CN217494322U - 多电极层堆叠式电子皮肤、机械臂及机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种多电极层堆叠式电子皮肤、机械臂及机器人，该多电极层堆叠式电子皮肤包括：第一电极层，所第一电极层包括第一电极，第一电极能够与接近的导体构成电容；以及第二电极层，第二电极层包括至少一块第二电极，所有第二电极的面积均小于第一电极，所有第二电极能够与接近的导体构成电容；其中，第一电极层与第二电极层层叠设置，所有第二电极在垂直方向上的投影均处于第一电极上。本实用新型多电极层堆叠式电子皮肤在保证较大的感应范围(包含检测距离和正投影检测区域)的同时，还能够实现对接近物体具体方位的精确感知。

Description

多电极层堆叠式电子皮肤、机械臂及机器人

技术领域

本实用新型涉及传感技术领域，特别涉及一种多电极层堆叠式电子皮肤、机械臂及机器人。

背景技术

随着传感技术的快速发展，电子皮肤正逐渐出现在大众视野，并应用于医疗、可穿戴设备、机器人等众多领域。

电子皮肤可通过附着于机器人的表面，使其拥有类似人类皮肤的感知系统，帮助其获知外界的环境信息，以作出相应的回应动作。然而，现有的电子皮肤仅能感知到物体的接近，感应精度单一，无法进一步识别接近物体的具体方位。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提出一种多电极层堆叠式电子皮肤，旨在解决现有的电子皮肤不能精确感知接近物体具体方位的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提出一种多电极层堆叠式电子皮肤，该多电极层堆叠式电子皮肤包括：

第一电极层，第一电极层包括第一电极，第一电极能够与接近的导体构成电容；以及

第二电极层，第二电极层包括至少一块第二电极，所有第二电极的面积均小于第一电极，所有第二电极能够与接近的导体构成电容；

其中，第一电极层与第二电极层层叠设置，所有第二电极在垂直方向上的投影均处于第一电极上。

其中，第二电极层包括一块第二电极，第二电极的中心点与第一电极的中心点投影重叠或相邻近；或，

第二电极层包括两块第二电极，两块第二电极间隔且对称布置；或，

第二电极层包括两块以上第二电极，多块第二电极间隔且环绕一中心点布置。

其中，多电极层堆叠式电子皮肤还包括：

第三电极层，第三电极层包括至少一块第三电极，第三电极能够与接近的导体构成电容；

各第三电极与各第二电极交叉或错位布置，且所有第三电极在垂直方向上的投影均处于第一电极上。

其中，第三电极层的面积小于第二电极层的面积，且所有第三电极在垂直方向上的投影均处于第二电极层上。

其中，第一电极和/或第二电极和/或第三电极为圆形、扇形、多边形或不规则图形中的至少一种。

其中，多电极层堆叠式电子皮肤还包括设置在第一电极层、第二电极层、第三电极层之间及外侧的绝缘层，相邻的两绝缘层相贴合以形成对位于其中的每块电极的独立密封。

其中，多电极层堆叠式电子皮肤还包括：

检测电路，检测电路分别与各电极层的电极连接，检测电路用于生成表征电容或其变化量的电信号。

本实用新型还提出一种机械臂，该机械臂包括前述记载的多电极层堆叠式电子皮肤。

本实用新型还提出一种机器人，该机器人包括前述记载的机械臂。

与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果在于：

本多电极层堆叠式电子皮肤中通过将第二电极层与第一电极层层叠设置，其中，第二电极层的所有第二电极的面积均小于第一电极层的第一电极，所有第二电极在垂直方向上的投影均处于第一电极上，因此第二电极层的检测距离小于第一电极层的检测距离；当导体接近本多电极层堆叠式电子皮肤，可根据侦测的第一电极的电容变化判断该导体进入到第一电极层的检测范围；进一步地，若侦测到第二电极层中的全部或部分第二电极产生电容变化，则判定该导体进入了第二电极层的检测范围，并根据具体哪一第二电极产生电容变化而精准获知导体所处方位；简而言之，本电子皮肤在保证较大的感应范围(包含检测距离和正投影检测区域)的同时，还能够实现对接近物体具体方位的精确感知。

附图说明

图1为本实用新型一实施例中多电极层堆叠式电子皮肤的电极层布置示意图；

图2为本实用新型一实施例中多电极层堆叠式电子皮肤的电极层布置示意图；

图3为本实用新型一实施例中多电极层堆叠式电子皮肤的电极层布置示意图；

图4为本实用新型一实施例中多电极层堆叠式电子皮肤的电极层布置示意图；

图5为本实用新型一实施例中多电极层堆叠式电子皮肤的电极层布置示意图；

图6为本实用新型一实施例中多电极层堆叠式电子皮肤的电极层布置示意图；

图7为本实用新型一实施例中多电极层堆叠式电子皮肤的电极层布置示意图；

图8为本实用新型一实施例中多电极层堆叠式电子皮肤的电极层布置示意图；

图9为本实用新型一实施例中多电极层堆叠式电子皮肤的电极层布置示意图；

图10为本实用新型一实施例中多电极层堆叠式电子皮肤的电极层布置示意图；

图11为本实用新型一实施例中多电极层堆叠式电子皮肤的结构示意图；

图12为本实用新型一实施例中多电极层堆叠式电子皮肤的结构示意图。

具体实施方式

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方案进行清楚完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型中的一部分实施例，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作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。

本文的实施例方式整体涉及一种利用自电容感应原理(互电容感应原理亦可应用本实用新型的提供方案)与其接近或接触的物体进行接近程度感测的电子皮肤，以及其进一步的应用，例如：设置有电子皮肤的机械臂，设置有设置有电子皮肤的机械臂的机器人。在本实用新型中，电子皮肤主要用于设置于机械臂之上，作为与其接近或接触的物体的感测元件。

参阅图1和图2，图1和图2分别为本实用新型一实施例中多电极层堆叠式电子皮肤的电极层布置示意图：

本实用新型提出一种多电极层堆叠式电子皮肤，该多电极层堆叠式电子皮肤包括：

第一电极层100，第一电极层100包括第一电极101，第一电极101能够与接近的导体构成电容；以及

第二电极层200，第二电极层200包括至少一块第二电极201，所有第二电极201的面积均小于第一电极101，所有第二电极201能够与接近的导体构成电容；

其中，第一电极层100与第二电极层200层叠设置，所有第二电极201在垂直方向上的投影均处于第一电极101上。

本实施例的多电极层堆叠式电子皮肤中，作为其组成层，第一电极层100包括第一电极101，第二电极层200包括至少一块第二电极201，第一电极层100和第二电极层200各自所包括的电极能够与接近的导体构成电容。其中，一块电极分别相当于电容器的一个单板，能够与检测电路连接，即多块电极与检测电路对应结合相当于多个电容传感器，电极层中的电极与检测电路结合既满足了电容器的条件，也满足了将被测量的物理量或机械量转换成电容量变化，以供检测电路通过激起LC振荡或者快速充放电等方法主动对其进行检测处理的条件。电容传感器将接近对象与电极层的电极之间的距离变化转化为电容的电容量变化，通过检测电路计算电容的电容量，从而得到接近对象与电极层的电极之间的距离。因此，在侦测到哪一电极层的电极产生电容变化时，即可判定导体进入到该电极层的检测范围。

其中，第一电极101、第二电极201可以采用铜、金等金属材料制成。第一电极101和第二电极201可以设置为相同形状或不同形状，且所设置的形状可以是圆形、矩形等，根据实际情况选择。以第二电极层200包括一块第二电极201的设置情况为例，如图1所示，第一电极101和第二电极201设置为相同形状，二者均为矩形；又比如，如图2所示，第一电极101和第二电极201设置为不同形状，第一电极101为矩形，第二电极201为圆形。以上仅为示例性的，并非限制性的。

当然，除第一电极层100和第二电极层200以外，电子皮肤还可以设置其它组成层，其它组成层可以是其它电极层或绝缘层等，且其它组成层与第一电极层100、第二电极层200的位置关系根据实际情况设置。并且，需要说明的是，在本技术方案中，当电极层中具有多块电极时，多块电极在该电极层中为平铺设置，且相邻电极之间相互间隔绝缘。

其中，第一电极层100和第二电极层200层叠设置，具体地，第二电极层200可以是设置于第一电极层100之上或之下。进一步地，电极层的检测范围由其电极的面积大小决定，所有第二电极201的面积均小于第一电极101，所有第二电极201在垂直方向上的投影均处于第一电极101上，因此，第二电极层200的检测距离小于第一电极层100的检测距离。第一电极101和第二电极201的面积大小以及二者之间的面积比根据实际情况设置，在此不作限制。

以图1所示出的电极层布置为例，假设在第一电极101和所有第二电极201分别为不同特定面积的情况下，第一电极层100的检测距离为10cm，第二电极层200的检测距离为5cm。在侦测到第一电极101产生电容变化的初始时间点，接近的导体进入第一电极层100的检测范围，可以获知接近的导体的距离为10cm；在此基础上，在侦测到第二电极201产生电容变化的初始时间点，接近的导体进入第二电极层200的检测范围，可获知接近的导体的距离为5cm。

容易理解的是，在仅侦测到第一电极101产生电容变化时，导体进入第一电极层100的与第二电极层200相错开的检测范围；在侦测到第一电极101和第二电极201产生电容变化时，导体进入第一电极层100和第二电极层200相重合的检测范围。

也即，当导体接近本多电极层堆叠式电子皮肤，可根据侦测的第一电极101的电容变化判断该导体进入到第一电极层100的检测范围；进一步地，若侦测到第二电极层200中的全部或部分第二电极201产生电容变化，则判定该导体进入了第二电极层200的检测范围，并根据具体哪一第二电极201产生电容变化而精准获知导体所处方位。

简而言之，本电子皮肤在保证较大的感应范围(包含检测距离和正投影检测区域)的同时，还能够实现对接近物体具体方位的精确感知。

参阅图1、图2以及图3至图7，图3至图7分别为本实用新型一实施例中多电极层堆叠式电子皮肤的电极层布置示意图：

在一些实施例中，第二电极层200包括一块第二电极201，第二电极201的中心点与第一电极101的中心点投影重叠或相邻近；或，

第二电极层200包括两块第二电极201，两块第二电极201间隔且对称布置；或，

第二电极层200包括两块以上第二电极201，多块第二电极201间隔且环绕一中心点布置。

本实施例中，第二电极层200中第二电极201的设置形式包括多种，根据第二电极201数量的不同，对应地，第二电极201的设置形式不同。

具体地，参阅图1和图2，在第二电极层200仅包括一块第二电极201时，具体设置为第二电极201的中心点与第一电极101的中心点投影重叠或相邻近，第二电极201相对处于第一电极101的中间位置。当第一电极101检测到导体的接近距离小于第二电极201的检测距离时，若侦测到第二电极201产生电容变化，可判定导体自第二电极201所对应的方位迫近，即第一电极101的中间位置；若未侦测到第二电极201产生电容变化，可判定导体自其它方位迫近，即第一电极101的边缘位置。

参阅图3和图4，在第二电极层200包括两块第二电极201时，具体设置为两块第二电极201间隔且对称布置。作为优设，两块第二电极201之间的对称点可与第一电极101的中心点投影重叠或相邻近，当仅侦测其中的一块第二电极201产生电容变化，可判定导体自该块第二电极201所对应的方位迫近；当同时侦测到两块第二电极201产生电容变化，可判定导体自两块第二电极201所对应的方位迫近，如第一电极101的中间位置。

参阅图5至图7，在第二电极层200包括两块以上第二电极201，多块第二电极201间隔且环绕一中心点布置。作为优设，多块第二电极201所环绕的中心点可与第一电极101的中心点投影重叠或相邻近，当仅侦测到其中的一块第二电极201产生电容变化，可判定导体自该块第二电极201所对应的方位迫近；当同时侦测到其中相邻的几块第二电极201产生电容变化，可判定导体自多块第二电极201所对应的方位迫近；当同时侦测到全部第二电极201产生电容变化，可判定导体自多块第二电极201所对应的方位迫近，如第一电极101的中间位置。

根据第二电极层200中第二电极201为不同数量的多种情形，对应作出上述设置布局，便于判断物体方位。

参阅图8至图10，图8至图10分别为本实用新型一实施例中多电极层堆叠式电子皮肤的电极层布置示意图：

在一些实施例中，多电极层堆叠式电子皮肤还包括：

第三电极层300，第三电极层300包括至少一块第三电极301，第三电极301能够与接近的导体构成电容；

各第三电极301与各第二电极201交叉或错位布置，且所有第三电极301在垂直方向上的投影均处于第一电极101上。

本实施例中，第三电极层300属于多电极层堆叠式电子皮肤的组成层，第三电极层300可以是设置第一电极层100/第二电极层200之上或之下，且其中包括第三电极层300设置于第一电极层100与第二电极层200之间；第三电极层300包括至少一块第三电极301，与第一电极101、第二电极201一致，第三电极301也能够与接近的导体构成电容，可参阅前述实施例中关于电极的工作原理。

其中，第三电极301与第二电极201交叉布置，即第三电极301与第二电极201在垂直方向上的投影部分重叠。第三电极301与第二电极201的交叉布置形式可以为多种，如图8和图9所示，第三电极301为一块，第二电极201为多块，多块第二电极201面积相同且以绕一中心点设置，第三电极301位于该中心点位置处，并与各第二电极201在垂直方向上的投影部分重叠；又如图10所示，第三电极301和第二电极201均为多块且面积相同，多块第三电极301依次并排设置，多块第二电极201依次并列设置，即呈阵列式交叉布置，各第三电极301与各第二电极201在垂直方向上的投影部分重叠。

或者，第三电极301与第二电极201错位布置，即第三电极301与第二电极201在垂直方向上的投影完全不重叠。该布置形式的作用效果与无第三电极层300、第二电极层200采用多个第二电极201的作用效果一致，一种是多个电极布置在同层(第二电极层200的多个第二电极201)，另一种是多个电极布置在不同层(第二电极层200的多个第二电极201和第三电极层300的多个第三电极301)，二者仅是多个电极为同层或分层设置的区别。

然而，第三电极301与第二电极201无论是交叉布置或错位布置，可以面积相同，也可以面积不同，根据具体情况设置。

基于第三电极301与第二电极201的交叉布置或错位布置，若侦测到第二电极层200中的全部或部分第二电极201和/或第三电极层300的全部或部分第三电极301是否产生电容变化，则判定该导体进入了第二电极层200和/或第三电极层300的检测范围；并根据具体哪一第二电极201和/或第三电极301产生电容变化，以综合判断导体所处方位。以图10所示出的电极层布置为例，第二电极层200中从前至后布置四块第二电极201，第三电极层300中从左至右布置四块第三电极301，阵列式交叉布置以形成4×4＝16个正投影检测区域。若左一的第三电极301和前一的第三电极301产生电容变化，导体位于二者交错重合的位置，此时可判断导体自左前角的方位迫近；若右一的第三电极301和后一的第三电极301产生电容变化，相应地，此时可判断导体自右后角的方位迫近。至于其它情况，可据此推导，在此不作过多阐述。通过增设第三电极层300，使得所测得的导体的方位信息更加精准，可进一步提高对于接近物体的定位精度。

在一些实施例中，第三电极层300的面积小于第二电极层200的面积，且所有第三电极301在垂直方向上的投影均处于第二电极层200上。本实施例中，如图8和图9所示，所有第三电极301在垂直方向上的投影均处于第二电极层200上，第三电极层300的面积小于第二电极层200的面积，即第三电极层300与第二电极层200之间存在面积差可形成第三电极层300与第二电极层200正投影检测区域的错位，便于判断物体方位。

在一些实施例中，第一电极101和/或第二电极201和/或第三电极301为圆形、扇形、多边形或不规则图形中的至少一种。

本实施例中，第一电极101、第二电极201、第三电极301可以是圆形、扇形、多边形或不规则图形中的任意一种，其中的第一电极101、第二电极201、第三电极301的图形可以相同，也可以不相同。

如图8所示，第一电极101的数量为一块且为矩形，第二电极201的数量为四块且均为矩形，四块第二电极201组合成矩形，第三电极301的数量为一块且为矩形；如图9所示，第一电极101的数量为一块且为矩形，第二电极201的数量为四块且均为矩形，四块第二电极201组合成矩形，第三电极301的数量为一块且为圆形。

或者，在一实施方案中，第一电极101的数量为一块且为矩形，第二电极201的数量为多块且均为扇形，多块第二电极201组合成圆形，第三电极301的数量为一块且为圆形或矩形。

以上所例举的仅为各电极层电极设置方式的若干种，包括但不仅限于此，具体应用时可根据实际情况设置。

参阅图11和12，图11和图12分别为本实用新型一实施例中多电极层堆叠式电子皮肤的结构示意图：

在一些实施例中，多电极层堆叠式电子皮肤还包括设置在第一电极层100、第二电极层200、第三电极层300之间及外侧的绝缘层400，相邻的两绝缘层400相贴合以形成对位于其中的每块电极的独立密封。

其中，绝缘层400采用绝缘材料制成，比如聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯形成的材料。第一电极层100、第二电极层200、第三电极层300中的每块电极，所对应的相邻的两绝缘层400在其周沿处相贴合以将其独立密封，起到电极绝缘和保护电极的作用。

在一些实施例中，多电极层堆叠式电子皮肤还包括：

检测电路，检测电路分别与各电极层的电极连接，检测电路用于生成表征电容或其变化量的电信号。

其中，各电极层的电极可以预留电连接点，检测电路通过连接电连接点而与电极层的电极连接。其中，当一个电极层包括多块电极时，电极上的电连接点可布置于多块电极的相邻位置，便于检测电路接线布线。并且，检测电路可以设计于独立的一块检测电路板上，也可集成于控制电路板上，根据实际情况设置。当任一电极层的任一块电极与接近的导体构成电容，检测电路将对应生成表征电容或其变化量的电信号。

本实用新型还提出一种机械臂，该机械臂包括前述记载的多电极层堆叠式电子皮肤，该多电极层堆叠式电子皮肤的具体结构参照上述实施例，由于本机械臂采用了上述所有实施例的所有技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的全部技术效果，在此不再一一赘述。

本实用新型还提出一种机器人，该机器人包括前述记载的机械臂，该机械臂的具体结构参照上述实施例，由于本机器人采用了上述所有实施例的所有技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的全部技术效果，在此不再一一赘述。

以上所述的仅为本实用新型的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本实用新型保护的范围，凡是在与本实用新型一个整体的构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型保护的范围内。

Claims (9)

1.一种多电极层堆叠式电子皮肤，其特征在于，包括：

第一电极层，所述第一电极层包括第一电极，所述第一电极能够与接近的导体构成电容；以及

第二电极层，所述第二电极层包括至少一块第二电极，所有所述第二电极的面积均小于所述第一电极，所有所述第二电极能够与接近的导体构成电容；

其中，所述第一电极层与所述第二电极层层叠设置，所有所述第二电极在垂直方向上的投影均处于所述第一电极上。

2.根据权利要求1所述的多电极层堆叠式电子皮肤，其特征在于，

所述第二电极层包括一块所述第二电极，所述第二电极的中心点与所述第一电极的中心点投影重叠或相邻近；或，

所述第二电极层包括两块所述第二电极，两块所述第二电极间隔且对称布置；或，

所述第二电极层包括两块以上所述第二电极，多块所述第二电极间隔且环绕一中心点布置。

3.根据权利要求1所述的多电极层堆叠式电子皮肤，其特征在于，还包括：

第三电极层，所述第三电极层包括至少一块第三电极，所述第三电极能够与接近的导体构成电容；

各所述第三电极与各所述第二电极交叉或错位布置，且所有所述第三电极在垂直方向上的投影均处于所述第一电极上。

4.根据权利要求3所述的多电极层堆叠式电子皮肤，其特征在于，

所述第三电极层的面积小于所述第二电极层的面积，且所有所述第三电极在垂直方向上的投影均处于所述第二电极层上。

5.根据权利要求3所述的多电极层堆叠式电子皮肤，其特征在于，

所述第一电极和/或所述第二电极和/或所述第三电极为圆形、扇形、多边形中的至少一种。

6.根据权利要求3所述的多电极层堆叠式电子皮肤，其特征在于，还包括设置在所述第一电极层、所述第二电极层、所述第三电极层之间及外侧的绝缘层，相邻的两所述绝缘层相贴合以形成对位于其中的每块电极的独立密封。

7.根据权利要求1-6任一项所述的多电极层堆叠式电子皮肤，其特征在于，还包括：

检测电路，所述检测电路分别与各电极层的电极连接，所述检测电路用于生成表征所述电容或其变化量的电信号。

8.一种机械臂，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的多电极层堆叠式电子皮肤。

9.一种机器人，其特征在于，包括权利要求8所述的机械臂。

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