CN113103259A - 一种可扩展的交互式柔性机器人皮肤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可扩展的交互式柔性机器人皮肤。包括皮肤结构单元，包括发光交互模块、地址配置开关、柔性迫近传感阵列、数据读取电路和机器人皮肤扩展接口，柔性迫近传感阵列连接到数据读取电路，数据读取电路经机器人皮肤扩展接口连接到外部微控制单元，同时数据读取电路连接地址配置开关，地址配置开关用于配置数据读取电路的通信地址进而控制数据读取电路和外部微控制单元之间的通信关系；外部微控制单元经过机器人皮肤扩展接口和发光交互模块连接。本发明实现了一种具有迫近感知、检测结果原位可视化以及可扩展功能的柔性机器人皮肤，有利于实现大面积的工作环境检测，保证人机交互过程的安全性和提高人机交互过程的效率及流畅性。

Description

一种可扩展的交互式柔性机器人皮肤

技术领域

本发明涉及柔性传感器的技术领域的一种机器人皮肤，具体是一种可扩展的交互式柔性机器人皮肤。

背景技术

随着机械电子和控制科学的发展，机器人在我们的日常生产生活中正占据日益重要的地位，越来越多的人机交互场景也随之出现。在包括智能制造和服务型机器人在内的一系列人机交互场景中，安全性是应当被最先考虑和保证的环节，因此对机器人的环境感知能力提出了更高的要求。

机器人皮肤可以在保证机器人原有结构和功能的情况下有效地扩展机器人的感知能力。目前对于机器人皮肤的研究和应用主要集中于压力传感器的结构和性能优化，安全策略为接触和碰撞发生后的急停与避让，无法规避接触本身带来的伤害，同时对机器人的运动速度和反应时间也有较高要求，难以满足人机交互过程中对于安全性的要求。此外，当前机器人皮肤研究领域的成果一般聚焦于传感器本体的研发和性能的提高，而较少考虑如何对机器人皮肤的单体进行扩展和级联，这使得机器人皮肤无法在机器人本体进行大面积的覆盖从而消除检测盲区，同样难以保证人机交互过程中的本质安全。再者，一般的机器人皮肤不能给予交互对象直观反馈，而是将机器人皮肤获得的传感数据处理、传输至机器人本体控制器，进行分析和决策，并使机器人本体以驱动机械臂的方式或其他控制策略给予交互对象反馈。由于视觉是人类和机器人获取信息的主要输入源，这种以机器人运动控制为核心的交互机制，对于机器人的交互对象(如人和其他与之协作的机器人)来讲，效率低、延迟高、不直观，制约了人机交互或是群体机器人之间交互的进一步发展。

通过机器人皮肤为机器人本体赋予迫近感知功能，有助于实现无接触条件下的安全人机交互。相比于传统的基于视觉的碰撞规避方法，基于电容的迫近感知极大地减少了检测盲区的存在，将皮肤全身覆盖后可以实现全工作空间的碰撞规避。此外，通过将传感器进行阵列式排布的方式，可以有效地提高传感器的空间分辨率，不仅可以实现更高精度的检测，也可以使机器人皮肤成为机器人的操作者或者服务对象发出指令和表达情感的载体和界面。

为了使得机器人具备给予交互对象直观反馈的能力，一个可靠且易于实现的方法是将发光机制赋予机器人皮肤，使机器人皮肤可以实现对检测结果的原位视觉反馈，而不经过机器人本体控制器分析处理，实时计算人机距离和人机接触力信息并快速给予视觉反馈，从而显著优化整个交互过程。当与机器人交互的人接近正在运行的机器人或发生人机意外碰撞时，机器人皮肤利用发光交互快速给出人容易捕捉到的危险分析、警告视觉信号，预警风险系数或评估意外碰撞损伤程度，快速有效地提升人机交互的安全性。对于智能制造中的人机协作，视觉反馈可以使操作人员更加直观而迅速地得知电子皮肤的检测结果，提升工作效率；对于服务型机器人，视觉反馈则可以使整个服务过程更加生动，提升参与者的观感和参与度。

发明内容

为了解决当前应用于人机交互中的机器人皮肤存在的无法完全满足安全性要求、检测结果没有直观视觉反馈的问题，本发明提出了一种可扩展的交互式柔性机器人皮肤。实现了一种具有迫近感知、检测结果原位可视化以及可扩展功能的柔性机器人皮肤，有利于实现大面积的工作环境检测，保证人机交互过程的安全性和提高人机交互过程的效率及流畅性。

本发明所采用的技术方案为：

本发明包括至少一个皮肤结构单元，皮肤结构单元主要由发光交互模块、地址配置开关、柔性迫近传感阵列、数据读取电路和机器人皮肤扩展接口构成，柔性迫近传感阵列输出端连接到数据读取电路，数据读取电路经机器人皮肤扩展接口连接到外部微控制单元，同时数据读取电路连接地址配置开关，地址配置开关用于配置数据读取电路的通信地址进而控制数据读取电路和外部微控制单元之间的通信关系；外部微控制单元经过机器人皮肤扩展接口和发光交互模块连接。

所述发光交互模块为可寻址可编程发光器件，通过具体程序的设计针对不同的应用场景实施不同的发光交互模式，即指发光交互模块针对物体与机器人皮肤之间的距离以及应用场景的不同，产生诸如改变颜色、闪烁、跟随的发光交互模式；所述物体与机器人皮肤之间的距离由柔性迫近传感阵列检测。

具体实施中，可寻址可编程发光器件采用WS2812B型LED灯珠构成。

下面针对这三种发光交互模式进行具体介绍。

所述的不同发光交互模式是指发光交互模块可以针对物体距离电子皮肤的距离以及应用场景的不同，产生包括但不限于改变颜色、闪烁、跟随的发光交互模式，下面针对这三种发光交互模式进行具体介绍。

在智能制造等工业应用场景中，设置针对外部物体和机器人皮肤之间的距离的反馈，对于不同的距离范围设置不同的反馈颜色。一是方便操作人员在对机器人进行示教和日常操作的时候直观迅速的对距离进行读取，有效地提高工作效率；二是在距离达到限制值的时候通过闪烁的方式向操作人员进行报警，避免发生危险威胁操作人员的安全或者对机器人自身的结构造成损坏。

在服务型机器人的应用场景中，针对用户的抚摸、点击和拍打等常见的接触方式设置对应的交互模式，如抚摸时可使光源始终跟随手部的运动轨迹，点击或拍打时可使接触点对应的光源以不同频率闪烁等等。同时由于服务型机器人经常会处理一些诸如递送物品的非结构化任务，如前所述本发明的柔性机器人皮肤可以作为相应指令的输入端，因此在皮肤表面以规律接触后作为指令输入，然后通过改变颜色和亮度等方式告知操作者指令已被成功识别也是十分有必要的。

所述的发光交互模式均能有效提升被服务者的观感和参与度，使得人机交互更加流畅和易于接受。

如图2所示，所述柔性迫近传感阵列主要是由M行N列正交阵列排布的柔性迫近感知电极组成，每条柔性迫近感知电极是由多个金属片沿直线排列并串联接构成，位于中间部分的各个金属片均为尺寸相同的正方形，且正方形的一对角线沿直线方向布置，位于两端的两片金属片均为由正方形对角切一半获得的等腰三角形，等腰三角形的中心线沿直线方向布置；相邻两片金属片之间均通过一段条形金属片连接；

柔性迫近感知电极阵列后的柔性迫近传感阵列中，每条沿行方向布置的柔性迫近感知电极中的位于中间部分的金属片位于沿列方向布置的两条相邻的柔性迫近感知电极的金属片之间形成的空位区域中，使得所有柔性迫近传感阵列的金属片之间均具有相同的间隔/间隙，形成各个金属片的间隔阵列均布；各个柔性迫近感知电极中位于两端的金属片处于柔性迫近传感阵列的边缘，围成了柔性迫近传感阵列正方形的***边。

更具体地，按照图1所述排列的方式构成大小包括但不限于6×6的阵列，柔性迫近感知电极的行与列正交处构成柔性迫近传感阵列的基本感知单元。更具体的，所述柔性迫近感知电极的材料具体实施采用镀金铜箔作为传感材料，不仅具有良好的导电性，有利于提高迫近感知的量程，同时镀金层可以增强性迫近感知电极的耐磨性，延长本发明的柔性机器人皮肤的使用寿命。

本发明采用金属片条形布置的柔性迫近感知电极构成的柔性迫近传感阵列，在同一层布置了行电极和列电极，并非是在不同层分别不是行电极和列电极，能够显著提高空间利用率，提高了皮肤感知的效率。

所述柔性迫近感知电极的材料由柔性印刷电路技术中的可印制导电材料构成，如镀金铜箔，纳米金属，纳米碳材料，高分子导电聚合物，离子导体。优选地，本发明采用镀金铜箔作为传感材料不仅具有良好的导电性，有利于提高迫近感知的量程，同时镀金层可以增强性迫近感知电极的耐磨性，延长本发明的柔性机器人皮肤的使用寿命。

在实际检测中，柔性迫近感知电极的行与列正交处的四片等腰直角三角形的金属片组成了柔性迫近传感阵列的基本感知单元，一共有M×N个基本感知单元；检测是以基本感知单元为基本结构密度进行检测。

所述的基本感知单元的感知面积，由行电极和列电极对应正交节点处的电极面积互补构成。所述基本感知单元的面积对应的二维形状应可以随着行数、列数的增加均匀地填充整个柔性迫近传感阵列对应的感知区域(如，菱形和正方形)，优选地，本发明采用菱形的形状设计，保证基本感知单元面积的均一性，以及行列电极之间的对称性，从而保证M×N个基本感知单元迫近感知性能的一致性。

利用基本感知单元的接近感知，形成投射式自电容感知原理，在恒定直流电流I输入的条件下向柔性迫近感知电极的所有行、列电极充电，通过记录充电时间T和充电峰值电压V计算柔性迫近感知电极的所有行、列电极的自电容值C，关系式为C＝(I×T)/V；当外部物体接近基本感知单元时，基本感知单元附近的投射电场分布和强度发生改变，影响了基本感知单元对应的行、列电极的充电时间和充电峰值电压，进而改变基本感知单元对应的行、列电极的自电容值，即可通过自电容值的改变程度反映外部物体的接近程度；外部物体接近的位置由柔性迫近感知电极中对应的行电极和列电极是否有自电容值的改变确定。

利用基本感知单元的接触感知原理，外部物体与柔性迫近感知电极的任意或任一行、列电极发生接触时，对应的行、列电极的自电容值会发生阶跃式跳变，通过设定自电容检测阈值可以判断外部物体是否与柔性迫近感知电极的任意或任一行、列电极发生接触；外部物体触摸或发生接触的位置由柔性迫近感知电极中对应的行电极和列电极是否有自电容值的改变确定。

本发明采用电容式迫近感知的方式，采用单电极式迫近传感器进行阵列式排布，构成了本发明的柔性迫近传感阵列，使得机器人皮肤具备高空间分辨率的接近感知功能。

接近感知的实现弥补了常规机器人视觉存在的固有局限性，这种感知能力不受环境光线、能见度以及视觉盲区的影响，是机器人的“第二视觉”，可以实现用户和机器人之间的非接触式安全人机交互。同时，得益于柔性迫近传感阵列的较高分辨率，本发明的柔性机器人皮肤在附着于机器人本体之后可以作为操作者指令的输入端，操作者通过触摸的方式输入特定轨迹，柔性迫近传感阵列通过轨迹识别将触摸识别为指令，从而使机器人完成特定任务。发光交互模块通过将传感信号以颜色或亮度的形式进行直观显示，实现了对于传感器检测结果的视觉反馈，使得机器人皮肤可以对检测到的距离参数进行直观的发光交互。本发明的“交互式”体现在上述的触摸交互和发光交互两部分。

所述发光交互模块包括多个发光交互元件，多个发光交互元件均排布在柔性电子皮肤的外周，即柔性迫近传感阵列的周围，柔性迫近传感阵列中每一行和每一列的柔性迫近感知电极均对应有一个发光交互元件，发光交互元件用于指示对应的柔性迫近感知电极的迫近感知状态，通过行列对应的发光交互元件定位物体与机器人皮肤的相对迫近区域。

所述数据读取电路主要包括一个传感数据处理芯片和一个稳压芯片，传感数据处理芯片和稳压芯片连接，传感数据处理芯片分别和柔性迫近传感阵列、机器人皮肤扩展接口、地址配置开关连接，数据读取电路的传感数据处理芯片读取来自柔性迫近传感阵列的感知数据，并将读取到的感知数据经机器人皮肤扩展接口发送至外部微控制单元。传感数据处理芯片支持IIC通信协议，并具有四个可选的IIC地址。

所述外部微控制单元根据数据和预先编制的程序控制发光交互模块的交互模式，并将数据发送至机器人控制***指导机器人的动作。

如图3所示，包括多个皮肤结构单元，多个皮肤结构单元通过机器人皮肤扩展接口和接线串接到同一个外部微控制单元，外部微控制单元通过轮询多个皮肤结构单元中的地址配置开关所配置的地址来选择性读取多个皮肤结构单元各自的传感数据处理芯片采集到的柔性迫近传感阵列的传感数据，形成可扩展的交互式柔性机器人皮肤。

所述地址配置开关具体采用四路拨码开关，选择四个互不相同的IIC地址，一个外部微控制单元同时控制多块不同的皮肤结构单元，从而实现了可扩展功能。

所述机器人皮肤扩展接口由5个焊盘构成，分别是用于供电的电源引脚5V和接地引脚GND、用于MPR121芯片IIC通讯的引脚SCL和引脚SDA以及用于控制发光交互模块的引脚DIN。在具体使用时将排线焊接于不同部分的机器人皮肤扩展接口即可完成各部分的连接。

所述的发光交互模块、地址配置开关、柔性迫近传感阵列、数据读取电路和机器人皮肤扩展接口集成在同一柔性印刷电路上，采用柔性印刷电路技术一体化异构集成。

皮肤结构单元相互之间的连接以及皮肤结构单元和外部微控制单元之间的连接均通过机器人皮肤扩展接口实现，机器人皮肤扩展接口将外部微控制单元和皮肤结构单元通过串联的方式连接在一起，外部微控制单元通过机器人皮肤扩展接口向皮肤结构单元供电，并通过机器人皮肤扩展接口接收各个皮肤结构单元的传感数据。此外传感数据处理芯片还提供芯片内部的短路模式，可以将所有柔性迫近感知电极短路进而作为一个电极使用，由于单电极式迫近传感器的感知能力与电极面积直接相关，因此这种模式可以极大地扩展本发明的柔性机器人皮肤的感知范围。

本发明基于柔性印刷电路板的制造工艺，通过将柔性接近传感阵列、柔性发光交互模块和数据读取电路进行一体化异构集成，实现了一种具有迫近感知、检测结果原位可视化以及可扩展功能的柔性机器人皮肤，有利于实现大面积的工作环境检测，保证人机交互过程的安全性和提高人机交互过程的效率及流畅性。

本发明的有益效果为：

本发明通过柔性迫近传感阵列实现了较大量程的迫近感知和较高空间分辨率的触摸感知，不仅有利于保证用户和机器人之间的非接触式安全人机交互，同时还可以使本发明的柔性机器人皮肤作为用户输入指令的窗口和界面，通过对用户的触摸轨迹进行识别来完成一些重复性不高或者非结构化的任务。

本发明通过集成可寻址可编程发光器件的方式，为机器人皮肤赋予了发光交互功能，使传感器的检测结果可以直观迅速地以可视化的形式反馈给操作者，在多种应用场合中有效地优化人机交互过程，提高了人机交互过程的效率、安全性、流畅度和用户参与度。

本发明的可扩展特点使得机器人皮肤可以覆盖于机器人本体的多个表面，从而极大的提高机器人对外界环境的感知能力，消除旧有的机器人碰撞规避策略的盲区，实现全工作空间的迫近检测。

附图说明

图1为本发明柔性机器人皮肤的整体结构图；

图2为本发明柔性机器人皮肤的柔性迫近感知电极的外观示意图；

图3为本发明柔性机器人皮肤的扩展连接图；

图4为本发明的柔性机器人皮肤的各组成部分的电气连接示意图。

图中：发光交互模块1、地址配置开关2、柔性迫近传感阵列3、柔性迫近感知电极301、基本感知单元302、数据读取电路4、传感数据处理芯片401、稳压芯片402、机器人皮肤扩展接口5、外部微控制单元6。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1和图2所示，本发明具体实施包括至少一个皮肤结构单元，皮肤结构单元包括柔性感知和交互部分以及数据处理和控制部分两大部分构成，柔性感知和交互部分由发光交互模块1和柔性迫近传感阵列3构成，数据处理和控制部分由地址配置开关2、数据读取电路4和机器人皮肤扩展接口5构成。

具体地皮肤结构单元主要由发光交互模块1、地址配置开关2、柔性迫近传感阵列3、数据读取电路4和机器人皮肤扩展接口5构成，

柔性迫近传感阵列3输出端连接到数据读取电路4，数据读取电路4经机器人皮肤扩展接口5连接到外部微控制单元6，同时数据读取电路4连接地址配置开关2，地址配置开关2用于配置数据读取电路4的传感数据处理芯片401的通信地址进而控制数据读取电路4和外部微控制单元6之间的通信关系；外部微控制单元6经过机器人皮肤扩展接口5和发光交互模块1连接。

在物体接近并接触到柔性迫近传感阵列3的过程中，通过柔性迫近传感阵列3检测物体接近的距离和接触压力，获得带有感知数据的电信号输出到数据读取电路4，由数据读取电路4解析后获得感知数据经机器人皮肤扩展接口5发送到外部微控制单元6，由外部微控制单元6产生交互控制信号经机器人皮肤扩展接口5发送到发光交互模块1进行感知反馈。

本发明的柔性机器人皮肤具有柔性的特点，配合三维打印专用安装夹具，可以实现机器人皮肤与机器人复杂表面的安装，使机器人皮肤广泛地应用于各种机器人和应用场景并提高机器人对外界环境的感知能力。

柔性迫近传感阵列3为本发明的柔性机器人皮肤赋予了接近感知的功能，该功能可以弥补通常意义上由外置摄像机实现的机器人视觉的不足，为机器人赋予“第二视觉”。相比于深度相机和图像处理的方法，本发明可以为机器人提供一种不受环境光线和能见度影响的精确距离感知能力，使得机器人可以在与外界物体发生碰撞之前感知到外界物体的接近，实现用户和机器人之间的非接触式安全人机交互；此外由于柔性机器人皮肤广泛布置在机器人本体的表面，接近感知功能还可以减小机器人的视觉盲区，大大增强了机器人对于外界环境的感知能力。

具体实施的柔性迫近传感阵列3是由柔性迫近感知电极301组成的6×6阵列，具体实施的柔性迫近感知电极301是通过对铜箔进行镀金处理制得的。经过镀金处理的柔性迫近感知电极301具有良好的导电性能，可以利用自电容的原理将接近距离的变化反映成电容值的变化，可以作为接近传感器使用，镀金层的存在不仅可以提高柔性迫近感知电极301的导电性能，有利于扩大迫近感知的量程，同时还可以增强性迫近感知电极的耐磨性，延长本发明的柔性机器人皮肤的使用寿命。具体实施的柔性迫近感知电极301的外观如图3所示，每个柔性迫近感知电极301均具有相同的形状，由多个菱形镀金铜箔短路连接而成。将柔性迫近感知电极301横纵交错排布之后就形成了柔性迫近传感阵列3，通过扫描读取每一个柔性迫近感知电极301即可确定交叉点处有外界物体接近，所述正交排布的柔性迫近感知电极301的行与列正交处构成柔性迫近传感阵列3的基本感知单元302，一共有6×6个基本感知单元302；所述的基本感知单元的感知面积，由行电极和列电极对应正交节点处的电极面积互补构成；其最小检测单元为柔性迫近感知电极301的行与列正交处构成的基本感知单元302，该单元同样也是柔性迫近传感阵列3的最高空间分辨率。

数据读取电路4的功能是将柔性迫近传感阵列3检测产生的电容值进行滤波和从模拟信号到数字信号的转换，最终得到稳定的数字信号，并将其发送给外部微控制单元6，再由外部微控制单元6将数据应用于控制发光交互模块1的交互模式，以及将数据发送至机器人控制***进行进一步的动作控制。

数据处理芯片401选用的是MPR121，该芯片可以连接12个外部电极，完全满足柔性迫近传感阵列3所需的6×6阵列的要求。同时MPR121芯片还提供内部短路模式，可以将12个外部电极作为一个大面积的电极来使用，由于电容式迫近传感器的检测距离与电极面积成正比，因此这种模式可以极大地提高本发明的柔性机器人皮肤的量程。本发明的柔性机器人皮肤的工作模式可以是上电后默认为内部短路模式，从而提供最大的迫近检测范围，当外界物体距本发明的柔性机器人皮肤的距离小于限制距离，即电容检测结果大于限制值时，由外部微控制单元切换成正常模式，在此模式下12个电极分别工作，从而提高空间分辨率，用于感知外部物体的具***置和接收用户的手势指令。此外，MPR121芯片支持IIC通讯协议，可以实时将柔性迫近传感阵列3产生的传感数据发送至外部微控制单元；MPR121芯片有四个内置的IIC通讯地址，将引脚ADDR分别连接至VDD(即3.3V高电平)、VSS(即GND低电平)、SDA和SCL四个引脚就可以实现四个IIC地址的选择，地址配置开关2即用于实现通讯地址的硬件配置。基于数据处理芯片可以通过硬件方式配置四个不同通讯地址的功能特点，一个外部微控制单元即可同时控制四片本发明的柔性机器人皮肤并进行数据的读取，只要将四片本发明的柔性机器人皮肤如图3所示串接在一起即可，这实现了本发明的柔性机器人皮肤的可扩展功能，极大地节约了外部微控制器的硬件资源。辅以外部微控制器之间诸如SPI、IIC和CAN总线等成熟的通讯协议，本发明的柔性机器人皮肤可以方便的实现在机器人本体的大面积覆盖，从而减少乃至消除检测盲区。

由于本发明的柔性机器人皮肤需要外接外部微控制单元6使用，外部微控制单元6负责为本发明的柔性机器人皮肤供电，并接受本发明的柔性机器人皮肤产生的检测数据，用于控制机器人本体的动作和控制发光交互模块1的交互模式。外部微控制单元6和本发明的柔性机器人皮肤之间的关系类似于个人电脑的主机与鼠标和键盘等外设之间的关系，主机为外设提供电源，并接受外设发送来的信号用于实现复杂的控制功能。本发明的柔性机器人皮肤具有高度的通用性，常用的微控制单元如各系列的Arduino单片机和STM32单片机均可以直接控制本发明的柔性机器人皮肤，而不同的微控制单元具有不同的工作电平，因此不能直接用于为本发明的柔性机器人皮肤供电，稳压芯片402的作用是将微控制单元提供的电源稳定至数据处理芯片可以直接使用的3.3V直流电源，以防电压过高或者过低时数据处理芯片不能正常工作，具体器件选用的是LP2985-33DBVR。

上述的柔性机器人皮肤相互之间的连接以及本发明的柔性机器人皮肤和外部微控制单元6之间的连接均通过机器人皮肤扩展接口5实现，机器人皮肤扩展接口5将外部微控制单元6和柔性机器人皮肤通过串联的方式连接在一起，如图3所示。机器人皮肤扩展接口5由5个焊盘构成，分别是用于供电的5V和GND、用于MPR121芯片IIC通讯的SCL和SDA以及用于控制发光交互模块1的DIN。在具体使用时将排线焊接于不同部分的机器人皮肤扩展接口5即可完成各部分的连接。

发光交互模块1为本发明的柔性机器人皮肤赋予了发光交互功能，通过改变颜色、亮度以及设置不同的发光模式实现了对于柔性迫近传感阵列3检测结果的视觉反馈，将检测到的距离参数与用户进行直观的发光交互。用户可以直接从机器人皮肤的本体读取传感器的检测结果而无需借助显示器等其他设备，不仅有助于提高人机交互过程的效率和流畅性，同时还可以在机器人与用户或其他外界物体距离过近的时候通过闪烁或者其他的发光模式发出报警，使得机器人和用户可以同步感知危险情况并做出相应处理，有效地提高了人机交互过程中的安全性。

具体实施的发光交互模块1采用WS2812B型LED灯珠作为发光器件，如图1所示，本发明的柔性机器人皮肤上集成了12个发光交互模块1，分别对应于每一个柔性迫近感知电极301。由于WS2812B型LED灯珠具有可寻址可编程的特性，因此可以在外部微控制单元的控制下通过点亮和熄灭灯珠以及改变灯珠的颜色实现对于柔性迫近传感阵列3检测结果的可视化。

下面通过两个实施例来具体说明本发明的发光交互功能和触摸交互功能的应用。

实施例1

在智能制造等工业场景中，需要在人机交互的同时绝对保证操作者的安全并尽可能地提高工作效率，这时可以将本发明的柔性机器人皮肤贴附于工业机器人的机械臂等需要频繁与操作者进行交互的部位。在这种应用场景中，可以将发光交互的模式设置为根据外部物体和电子皮肤之间的距离以及接触与否产生颜色的变化，并在距离达到限制值或者发生接触的时候发生闪烁。比如实际柔性迫近传感阵列3的感知范围为0-200mm，在这种视觉反馈模式下可以将外部物体从距离本发明的柔性机器人皮肤200mm到与本发明的柔性机器人皮肤接触的整个过程可视化为发光交互模块1的LED光源从绿色(RGB：0，255，0)经由黄色(RGB：255，255，0)变成红色(RGB：255，0，0)的整个过程。此外还可以根据需要设置距离限制值，当外部物体的距离小于限制值时，不仅通过动作控制使得机器人停止运动，同时还使发光交互模块1以相应的颜色闪烁向操作人员发出提醒。

根据柔性迫近传感阵列3的检测结果改变发光交互模块1的光源颜色的发光交互模式主要可以应用于提高工作效率，因为随着机器人技术的发展，示教即操作者直接移动机器人的相关运动部件(如机械臂)来为机器人进行路径规划的方法已经越来越多的在工业场景中得到了应用。工业应用场景的特点包括空间受限和参数要求比较精确，而传统的通过计算机显示器得知传感器检测结果的方式会使得示教过程不够流畅，效率低下，因此需要操作者在示教的同时及时直观的得知当前机械臂与周围物体之间的距离参数，用以调整示教，此时发光交互的功能就可以满足上述要求。通过将相应的接触点或者迫近点及其对应的迫近距离区间对应以不同的LED光源的颜色，可以帮助操作者实时得知当前传感器的检测结果，对工作效率和准确度的提高都有较大的帮助。

在外部物体的距离小于限制值或者施加的压力大于限制值发生接触时使发光交互模块1的光源发生闪烁的发光交互模式主要可以用于向操作人员进行报警，避免发生危险威胁操作人员的安全或者对机器人自身的结构造成损坏。

由此可以说明工业场景下本发明可以实时的对传感器的检测结果实现可视化，有效提高人机交互的效率，并进一步提高人机交互过程中的安全性。

实施例2

在服务型机器人(如养老机器人、看护机器人等)的应用场景中，需要在人机交互的过程中增强互动，使得用户可以方便地向机器人发出指令并得到来自机器人的反馈，从而提高整个服务过程中用户的参与感以及服务的流畅度。此时可以将本发明的柔性机器人皮肤贴附于服务机器人的表面，将发光交互的模式设置为针对用户对机器人接触做出针对性的反馈。

利用柔性迫近传感阵列3空间分辨率较高的特点，本发明的柔性机器人皮肤可以轻松的识别用户与服务型机器人的接触模式和接触轨迹，接触模式是指用户对服务型机器人的抚摸和拍打等包含情绪的接触，接触轨迹是指用户用手指在本发明的柔性机器人皮肤上绘制的包含指令信息的轨迹。对于接触模式可以通过接触的面积和时间进行识别，针对相应的识别结果采取不同的视觉反馈模式，比如在抚摸时，发光交互模块1的LED光源可以跟随用户的抚摸路线实时或延迟点亮，并根据抚摸的时间调整发光的颜色；在拍打时，可以使接触点对应的发光交互模块1的LED光源以不同频率闪烁。对于接触轨迹可以通过接触的面积和接触点出现的先后顺序进行识别，这种交互模式主要用于完成一些重复性不高或者非结构化的动作，用户可以将在本发明的机器人皮肤上绘制三角型、矩形和圆形等等任意的图案与不同的动作绑定起来，比如绘制三角形是寻找并向用户递送水杯，绘制矩形是搀扶用户起来进行散步，绘制圆形是辅助用户到床上进行休息等等。这种指令的输入模式极大地降低了人机交互的门槛，有利于服务型机器人的进一步普及。

由此可以说明在服务型机器人的应用场景下，本发明可以对用户的接触模式和接触轨迹做出识别，并应用发光交互和触摸交互两种不同的交互模式。发光交互可以作为对用户操作的可视化反馈，也可以作为对用户下一步操作的动态指引；触摸交互使得本发明的机器人皮肤也成为了用户向机器人发送指令的窗口和界面。两种交互方式的结合显著优化了整个人机交互过程，有效地提高了用户的观感和参与度，使得人机交互更加流畅和易于接受。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可扩展的交互式柔性机器人皮肤，其特征在于：包括至少一个皮肤结构单元，皮肤结构单元主要由发光交互模块(1)、地址配置开关(2)、柔性迫近传感阵列(3)、数据读取电路(4)和机器人皮肤扩展接口(5)构成，柔性迫近传感阵列(3)输出端连接到数据读取电路(4)，数据读取电路(4)经机器人皮肤扩展接口(5)连接到外部微控制单元(6)，同时数据读取电路(4)连接地址配置开关(2)，地址配置开关(2)用于配置数据读取电路(4)的通信地址进而控制数据读取电路(4)和外部微控制单元(6)之间的通信关系；外部微控制单元(6)经过机器人皮肤扩展接口(5)和发光交互模块(1)连接。

2.根据权利要求1所述的一种可扩展的交互式柔性机器人皮肤，其特征在于：所述发光交互模块(1)为可寻址可编程发光器件，针对物体与机器人皮肤之间的距离以及应用场景的不同，产生诸如改变颜色、闪烁、跟随的发光交互模式；所述物体与机器人皮肤之间的距离由柔性迫近传感阵列(3)检测。

3.根据权利要求1所述的一种可扩展的交互式柔性机器人皮肤，其特征在于：所述柔性迫近传感阵列(3)主要是由M行N列正交阵列排布的柔性迫近感知电极(301)组成，每条柔性迫近感知电极(301)是由多个金属片沿直线排列并串联接构成，位于中间部分的各个金属片均为正方形，且正方形的一对角线沿直线方向布置，位于两端的两片金属片均为由正方形对角切一半获得的等腰三角形，等腰三角形的中心线沿直线方向布置；相邻两片金属片之间均通过一段条形金属片连接；

柔性迫近感知电极(301)阵列后的柔性迫近传感阵列(3)中，每条沿行方向布置的柔性迫近感知电极(301)中的金属片位于沿列方向布置的两条相邻的柔性迫近感知电极(301)的金属片之间形成的空位区域中，使得所有柔性迫近传感阵列(3)的金属片之间均具有相同的间隔/间隙；各个柔性迫近感知电极(301)中位于两端的金属片处于柔性迫近传感阵列(3)的边缘，围成了柔性迫近传感阵列(3)正方形的***边。

4.根据权利要求1所述的一种可扩展的交互式柔性机器人皮肤，其特征在于：所述发光交互模块(1)包括多个发光交互元件，多个发光交互元件均排布在柔性迫近传感阵列(3)的周围，柔性迫近传感阵列(3)中每一行和每一列的柔性迫近感知电极(301)均对应有一个发光交互元件。

5.根据权利要求1所述的一种可扩展的交互式柔性机器人皮肤，其特征在于：所述数据读取电路(4)主要包括一个传感数据处理芯片(401)和一个稳压芯片(402)，传感数据处理芯片(401)和稳压芯片(402)连接，传感数据处理芯片(401)分别和柔性迫近传感阵列(3)、机器人皮肤扩展接口(5)、地址配置开关(2)连接。

6.根据权利要求1所述的一种可扩展的交互式柔性机器人皮肤，其特征在于：包括多个皮肤结构单元，多个皮肤结构单元通过机器人皮肤扩展接口(5)和接线串接到同一个外部微控制单元(6)，外部微控制单元(6)通过轮询多个皮肤结构单元中的地址配置开关(2)所配置的地址来选择性读取多个皮肤结构单元各自的传感数据处理芯片(401)采集到的柔性迫近传感阵列(3)的传感数据，形成可扩展的交互式柔性机器人皮肤。

7.根据权利要求1所述的一种可扩展的交互式柔性机器人皮肤，其特征在于：所述地址配置开关(2)具体采用四路拨码开关，选择四个互不相同的IIC地址，一个外部微控制单元(6)同时控制多块不同的皮肤结构单元，从而实现了可扩展功能。

8.根据权利要求1所述的一种可扩展的交互式柔性机器人皮肤，其特征在于：所述的发光交互模块(1)、地址配置开关(2)、柔性迫近传感阵列(3)、数据读取电路(4)和机器人皮肤扩展接口(5)集成在同一柔性印刷电路上，采用柔性印刷电路技术一体化异构集成。

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