一种具有自感知的软体机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种具有自感知的软体机器人，包括可形变的软体结构、数显电阻表、控制器、驱动器和电机；软体结构包括上段结构和下段结构；其中，上段结构和下段结构通过中间过渡结构连接在一起，上段结构和下段结构中均嵌设有水凝胶传感器，且上段结构和下段结构中均穿设有用于控制软体结构伸缩弯曲的渔线；水凝胶传感器与数显电阻表连接，数显电阻表用于A/D模块，A/D模块则用于将水凝胶传感器的电阻值转换为可通过RS485协议传输到控制器中的数字量，控制器与驱动器连接，驱动器与电机连接。本发明专利技术设计的软体机器人相较于刚性机器人更为灵活和通用，增加了自主感知能力，且对外部刺激可做出敏感响应，为闭环控制的实现提供了重要保障。要保障。要保障。

【技术实现步骤摘要】
一种具有自感知的软体机器人


[0001]本专利技术涉及机器人
，特别涉及一种具有自感知的软体机器人。

技术介绍

[0002]智能机器人在生活中发挥着越来越广泛的作用，但传统刚性机器人在与自然环境进行交互时，只可平动或转动，对环境适应能力有限，难以适用在复杂的非结构化环境中。为此，基于柔性材料的软体机器人应运而生，亦被称之为软体机器人。软体机器人自身柔软可发生形状变化，拥有无穷自由度，可在废墟狭缝、生物体内完成相关作业。然而，由于刚性传感器的与软体机器人相容性、自身尺寸、机械特性不相符等限制，在一定程度上阻碍了软体机器人发展。
[0003]随着材料学的飞速发展，具有良好的柔韧性、延展性，可自由弯曲或者折叠，且结构形式灵活多样的柔性传感器在健康检测、人机交互等领域受到广泛关注。郭诗辉等人设计了一种基于人体运动显著性的柔性传感器,其通过构建三维人体模型,并在所述三维人体模型中设置人体体型参数；通过不同操作进行形变分析确定柔性传感器的布线起点和布线方向等,从而对所述柔性传感器的位置进行布局优化,提高了柔性传感器对人体形变信息的捕获能力,能够广泛适用于织物传感器等柔性拉伸传感器。在实际应用中，MXene(迈科烯)柔性应力/应变传感器可以用于监测人体大变形运动，如关节运动、肌肉收缩和小变形的生命信号。除此之外，MXene柔性应力/应变传感器还可以连接无线发射器进行远程监测，为实现远距离人机对话提供一种可能。目前，已有模仿植物的柔性传感器，利用大自然中部分植物的叶片或花瓣作为基底材料的模板，结合一些现代的工艺技术，如石墨烯沉积、金属的溅射等制备柔性电极。非接触式的柔性传感器目前主要利用某些纳米材料原子结构表面上的电子性质，或者利用高分辨率光学传感器，不仅可以实现较高的空间分辨率和灵敏度，还可实现一定范围内的全场传感，从而有效提高监测与监控结构的全面性和连续性。柔性传感器通常还采用还原氧化石墨烯、碳纳米管等作为材料。童凯等人制作了一种柔性石墨烯压力传感器，所述传感器包括柔性基底、微结构底层、电极、石墨烯薄膜和柔性封装层；所述制备方法包括制备石墨烯薄膜，制作柔性基底并在柔性基底上进行倒模操作、制作圆柱体阵列，最终组合制备柔性石墨烯压力传感器。段秋艳等人设计的碳纳米管导电墨水由纤维素和多巴胺的混合溶液修饰碳纳米管制备而成，该碳纳米管导电墨水可用于制备柔性织物基应变传感器。以上的柔性传感器具有高性能、高稳定性、高灵敏度，优异的快速响应特性和耐用性，低成本，实现了绿色制造。
[0004]虽然目前柔性传感器中可以满足特定对象需求，但是变形期间导电材料接触状态的破坏通常会导致应变传感器的不稳定性。且大多数柔性材料的弯曲度有限，在高精度的测量领域发展受限；柔性基底的材料有限，很多时候制造柔性传感器需要石墨烯材料配合，这也是很久未能解决量产的一种材料；同时应用这些材料制作的软体机器人接收响应的灵敏度较低，不能快速反应，具有不稳定性，在机器人的应用范围较为狭窄。
[0005]使用水凝胶材料制作的传感器性能较为优越。PAM(聚丙烯酰胺)水凝胶在净化水
质等领域具有良好的性能。Weiwei Fan等人制备的PAM水凝胶具有良好的体外细胞相容性，是形状记忆水凝胶，具有可接受的机械和药物释放性能，可应用于伤口敷料。Yuyan Yang等人制备了一种Graphene oxide(GO)/polyacrylamide(PAM)composite hydrogels。该复合水凝胶形成的主要驱动力为氢键、静电相互作用等。在固定PAM(GO)浓度下增加GO(PAM)的量，或在固定的GO摩尔比下总浓度的增加与PAM的比例为1:1时，GO/PAM的粘弹性显著提高。该复合水凝胶对有毒染料的吸附更加高效，是一种环境友好的净水剂。通过研究发现加入导电活性材料PEDOT:PSS的PAM复合水凝胶具有良好的相容性，机械性能，韧性和可塑性，同时水凝胶的电化学性能也极为优越，具有快速响应能力和优异的电稳定性能。使用该水凝胶制备的柔性应变传感器兼具柔性，可拉伸，可压缩等特性，具有良好的可重复性与工作稳定性，在软体机器人的应用中展现出极大的发展潜力。
[0006]因而，可以使用该复合水凝胶设计机器人结构并完全嵌入使之成为整体，从而实现软体机器人的自感知(采用物理人工智能的原理实现软体机器人的行为和认知)功能，对软体机器人感知领域发展意义重大。
[0007]软机器人感知目前有两大类：外部和内部感知。软体机器人外部感知可使用摄像头。利用视觉传感器获取环境信息，对机器人实施反馈运动控制。针对六自由度手眼机器人系统，王大浩等人提出了一种新的基于图像的视觉伺服方法，该方法对图像特征坐标误差施加规定的瞬态和稳态响应，满足了由于相机视场(FOV)限制而产生的可见性约束。针对机器人返航路径确定，王兴涛等人提出基于视觉伺服的巡检机器人返航路径确定方法。该方法利用视觉伺服控制方法对巡检机器人的速度进行控制并进行速度数据处理后对巡检机器人的机械参数进行参数整定处理，最后以整定后的参数为基础，规划处理机器人返航路径。有学者提供了一种基于视觉的空间细胞机器人外部状态感知方法。该方法通过建立空间细胞机器人不同种类细胞的图像数据库并进行图像标注，将标记过的图像进行基于深度学习的网络训练，结合相机的内参数，推导出主动连接面与被动连接面之间的相对距离和角度关系。该方法不仅可以测量出与目标物体之间的相对距离和相对转角，还可以根据空间细胞机器人需求识别出不同类型的目标物体及障碍物，角度测量范围也更大，适用于空间细胞机器人任何平移或旋转运动下的外部状态感知。但这些感知方式通常难以用于非结构化的空间中，因此需要研究机器人的内部感知。
[0008]软体机器人内部感知可使用flex传感器、测斜仪、光导纤维传感器和磁性传感器等工具。李红等人提出了一种用于手指关节角度本体感觉的软光纤曲率传感器，该传感器由保护硅胶层、光纤曲率传感器和两个可穿戴指尖组成。传感器的纤芯模与周围纤芯模之间的光程差会随着曲率的变化而变化，从而引起干涉光谱的偏移。通过传感设备的验证试验，这种传感方法对关节角模型弯曲形状的测量是有效的。当前，消费、专业服务或社交机器人的每个关节几乎都用到2个或更多的磁性角度位置传感器。每个运动轴或关节旋转需要使用至少1个磁性角度位置传感器。当今的许多机器人都采用小而强大的无刷直流电机(BLDC)来移动机器人的关节和四肢。为了正确驱动电机，需要知道电机的当前位置。磁性角度位置传感器IC越来越广泛地用来为移动关节的电机控制器提供电机换向反馈，此外，机器人关节的闭环电机控制也需要关节齿轮的角度位置反馈。此类传感器并不适用自身大形变的情况。Dong Zhou等人通过实时监测加热丝电阻实现TAM(由尼龙制成的扭曲人工肌肉)温度自传感控制的方法，实现了对TAM温度的精确控制。采用自感知控制方法，实现了18台
TAM的同时控制。基于昆虫仿生学原理，采用一种新的步进行走方法，实现了一种具有多运动和承载能力的仿生软六足机器人。此外，由于TAM具有良好的环境适应性，仿生机器人可以在陆地和水下条件下实现两栖运动，相应的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有自感知的软体机器人，其特征在于，所述具有自感知的软体机器人包括可形变的软体结构、数显电阻表、控制器、驱动器以及电机；所述软体结构包括上段结构和下段结构；其中，所述上段结构和所述下段结构通过中间过渡结构连接在一起，所述上段结构和所述下段结构中均嵌设有水凝胶传感器，且所述上段结构和所述下段结构中均穿设有用于控制软体结构伸缩弯曲的渔线；所述水凝胶传感器与所述数显电阻表连接，所述数显电阻表用于A/D模块，A/D模块用于将水凝胶传感器的电阻值转换为可通过RS485协议传输到所述控制器中的数字量，所述控制器与所述驱动器连接，所述驱动器与所述电机连接，所述驱动器通过驱动所述电机运转，控制所述软体结构运动。2.如权利要求1所述的具有自感知的软体机器人，其特征在于，所述水凝胶传感器的制备过程，包括：将丙烯酰胺粉末溶解于蒸馏水中，在25℃的超声波振荡下溶解5min，形成水溶液，再将0.2g的PEDOT:PSS加入到所述水溶液中，待溶液混合均匀后，加入交联剂、引发剂和催化剂，然后在冰浴下超声溶解十分钟得到AM/PEDOT:PSS前驱体溶液；将所制备的前驱体溶液倒入定制好的聚四氟乙烯板模具中，在60℃烘箱中反应1h，得到PAM/PEDOT:PSS水凝胶；使用聚四氟乙烯板模具将PAM/PEDOT:PSS水凝胶切割成预设形状；将切割好的水凝胶接上引线，得到所述水凝胶传感器。3.如权利要求2所述的具有自感知的软体机器人，其特征在于，所述交联剂为2
‑
巯基苯甲酸，所述引发剂为硫酸铵，所述催化剂为四甲基乙二胺。4.如权利要求1所述的具有自感知的软体机器人，其特征在于，所述上段结构远离所述下段结构的一端设置有上层圆盘，所述中间过度结构中设置有中层圆盘，所述下段结构远离所述上段结构的一端设置有下层圆盘；其中，所述上段结构内部设置有第一容纳腔和沿所述上段结构的纵向贯穿所述上段结构的第一空心圆柱体，所述第一容纳腔内嵌设有第一水凝胶传感器，所述第一空心圆柱体内穿设有用于控制所述上段结构伸缩弯曲的第一渔线，所述下段结构内部设置有第二容纳腔和沿所述下段结构的纵向贯穿所述下段结构的第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志杰，马杰，张永雪，张刘一，秦勃，韩志冀，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：