一种距离和压力感知的柔性传感器及系统、机器人

1.本实用新型涉及人机交互技术领域，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。


背景技术：

2.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。


技术实现要素：

3.本实用新型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。
4.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
5.一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；
6.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；
7.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。
8.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；
9.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；
10.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；
11.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。
12.可选的，所述距离感知接收电极阵列包括5个电极；
13.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。
14.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；
15.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；
16.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；
17.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。
18.可选的，所述距离感知接收电极阵列包括4个电极；
19.4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。
20.一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；
21.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；
22.信号处理电路用于切换距离感知和压力感知；
23.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；
24.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。
25.可选的，所述柔性传感系统还包括：信号发生器；
26.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。
27.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；
28.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；
29.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；
30.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；
31.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；
32.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。
33.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；
34.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；
35.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。
36.一种机器人，所述机器人应用前述的距离和压力感知的柔性传感系统。
37.根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：
38.本实用新型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。
附图说明
39.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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。
40.图1为本实用新型提供的一种距离和压力感知的柔性传感器的截面示意图；
41.图2为本实用新型提供的7层距离和压力感知的柔性传感传感器截面图；
42.图3为本实用新型提供的5层距离和压力感知的柔性传感器截面图；
43.图4为本实用新型提供的压力感知原理图；图4(a)为无压力时的柔性传感器截面图，图4(b)为轻微压力时的柔性传感器截面图，图4(c)为较大压力时的柔性传感器截面图；
44.图5为本实用新型提供的5层柔性基板顶层结构图；
45.图6为本实用新型提供的不同维度的共用感知电极阵列的示意图；图6(a) 为一维共用感知电极阵列的示意图，图6(b)为二维共用感知电极阵列的示意图；
46.图7为本实用新型提供的可压缩电介质不同结构示意图；图7(a)为多孔结构的可压缩电介质示意图，图7(b)为沟槽结构的可压缩电介质示意图，图7(c)为褶皱结构的可压缩电介质示意图；
47.图8为本实用新型提供的距离和压力感知的柔性传感系统的结构图。
48.符号说明：100-感知电极阵列，100-1-距离感知接收电极阵列，100-2-第二绝缘层，100-3-共用感知电极阵列，101-第一绝缘层，102-空腔结构阵列， 103-可压缩电介质，104-地电极，200-信号处理电路，201-信号匹配模块， 202-adc模块，203-信号处理芯片，204-微处理器，205-上位机，206-电容数字转换器。
具体实施方式
49.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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例，都属于本实用新型保护的范围。
50.本实用新型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。
51.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
52.本实用新型提供了一种距离和压力感知的柔性传感器，如图1所示，包括：感知电极阵列100、第一绝缘层101、空腔结构阵列102、可压缩电介质103 和地电极104。从顶层至底层依次设置感知电极阵列100、第一绝缘层101、可压缩电介质103和地电极104。空腔结构阵列102设置在第一绝缘层101中，并与可压缩电介质103连接。感知电极阵列100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。
53.感知电极阵列100、第一绝缘层101、空腔结构阵列102、可压缩电介质 103和地电极104均设置在柔性基板上。柔性基板为聚酰亚胺(pi)，电极为纳米银电极或纳米铜电极，可压缩电介质103的主体聚合物为由聚合物形成为聚二甲基硅氧烷(pdms)或共聚酯(ecoflex)。
54.感知电极阵列100设计了两种结构，对应地，柔性传感器具有7层或5 层，如图2-3所示。
55.参照图2，感知电极阵列100包括：距离感知接收电极阵列100-1、第二绝缘层100-2和共用感知电极阵列100-3。距离感知接收电极阵列100-1与第二绝缘层100-2连接，共用感知电极阵列100-3设置在第二绝缘层100-2中，第二绝缘层100-2与第一绝缘层101连接；共用感知电极阵列100-3与空腔结构阵列102相对设置。当柔性传感器用于感知距离时，共用感知电极阵列100-3 为距离感知发射电极阵列。当柔性传感器用于感知压力时，共用感知电极阵列 100-3为压力感知电极阵列。第二绝缘层100-2和第一绝缘层101可以合并为绝缘层，共用感知电极阵列100-3与空腔结构阵列102均位于绝缘层中。
56.距离感知接收电极阵列100-1包括5个电极。距离感知接收电极阵列100-1 的4个电极呈口字形分布在第二绝缘层100-2上方的边缘，1个电极位于第二绝缘层100-2上方的中心。
57.7层柔性传感器从顶层到底层依次是距离感知接收电极、第二绝缘层 100-2、距离感知发射电极阵列/压力感知电极阵列、第一绝缘层101、空腔结构阵列102、可压缩电介质103和地电极104。
58.参照图3，感知电极阵列100包括：距离感知接收电极阵列100-1和共用感知电极阵列100-3。距离感知接收电极阵列100-1和共用感知电极阵列100-3 均设置在第一绝缘层101的上方。当柔性传感器用于感知距离时，共用感知电极阵列100-3为距离感知发射电极阵列。当柔性传感器用于感知压力时，共用感知电极阵列100-3为压力感知电极阵列。
59.距离感知接收电极阵列100-1包括4个电极。4个电极呈口字形分布在第一绝缘层
101上方的边缘。共用感知电极阵列100-3位于第一绝缘层101上方的中心。5层柔性基板顶层结构图如图5所示。
60.5层柔性传感器从顶层到底层依次是距离感知接收电极阵列100-1和距离感知发射电极阵列/压力感知电极阵列、第一绝缘层101、空腔结构阵列102、可压缩电介质103层和地电极104。
61.以上两种结构的两种结构中的压力感知电极阵列100根据压力感知的分辨率要求调整阵列的维度和数量。维度通常设计为一维或者二维，如图6所示；数量越多，分辨率越高。压力感知电极阵列和空腔结构阵列102匹配，阵列单元的形状设计为圆形、螺旋形、多边形以提升压力感知的灵敏度和抗拉伸变形的能力。距离感知发射电极阵列设计成实心填充的，当电路容性负载驱动能力较低时设计成网格状的。
62.5层传感器设计方式需要将波形发生器的电压升高以获得较好的距离感知灵敏度。相比与7层传感器的设计，5层传感器由于缺少中心电极会导致距离感知在近距离时分辨率降低，但是由于距离感知接收电极阵列100-1和距离感知发射电极阵列/压力感知电极阵列都在顶层，可以增大远距离感知的极限距离和分辨率。
63.距离感知原理为：距离感知发射电极阵列接收高频电压信号后产生电场，当有物体进入电场时，距离感知接收电极的电势会发生变化。根据变化的电势可以获知物体到柔性传感器的距离。
64.参照图4，压力感知原理为：电容式压力传感器是基于嵌入介质的平行板电容结构。通过对电极施加垂直压力，电极之间的距离会发生变化，从而导致测量电容的变化。当有压力作用在柔性传感器表面时，压力感知电极阵列因为空腔结构阵列102的存在被压弯变形，电容增大；当压力进一步增强时，可压缩电介质103被压缩，电容进一步增大；根据压力感知电极阵列和地电极104 之间的电容值可以获知柔性传感器的表面的压力。
65.如图7所示，可压缩电介质103为多孔结构、沟槽结构或褶皱结构，以提升压力感知的灵敏度。可压缩电介质103掺杂了钛酸钡、锆钛酸铅等高介电常数的无机陶瓷纳米颗粒以提高其压力传感灵敏度。
66.本实用新型还提供了一种距离和压力感知的柔性传感系统，如图8所示，柔性传感系统包括：信号处理电路200、上位机205和前述的柔性传感器。
67.信号处理电路200分别与上位机205和柔性传感器的感知电极阵列100 连接。信号处理电路200用于切换距离感知和压力感知。
68.当信号处理电路200切换至距离感知时，信号处理电路200向柔性传感器的感知电极阵列100输出电压信号产生电场，接收感知电极阵列100的电势值，并将感知电极阵列100的电势值发送至上位机205。上位机205用于根据感知电极阵列100的电势值判断物体到柔性传感器的距离。
69.当信号处理电路200切换至压力感知时，信号处理电路200读取柔性传感器的感知电极阵列100与地电极104之间的电容值，并将电容值发送至上位机 205。上位机205还用于根据电容值判断柔性传感器表面的压力。
70.信号处理电路200的信号发生器模块产生高频交流电压信号，与距离感知发射电极阵列的所有电极连接产生电场；当有物体进入电场时，所述距离感知接收电极阵列100-1的电势会发生变化，所述信号处理电路200的信号匹配模块201的5个通道分别与所述距离
感知接收电极阵列100-1的5个电极相连，接收变化的电势信号；所述信号处理电路200的adc模块202将电势信号转化为数字量发送至所述上位机205；所述上位机205输入多个所述处理后的电势值后，输出电势值随时间变化的曲线和进入电场的物体距所述柔性基板表面的距离。
71.当有压力作用在所述柔性基板表面时，所述压力感知电极阵列因为压力感知真空结构阵列的存在被压弯变形，压力感知电极阵列和地电极104之间的距离减少，电容增大；当压力进一步增强时，所述可压缩电介质103被压缩，压力感知电极阵列和地电极104之间的距离进一步减少，电容进一步增大；所述信号处理电路200的电容数字转换器206会读取所述压力感知电极阵列和地电极104之间的电容值，并将转化为数字量的电容值发送至所述上位机205；所述上位机205输入电容值后，输出电容值随时间变化的曲线和作用在所述柔性基板表面的压力。所述信号处理电路200中的电容数字转换器206的16个通道与所述距离感知发射电极阵列/压力感知电极阵列的16个电极相连，接收电容信号；所述信号发生器内部微处理器204与信号处理芯片203使用i2c通信，传输电势信号；所述微处理器204与电容数字转换器206使用isp通信，传输电容信号；所述信号处理芯片203连接信号发生器，信号处理芯片203使用信号线连接adc模块202，所述adc模块202使用信号线连接信号匹配模块 201。信号处理电路200可以集成在传感器上，微处理器204可以采用stm32 系列单片机，也可以采用其他厂家的各种型号微处理器204，微处理器204可以采用数据线与上位机205连接，也可以采用各种无线连接方式。
72.信号处理电路200将采集到的数据通过串口借助自定义的通信协议发送给上位机205，上位机205也可以通过串口对信号处理电路200进行控制。
73.柔性传感系统还包括：信号发生器。信号发生器通过信号处理电路200与柔性传感器的感知电极阵列100连接。
74.信号处理电路200包括：信号处理芯片203、信号匹配模块201、adc模块202、微处理器204和电容数字转换器206。信号处理芯片203分别与信号发生器和感知电极阵列100的距离感知发射电极阵列连接，信号处理芯片203 用于向感知电极阵列100的距离感知发射电极阵列输出电压信号产生电场。信号匹配模块201分别与adc模块202和感知电极阵列100的距离感知接收电极阵列100-1连接，信号匹配模块201用于接收距离感知接收电极阵列100-1 的电势模拟信号，并将距离感知接收电极阵列100-1的电势模拟信号发送至 adc模块202。adc模块202通过信号处理芯片203与微处理器204连接， adc模块202用于将电势模拟信号转换为电势数字信号，并经信号处理芯片 203放大后传输至微处理器204。电容数字转换器206分别与微处理器204和感知电极阵列100的压力感知电极阵列连接，电容数字转换器206用于接收压力感知电极阵列与地电极104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204。微处理器204与上位机205连接，微处理器204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205。
75.上位机205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。
76.距离识别模块的输入端与信号处理电路200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。距离识别模块用于根据感知电极阵列100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。电势变化曲线
显示模块用于显示感知电极阵列100中每个电极的电势值随时间变化的曲线。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。
77.压力识别模块的输入端与信号处理电路200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。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104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。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104之间的电容值随时间变化的曲线。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。
78.电势值与距离的多项式拟合曲线和电容值与压力的多项式拟合曲线均为现有已公开技术。
79.所述上位机205设计了串口通信参数控制模块主要用于调试电路处理电路，控制信号采集和传输速率。设计了电势值/电容值随时间变化曲线显示模块用于观察数据特征，如响应时间，回程误差等评价指标。设计了距离显示模块使用柱面坐标，以柔性传感器所贴附场景的曲率中心为坐标轴，直观的显示物体距离传感器表面的距离。设计了压力显示模块的分辨率与压力感知电极阵列的数量和维度相匹配，以显示压力在传感器表面的位置和压力大小。上位机 205采用python创建，也可用labview或c++创建。串口通信参数控制模块主要用于调试电路处理电路，控制信号采集和传输速率。
80.本实用新型提供的距离和压力感知的柔性传感器，结合了距离感知和压力感知，能耗低，响应速度快，实现类似人体皮肤的功能。本实用新型提供的柔性化的传感器可贴附于多种物体表面，为多种场景的应用提供了解决方案。本实用新型可以用于智能家居，医疗场所，机器人领域等多种场景，例如，覆盖运动机器臂的关键位置，可以提高物体和人类操作人员在其周围环境中的安全性。
81.在一个示例中，本实用新型提供的距离和压力感知的柔性传感器，结合了距离感知和压力感知，能耗低，响应速度快，实现类似人体皮肤的功能。本实用新型提供的柔性化的传感器可贴附于多种物体表面，为多种场景的应用提供了解决方案。本实用新型可以用于智能家居，医疗场所，机器人领域等多种场景，例如，覆盖运动机器臂的关键位置，可以提高物体和人类操作人员在其周围环境中的安全性。
82.在一个示例中，将多个距离和压力感知的柔性传感器贴附在机械臂上，连接信号处理电路200和上位机205，通过对传感系统编程，使机械臂和人有一定的交互能力。如当人的手在传感器一定距离悬停时，让机械臂停止运动，当人的手按压传感器表面时，机械臂执行某一动作。
83.自然界存在一种弱电鱼，可以主动电定位，在此过程中，释放脉冲电流，并通过皮肤上的电感受器可以探测到附近物体引起的信号变化；皮肤表面还分布着大量的触觉感受器，触觉感受器分为i型和ⅱ型，i型感受器位置较浅，压力感知范围小，但定位精度较高，ⅱ型位置较深，压力感知范围大，但定位精度较差。本实用新型根据弱电鱼获取外界信息机制，提供了一种距离和压力感知的柔性传感系统，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，为可穿戴电子领域、机器人等领域提供新的人机交互解决方案。
84.本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例
的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。