压力感知的柔性传感系统，所述柔性传感系统包括：信号处理电路、上位机和前述的柔性传感器；
[0021]信号处理电路分别与上位机和所述柔性传感器的感知电极阵列连接；
[0022]信号处理电路用于切换距离感知和压力感知；
[0023]当所述信号处理电路切换至距离感知时，信号处理电路向所述柔性传感器的感知电极阵列输出电压信号产生电场，接收感知电极阵列的电势值，并将感知电极阵列的电势值发送至上位机；所述上位机用于根据感知电极阵列的电势值判断物体到柔性传感器的距离；
[0024]当所述信号处理电路切换至压力感知时，信号处理电路读取所述柔性传感器的感知电极阵列与地电极之间的电容值，并将所述电容值发送至上位机；所述上位机还用于根据所述电容值判断所述柔性传感器表面的压力。
[0025]可选的，所述柔性传感系统还包括：信号发生器；
[0026]信号发生器通过信号处理电路与所述柔性传感器的感知电极阵列连接。
[0027]可选的，所述信号处理电路包括：信号处理芯片、信号匹配模块、ADC 模块、微处理器和电容数字转换器；
[0028]信号处理芯片分别与信号发生器和所述感知电极阵列的距离感知发射电极阵列连接，所述信号处理芯片用于向所述感知电极阵列的距离感知发射电极阵列输出电压信号产生电场；
[0029]信号匹配模块分别与ADC模块和所述感知电极阵列的距离感知接收电极阵列连接，所述信号匹配模块用于接收距离感知接收电极阵列的电势模拟信号，并将距离感知接收电极阵列的电势模拟信号发送至ADC模块；
[0030]ADC模块通过信号处理芯片与微处理器连接，所述ADC模块用于将所述电势模拟信号转换为电势数字信号，并经信号处理芯片放大后传输至微处理器；
[0031]电容数字转换器分别与微处理器和所述感知电极阵列的压力感知电极阵列连接，所述电容数字转换器用于接收压力感知电极阵列与地电极之间的电容模拟信号，并将电容模拟信号转换为电容数字信号后传输至微处理器；
[0032]微处理器与上位机连接，所述微处理器用于将放大后的电势数字信号或电容数字信号发送至上位机。
[0033]可选的，所述上位机包括：距离识别模块、电势变化曲线显示模块、距离显示模块、压力识别模块、电容变化曲线显示模块和压力显示模块；
[0034]距离识别模块的输入端与信号处理电路连接，距离识别模块的输出端分别与电势变化曲线显示模块、距离显示模块连接；所述距离识别模块用于根据感知电极阵列的电势值，利用电势值与距离的多项式拟合曲线确定物体到柔性传感器的距离；所述电势变化曲线显示模块用于显示感知电极阵列中每个电极的电势值随时间变化的曲线；所述距离显示
模块用于在柱面坐标中显示物体到柔性传感器的距离；
[0035]压力识别模块的输入端与信号处理电路连接，压力识别模块的输出端分别与电容变化曲线显示模块和压力显示模块连接；所述压力识别模块用于根据压力感知电极阵列中每个电极与地电极之间的电容值，利用电容值与压力的多项式拟合曲线确定柔性传感器表面的压力；所述电容变化曲线显示模块用于显示压力感知电极阵列中每个电极与地电极之间的电容值随时间变化的曲线；所述压力显示模块用于显示压力在柔性传感器表面的位置和压力大小。
[0036]一种机器人，所述机器人应用前述的距离和压力感知的柔性传感系统。
[0037]根据本技术提供的具体实施例，本技术公开了以下技术效果：
[0038]本技术公开一种距离和压力感知的柔性传感器及系统、机器人，感知电极阵列感知物体到柔性传感器的距离或柔性传感器表面的压力，信号处理电路切换距离感知和压力感知，距离感知时，信号处理电路向柔性传感器的感知电极阵列输出电压信号产生电场，接收感知电极阵列的电势值，上位机根据感知电极阵列的电势值判断物体到柔性传感器的距离，在障碍物处于较远位置时就能被检测到；压力感知时，信号处理电路读取柔性传感器的感知电极阵列与地电极之间的电容值，上位机根据电容值判断柔性传感器表面的压力，解决机器和人交互时的安全性问题，增强机器和外界交互的能力，丰富人和机器交互的多样性。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种距离和压力感知的柔性传感器，其特征在于，所述柔性传感器包括：感知电极阵列、第一绝缘层、空腔结构阵列、可压缩电介质和地电极；从顶层至底层依次设置感知电极阵列、第一绝缘层、可压缩电介质和地电极；空腔结构阵列设置在第一绝缘层中，并与可压缩电介质连接；所述感知电极阵列用于感知物体到柔性传感器的距离或柔性传感器表面的压力。2.根据权利要求1所述的距离和压力感知的柔性传感器，其特征在于，所述感知电极阵列包括：距离感知接收电极阵列、第二绝缘层和共用感知电极阵列；距离感知接收电极阵列与第二绝缘层连接，共用感知电极阵列设置在所述第二绝缘层中，第二绝缘层与第一绝缘层连接；共用感知电极阵列与空腔结构阵列相对设置；当所述柔性传感器用于感知距离时，所述共用感知电极阵列为距离感知发射电极阵列；当所述柔性传感器用于感知压力时，所述共用感知电极阵列为压力感知电极阵列。3.根据权利要求2所述的距离和压力感知的柔性传感器，其特征在于，所述距离感知接收电极阵列包括5个电极；所述距离感知接收电极阵列的4个电极呈口字形分布在所述第二绝缘层上方的边缘，1个电极位于所述第二绝缘层上方的中心。4.根据权利要求1所述的距离和压力感知的柔性传感器，其特征在于，所述感知电极阵列包括：距离感知接收电极阵列和共用感知电极阵列；距离感知接收电极阵列和共用感知电极阵列均设置在所述第一绝缘层的上方；当所述柔性传感器用于感知距离时，所述共用感知电极阵列为距离感知发射电极阵列；当所述柔性传感器用于感知压力时，所述共用感知电极阵列为压力感知电极阵列。5.根据权利要求4所述的距离和压力感知的柔性传感器，其特征在于，所述距离感知接收电极阵列包括4个电极；4个电极呈口字形分布在所述第一绝缘层上方的边缘；所述共用感知电极阵列位于所述第一绝缘层上方的中心。6.一种距离和压力感知的柔性传感系统，其特征在于，所述柔性传感系统包括：信号处理电路、上位机和权利要求1
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5任一项所述的柔性传感器；信号处理电路分别与上位机和所述柔性传感器的...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋永刚，冯蓬勃，李嘉成，程阳，张德远，刘家俊，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：新型
国别省市：