CN113263512B - 一种仿生发光交互柔性机器人皮肤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生发光交互柔性机器人皮肤。包括柔性感知和交互部分和数据处理和控制部分，其中柔性感知和交互部分由柔性接近感知层、柔性封装层、柔性压力感知层、柔性发光交互层和柔性基底层由上至下层叠组成；柔性接近感知层感知外部物体与本发明的柔性机器人皮肤之间的距离；柔性压力感知层感知外部物体施加在本发明的柔性机器人皮肤上的压力；距离和压力检测结果经过数据读取与控制电路的读取分析，控制柔性发光交互层产生不同模式的视觉反馈。本发明实现了接近感知、压力感知和发光交互的功能，控制柔性发光交互层产生不同模式的视觉反馈，提高人机交互的效率，提高人机交互过程中的安全性；提高用户的观感和参与度。

Description

一种仿生发光交互柔性机器人皮肤

技术领域

本发明涉及柔性传感器的技术领域的一种柔性皮肤，具体是一种仿生发光交互柔性机器人皮肤。

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，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或其他控制策略的方式给予交互对象反馈。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(如人和其他与之的协作机器人)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。

仿生学是当前机器人研究领域的一大方向，仿生学的应用可以使机器人具备对外界环境的主动感知和反馈能力，从而使机器人更加智能化。触觉作为生物感知外界环境的重要途径，广泛地存在于各类动植物中。触觉使得生物可以感知外界物体的振动、接触和压力，高精度的触觉感知不仅可以提高生物完成捕食、迁徙和繁衍等活动的成功率，同时还可以帮助生物及时规避风险，保证生物体的安全。模仿生物的触觉感知，在机器人皮肤中集成接近传感器和压力传感器，可以为机器人赋予接近感知和触觉感知能力，使机器人可以识别外界物体从接近到接触机器人本体的整个过程，既能够使机器人胜任更多高精度工作场景，也可以通过主动控制保证人机交互过程中的本质安全。

此外，生物发光现象也普遍地存在于多种原生动物和低等脊椎动物中，生物发光作为生物与生物、生物与环境之间信息交互的重要方法，是生物对于环境刺激的可视化反馈，有助于生物警告天敌和诱捕猎物。将这种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，可以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，本发明提出了一种仿生发光交互柔性机器人皮肤。

本发明受生物体触觉感知和生物发光现象的启发，通过柔性多孔材料发泡成型工艺，通过将柔性接近传感单元、柔性压力传感单元、柔性电极、柔性发光交互层和柔性基底进行一体化异构集成结合，实现了一种兼具接近和接触全过程原位感知以及检测结果原位可视化的柔性机器人皮肤，有利于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：

本发明包括柔性感知和交互部分以及数据处理和控制部分，

所述的柔性感知和交互部分主要由柔性接近感知层、柔性压力感知层、柔性发光交互层和柔性基底层由上至下组成层叠式结构，通过柔性封装层将柔性压力感知层、柔性发光交互层封装于柔性基底层上；

所述的柔性封装层主体由利用模具法发泡成型的聚氨酯发泡材料构成；所述的柔性感知和交互部分通过柔性封装层由基于模具法发泡成型的柔性异构集方法成得到。

所述的数据处理和控制部分是指数据读取与控制电路；

所述的柔性接近感知层主要由多个间隔排布的柔性接近传感单元组成，每个柔性接近传感单元均连接有压线端子，经压线端子连接数据处理和控制部分；

所述的柔性压力感知层由多个间隔阵列排布的柔性压力传感单元以及***柔性压力传感单元的列电极和行电极组成，列电极和行电极布置在柔性压力传感单元间的间隙中，同一行的柔性压力传感单元***连接有同一根行电极，同一列的柔性压力传感单元***连接有列电极，各个列电极和行电极各自引出到外部连接数据处理和控制部分；

所述的柔性发光交互层由多个阵列排布的可寻址可编程发光器件组成，同一行可寻址可编程发光器件可由一条行导线电连接，可寻址可编程发光器件布置在相邻柔性压力传感单元之间的间隙，柔性发光交互层引出到外部连接数据处理和控制部分；

所述的柔性基底层是一层柔性薄膜。

所述的柔性封装层外表面开设凹槽，柔性接近感知层嵌装于凹槽中。

所述的柔性接近感知层为由多个柔性接近传感单元组成的大小为1×8的阵列，所述柔性接近传感单元是通过将聚氨酯发泡海绵的柔性材料进行物理气相沉积导电化处理、再施加电沉积金属镍的处理从而制得的。

经过处理得到的聚氨酯发泡材料在保证全柔性多孔结构的同时具备了良好的导电性能，柔性接近传感单元在引出导线连接到数据读取与控制电路后即可以作为电容的一个极板，可以与外部环境中接近本发明的机器人皮肤的物体共同形成完整的电容结构，接近距离的变化即可反映为电容值的变化，从而可以作为接近传感器使用。柔性接近传感单元与数据读取和控制电路的连接是通过包括但不限于压线端子的导体穿透并固定于柔性接近传感单元之上，再将导线连接于导体之上实现的。

所述的柔性压力感知层中，每个柔性压力传感单元处，列电极通过设置分支线，分支线***到柔性压力传感单元顶部，行电极通过设置分支线，分支线***到柔性压力传感单元底部，这样能使电流的传输通路稳定地经过柔性压力传感单元，避免行电极和列电极直接接触发生短路。导体穿透柔性接近传感单元和金属丝直接***柔性压力传感单元的电气连接方式有利于保证电信号传输的稳定性，从而获得连续变化的检测结果，为良好的发光交互效果奠定基础。

所述柔性压力传感单元是通过将聚氨酯发泡海绵的柔性材料浸入溶解有碳纳米管等敏感导电材料的正己烷溶液中，完全浸润后取出烘干得到的。处理后得到的聚氨酯(PU)发泡材料在保留原有的柔性多孔结构的同时，内部形成了微观丝状导电通路，当外力作用于其上时，发泡材料产生形变使内部的导电通路总数目发生改变，进而引发电阻值的变化，可以作为高精度的压力传感器使用。

所述的列电极和行电极是通过将铜针的导电金属丝通过焊接的方式连接于漆包线的柔性导线上制成的。

所述的柔性发光交互层由WS2812B型LED灯带的可寻址可编程发光器件组成，在数据读取与控制电路的控制下针对外界物体与本发明所述的机器人皮肤之间的距离或者外界物体给机器人皮肤施加的压力产生发光视觉反馈，进而与人或环境交互。

具体地，在数据读取和控制电路的控制下针对不同的应用场景实施不同的发光交互模式，LED灯带根据接近传感器和压力传感器阵列进行相应的阵列排布，使得每个传感器单元周围都有相应的光源，可以将视觉反馈的精度具体到单独的传感单元。灯带的基底为柔性结构，可以在随意弯曲的同时保证其结构完好。所述的不同发光交互模式是指柔性发光交互层在数据读取与控制电路的控制下，可以针对物体距离电子皮肤的距离或者物体给电子皮肤施加的压力，产生包括但不限于改变颜色、闪烁、跟随和波浪的发光交互模式，下面针对这四种发光交互模式进行具体介绍。

所述的柔性发光交互层的发光交互模式有：

在工业应用场景中，针对外部物体和电子皮肤之间的距离以及接触压力的反馈，对于不同的距离和压力范围设置不同的反馈颜色，在距离或者压力达到限制值的时候通过闪烁的方式向操作人员进行报警；

这种交互模式一是可以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和压力值进行读取，有效地提高工作效率；二是可以在距离或者压力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。

在服务型应用场景中，可针对用户的抚摸、点击、拍打和按压等常见的接触方式设置对应的交互模式，如抚摸时可以使光源始终跟随手部的运动轨迹，点击、拍打和按压时可以使光源从接触点向周围波浪式散开等等，也可以通过发光交互的方式对用户的操作予以指引，从而给予交互对象直观的视觉反馈，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。

所述的柔性基底层的材料是聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料薄膜，用于为柔性发光交互层和柔性压力感知层提供附着面。

所述的柔性封装层是首先将柔性发光交互层和柔性压力感知层粘贴固定于柔性基底层的表面，再将柔性基底层固定于模具上盖；随后将用于制备柔性封装层的商用液体组分A和组分B按照体积比1:2的比例均匀混合后倒入模具腔体中，将带有凸起结构的模具上盖扣于模具腔体之上并加压固定，常温下发泡两小时后脱模制成的。此时柔性封装层已经将柔性发光层和柔性压力感知层完全封装于内部，实现了柔性压力感知层中行电极和列电极空间位置的固定。同时模具腔体中有为柔性接近感知层预留的凹槽结构，因此柔性接近感知层可以简单方便地以粘贴的方式固定于相应的凹槽之中，使得本发明的柔性感知和交互部分形成一个平整的长方体结构。柔性封装层的目的在于实现整个机器人皮肤柔性感知和交互部分的柔性异构集成，将各个部分一体化封装成有机的整体，并实现内部各个器件之间的电气绝缘。

所述数据读取和控制电路的功能为读取柔性接近感知层和柔性压力感知层的感知数据、根据数据和预先编制的程序控制柔性发光交互层的交互模式。所述的数据读取与控制电路是包括微控制器最小***、压力感知读取电路和接近感知读取电路在内的专用外部电路。

所述的数据读取与控制电路包括了微控制器最小***、压力感知读取电路和接近感知读取电路，压力感知读取电路和接近感知读取电路均连接到微控制器最小***；所述的柔性压力感知层的各个列电极和行电极均连接到压力感知读取电路，所述的柔性发光交互层直接连接到微控制器最小***，所述的柔性接近感知层的压线端子均连接到接近感知读取电路。

所述的压力感知读取电路如图7所示，包括第一多路复用器U1、第二多路复用器U10、解码器U6、第一六脚反相器U5、第二六脚反相器U9、第一模拟开关U4、第二模拟开关U8和第一运算放大器U3、第二运算放大器U7和第三运算放大器U3；具体实施中，第一多路复用器U1、第二多路复用器U10型号均为ADG658YCPZ，解码器U6的型号为74LS138D，第一六脚反相器U5、第二六脚反相器U9型号均为74LS04D，第一模拟开关U4、第二模拟开关U8型号均为ADG411，第一运算放大器U3、第二运算放大器U7型号均为LM324，第三运算放大器U3型号为LMP7701。

所述的压力感知读取电路的连接方式以含有8×8柔性压力传感单元阵列的柔性压力感知层为例，第一多路复用器U4的S1-S8引脚与柔性压力感知层中的8个行电极逐一连接，第一多路复用器U1的D脚经电阻R2和第三运算放大器U2的+IN脚连接，第三运算放大器U2的OUTPUT脚经电阻R8接地，第三运算放大器U5的OUTPUT脚分别连接到第一模拟开关U4、第二模拟开关U8的S1～S4引脚，第一模拟开关U4的IN1～IN4引脚分别和第一六脚反相器U5的4Y～1Y引脚连接，第二模拟开关U8的IN1～IN4引脚分别和第二六脚反相器U9的4Y～1Y引脚连接，第一六脚反相器U5的4A～1A、第二六脚反相器U9的4A～1A引脚均连接到解码器U13的Y0～Y7引脚，解码器U6的A0～A2引脚和第二多路复用器U10的A0～A2引脚连接，第二多路复用器U10的S1～S8引脚分别连接到第一运算放大器U3、第二运算放大器U7的各个IN1+～IN4+引脚，同时第二多路复用器U10的S1～S8引脚分别连接到第一模拟开关U4、第一模拟开关U8的各个D1～D4引脚，第一运算放大器U3、第二运算放大器U7的各个IN1-～IN4-引脚均逐一连接到柔性压力感知层中的8个行电极。

通过柔性接近感知层实现接近感知：当待测对象接近本发明皮肤过程中，基于自电容原理，柔性接近感知层自身和地之间的电容发生改变，进而通过检测，柔性接近感知层自身和地之间的电容变化获得待测对象和皮肤之间的感知距离。

通过柔性压力感知层实现压力感知：当待测对象施加外部压力到皮肤，经柔性接近感知层、柔性封装层将外部压力传递到柔性压力感知层上，导致柔性压力感知层中的柔性压力传感单元变形，进而导致了柔性压力传感单元所处的列电极和行电极之间的电容变化，通过检测任一列电极和任一行电极之间的电容变化获得受外部压力变形的柔性压力感知层所处位置。

本发明利用仿生原理，实现了所述柔性机器人皮肤的多层次功能。一是通过模仿生物皮肤的触觉感知，利用所述的柔性压力感知层赋予了机器人皮肤感知外界压力的能力，并在此基础上利用所述的柔性接近感知层赋予机器人皮肤超越普通动物皮肤的接近感知能力，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；第二是通过模拟生物发光，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压力和距离参数进行直观的发光交互。同时以上二者在仿生学意义上也有紧密的联系，外界环境中的触觉和视觉信息是生物发光的重要应激源，海洋中包括藻类、软体动物和棘皮动物在内的诸多生物通过生物发光来实现警告天敌和诱捕猎物等目的，是生物与外界环境之间的发光交互。

本发明的有益效果为：

本发明受生物皮肤触觉感知的启发，通过集成柔性接近传感器和柔性压力传感器的方式，为机器人皮肤赋予了类似动物皮肤的触觉感知和超越动物皮肤的接近感知功能，使得装备有本机器人皮肤的机器人可以实现对外部物体从接近到接触的全过程检测和连续量获取，有效地提高了机器人对外部环境的感知能力。

本发明受生物发光现象的启发，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。

上述传感器数据采集和发光交互均在机器人皮肤的本体通过数据读取与控制电路完成，即实现了分布式数据原位采集和实时原位视觉反馈，不需经过机器人本体控制器，从而极大地减轻了机器人本体控制器的计算载荷，降低了延迟，提高了检测和反馈效率。

本发明通过模具法实现柔性感知和交互部分的柔性混合异构集成，除数据读取与控制电路以外全部采用了柔性材料，其中，柔性接近感知层和柔性压力感知层占据了机器人皮肤主体厚度，均采用柔性多孔材料作为主体材料，多孔结构可以有效缓冲外部物体与机器人本体的接触，提高了人机交互过程中的安全性。针对具有不同外形设计的机器人，可以利用三维打印专用安装夹具，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感知的精确度。

附图说明

图1为本发明柔性机器人皮肤的柔性感知和交互部分的拆分结构图；

图2为本发明柔性机器人皮肤的整体结构图；

图3为本发明柔性接近传感单元的结构图；

图4为本发明柔性压力感知层的结构图；

图5为本发明柔性机器人皮肤的柔性感知和交互部分的异构集成流程图；

图6为本发明柔性机器人皮肤的各组成部分电气连接示意图；

图7为本发明柔性机器人皮肤的数据读取与控制电路的压力感知读取电路部分的电路原理图。

图中：

柔性接近感知层1、柔性接近传感单元101、压线端子102、

柔性封装层2、

柔性压力感知层3、柔性压力感知单元301、列电极302、行电极303、

柔性发光交互层4、柔性基底层5、

数据读取与控制电路6、微控制器最小***601、压力感知读取电路602、接近感知读取电路603

模具上盖701、模具腔体702。

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，本发明具体实施包含柔性接近感知层1、柔性封装层2、柔性压力感知层3、柔性发光交互层4、柔性基底层5、数据读取与控制电路6。上述结构组成了本发明柔性机器人皮肤的柔性感知和交互部分，该部分的全柔性结构设计，配合三维打印专用安装夹具，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感知的精确度；结构6组成了本发明柔性机器人皮肤的数据读取与控制部分，两部分共同组成了一种仿生发光交互柔性机器人皮肤。

柔性接近感知层1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。

具体实施的柔性接近感知层1由1×8柔性接近传感单元101阵列和8个压线端子组成，具体实施的柔性接近传感单元101是通过聚氨酯(PU)发泡材料进行物理气相沉积导电化处理、再施加电沉积金属镍的处理制得的。经过处理的柔性接近传感单元101在保证原有柔性多孔结构的同时具备了良好的导电性能，可以用作电容器的其中一个极板，并与外部环境中接近本发明的机器人皮肤的物体共同形成完整的电容结构，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。如图2和图3所示，柔性接近传感单元101与数据读取和控制电路6的连接是通过将压线端子102穿透并固定于柔性接近传感单元101之上，再将导线连接于压线端子102之上实现的。此时数据读取与控制电路6即可通过读取电容值的变化得知外界物体距离电子皮肤的距离并进行相应的控制。

柔性压力感知层3通过模拟生物皮肤的触觉感知，为本发明的柔性机器人皮肤赋予了压力感知能力，使得机器人可以检测本体与外界物体之间的接触、碰撞和挤压，并做出相应的反应来避免对外界物体和机器人本体造成进一步的伤害与破坏。柔性压力感知层3与柔性接近感知层1的结合使得本发明的机器人皮肤可以实现对外界物体从接近到接触的全过程感知，从而保证人机交互过程中的本质安全。

具体实施的柔性压力感知层3由2×8柔性压力传感单元301阵列、8个列电极302以及2个行电极303组成，如图4所示。具体实施的柔性压力传感单元301通过将聚氨酯(PU)发泡材料浸入溶解有碳纳米管敏感导电材料的正己烷溶液中，完全浸润后取出烘干得到的。处理后得到的聚氨酯(PU)发泡材料在保留原有的柔性多孔结构的同时，内部形成了微观丝状导电通路，当外力作用于其上时，发泡材料产生形变使内部的导电通路总数目发生改变，进而引发电阻值的变化，可以作为高精度的压力传感器使用。具体实施的列电极302和行电极303是将铜针通过焊接的方式连接于漆包线上制成的，二者作为电学信号的传输通路，通过引出导线连接到数据读取和控制电路6。此时数据读取与控制电路6即可通过读取柔性压力传感单元301电学参数电阻值的变化得知外界物体对电子皮肤的压力并进行相应的控制。为了使电流的传输通路稳定地经过柔性压力传感单元301，避免列电极302和行电极303直接接触发生短路，二者分别沿着柔性压力传感单元301的下边界层和上边界层***。

柔性发光交互层4通过模拟自然界中的生物发光现象，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传感器检测结果的视觉反馈，将检测到的压力和距离参数与用户进行直观的发光交互。由于机器人皮肤本体即可完成对传感器数据的分布式原位采集和发光交互的实时原位反馈，不必将数据传输至机器人本体控制器进行分析和决策，因此实现了传感器检测结果的低延迟直观视觉反馈，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或接触力过大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。

具体实施的柔性发光交互层4采用27个WS2812B型LED灯珠作为发光器件，如图1所示灯珠以灯带的形式排布，灯带的基底为柔性结构，可以在随意弯曲的同时保证其结构完好，柔性发光交互层4包含共计3条灯带，每个灯带上有9个灯珠，构成了3×9的LED阵列。灯带上的灯珠之间通过柔性电路相互连接，灯带之间则通过焊接导线的方式连接。柔性接近感知层1、性压力感知层3和柔性发光交互层4均采用阵列式的排布，使得每个柔性压力传感单元301的周围有4个灯珠，每个柔性接近传感单元101的周围有6个灯珠，保证了发光交互的效果可以精确到每个传感单元。具体来说，当外界物体接近图1中最左侧的柔性接近传感单元101时，进行相应发光交互的灯珠为图1中柔性发光交互层4最左侧的两列共计6个灯珠；当外界物体接触并压迫图1中左上角的柔性压力传感单元301时，进行相应发光交互的灯珠为图1中柔性发光交互层4中上方灯带的左侧2个灯珠和中间灯带的左侧2个灯珠，共计4个灯珠。根据上面的叙述可以看出，相邻的柔性接近传感单元101之间有3个共用灯珠，相邻的柔性压力传感单元301之间有2个灯珠，这些灯珠将受检测结果较大(距离更近、压力更大)的传感单元所控制。由于WS2812B型LED灯珠具有可寻址可编程的特性，因此可以在数据读取与控制电路6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接近感知层1和柔性压力感知层3检测结果的可视化。

具体实施的柔性基底层5为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料薄膜，用于为柔性发光交互层4和柔性压力感知层3提供附着面。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料薄膜具有良好的机械性能，主要表现在柔性和强韧性，在反复弯曲后仍能保证自身的结构完好，有利于保证本发明的机器人皮肤柔性感知和交互部分的全柔性结构。

柔性封装层2通过发泡材料实现了包括柔性接近感知层1、柔性压力感知层3、柔性发光交互层4和柔性基底层5在内结构的柔性异构集成。这种封装方法不仅可以将各功能层封装成一个整体同时保证结构的柔性，有利于本发明的机器人皮肤附着于多种多样的机器人表面；同时还可以有效地固定各个功能层之间的相对位置，有利于内部各个器件之间的电气绝缘。

具体实施的柔性封装层2是采用模具法制备的聚氨酯(PU)发泡材料，其中模具法所用到模具上盖701和模具腔体702均由三维打印的方式制备。具体的异构集成流程如图5所示，第一步需要完成柔性压力感知层3的组装，即将列电极302和行电极303分别沿着柔性压力传感单元301的下边界层和上边界层***，使得柔性压力传感单元301形成所需的2×8阵列；第二步将柔性压力感知层3和柔性发光交互层4粘贴于柔性基底层5之上，其中柔性基底层5所用的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料薄膜已经预先裁剪为153mm×60mm的矩形；第三步将附着有其他结构的柔性基底层5粘贴于发泡模具的模具上盖701上；第四步开始调配发泡材料，将用于制备柔性封装层2的商用液体组分A和组分B按照体积比1:2的比例均匀混合后倒入模具腔体702中，两种组分混合后在常温条件下即可实现发泡和固化，体积可以膨胀约15倍，从而实现对模具中所有结构的包裹和封装；第五步将模具上盖701扣于模具腔体702之上并加压固定，静置两小时等待发泡过程结束；第六步将制备好的柔性封装层2脱模，脱模后可以发现柔性封装层2已经将柔性压力感知层3和柔性发光交互层4完全包裹在内部，由于柔性上基底层2的材料聚氨酯(PU)发泡材料具有透光性，因此不会影响柔性发光交互层4灯珠发出光线的可见度，并能够使光源更加柔和，避免直射人眼；第七步将柔性接近感知层1粘贴固定于柔性封装层2之上，由于模具腔体702在设计制造时已经预先为柔性接近感知层1预留了空间，因此脱模后的结构上已经有与柔性接近传感单元101大小相符的凹槽，便于定位和粘贴，使得本发明的柔性感知和反馈部分形成一个平整的长方体结构。至此异构集成结束，本发明的机器人皮肤的柔性感知和交互部分制备完成。

数据读取与控制电路6的主要功能是读取柔性接近感知层1和柔性压力感知层3的感知数据、根据数据和预先编制的程序控制柔性发光交互层4的反馈模式.具体实施的数据读取与控制电路6主要包括三大部分，分别是微控制器最小***601、压力感知读取电路602和接近感知读取电路603。本发明的机器人皮肤各部分的连接关系如图6所示，压力感知读取电路602和接近感知读取电路603均连接到微控制器最小***601；所述的柔性压力感知层3的各个列电极302和行电极303均连接到压力感知读取电路，所述的柔性发光交互层4直接连接到微控制器最小***，所述的柔性接近感知层1的压线端子102均连接到接近感知读取电路603。

所述的压力感知读取电路602的原理图如图7所示，包括第一多路复用器U1、第二多路复用器U10、解码器U6、第一六脚反相器U5、第二六脚反相器U9、第一模拟开关U4、第二模拟开关U8和第一运算放大器U3、第二运算放大器U7和第三运算放大器U3；具体实施中，第一多路复用器U1、第二多路复用器U10型号均为ADG658YCPZ，解码器U6的型号为74LS138D，第一六脚反相器U5、第二六脚反相器U9型号均为74LS04D，第一模拟开关U4、第二模拟开关U8型号均为ADG411，第一运算放大器U3、第二运算放大器U7型号均为LM324，第三运算放大器U3型号为LMP7701。

压力感知读取电路602最多可读取由8个列电极302和8个行电极303交织构成的8×8共计64个柔性压力传感单元301阵列，实际使用中列电极302数目可以小于等于8，行电极303数目也可以同时小于等于8。

压力感知读取电路602的连接方式以含有8×8柔性压力传感单元301阵列的柔性压力感知层3为例，第一多路复用器U4的S1-S8引脚与柔性压力感知层3中的8个行电极302逐一连接，第一多路复用器U1的D脚经电阻R2和第三运算放大器U2的+IN脚连接，第三运算放大器U2的OUTPUT脚经电阻R8接地，第三运算放大器U5的OUTPUT脚分别连接到第一模拟开关U4、第二模拟开关U8的S1～S4引脚，第一模拟开关U4的IN1～IN4引脚分别和第一六脚反相器U5的4Y～1Y引脚连接，第二模拟开关U8的IN1～IN4引脚分别和第二六脚反相器U9的4Y～1Y引脚连接，第一六脚反相器U5的4A～1A、第二六脚反相器U9的4A～1A引脚均连接到解码器U13的Y0～Y7引脚，解码器U6的A0～A2引脚和第二多路复用器U10的A0～A2引脚连接，第二多路复用器U10的S1～S8引脚分别连接到第一运算放大器U3、第二运算放大器U7的各个IN1+～IN4+引脚，同时第二多路复用器U10的S1～S8引脚分别连接到第一模拟开关U4、第一模拟开关U8的各个D1～D4引脚，第一运算放大器U3、第二运算放大器U7的各个IN1-～IN4-引脚均逐一连接到柔性压力感知层3中的8个行电极303。

第二多路复用器U10的控制信号来自于微控制器的D5、D6、D7管脚，用于循环扫描8×8柔性压力传感单元301阵列的每一列；多路复用器U1的控制信号来自于微控制器的D8、D9、D10管脚，用于循环扫描8×8柔性压力传感单元301阵列的每一行。

运算放大器U5、U6、U7用作电压跟随器，利用其输入阻抗高而输出阻抗低的特点来隔离读取电路和柔性压力传感单元301组成的阵列，消除相互之间的影响。上述压力感知读取电路602的完整工作过程是：

多路复用器U10在D5、D6、D7管脚的控制下选通某一列柔性压力传感单元301，通过选通的列电极向该列柔性压力传感单元301施加5V电压，多路复用器U1在D8、D9、D10管脚的控制下选通某一行柔性压力传感单元301，至此位于选通行与选通列交织处的目标柔性压力传感单元301已经通过多路复用器U1的输出管脚连接到参考电阻R15并最终连接到GND端，构成了完整的分压电路。理论上来说多路复用器U1的输出管脚经过电压跟随器U2的隔离后，输入至微控制器的A1管脚即可作为检测结果进行计算和使用，但是由于旁路干扰现象的存在，这样测得的结果会比实际的电阻值偏小。因此，电路中采用等电位屏蔽法来消除干扰，方法是将D5、D6、D7管脚的控制信号同时传输给解码器U6，并通过六角反相器U5、U9和模拟开关U4、U8选通除选通列外的其余列柔性压力传感单元301，为了实现等电位，将输入至A1管脚的电压同时施加于被选通的其余列，使得非选通列电位钳制在A1管脚的电压，由于该反馈的存在，使得非选通列上柔性压力传感单元301的电阻值变化不影响选通列上流经的电流，因而也无法影响目标柔性压力传感单元301的阻值，因此输出电压可以视作真实值。

由此工作过程可见，压力感知读取电路采用行列式扫描的方法依次完成对每个柔性压力传感单元301阻抗值的检测，电路基于等电位屏蔽法设计，从而减小旁路干扰现象对检测结果造成的影响，使结果更加准确。

下面通过两个实施例来具体说明本发明的发光交互功能的应用。

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压力产生颜色的变化，并在距离或者压力达到限制值的时候发生闪烁。比如实际柔性接近感知层1的感知范围为0-30mm，柔性压力感知层3的感知范围为0-2N，在这种视觉反馈模式下可以将外部物体从距离本发明的机器人皮肤30mm到给本发明的机器人皮肤施加2N的压力的整个过程可视化为柔性发光交互层4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或者压力限制值，当外部物体的距离小于限制值或者施加的压力大于限制值时，不仅通过动作控制使得机器人停止运动，同时还使柔性发光交互层4以相应的颜色闪烁向操作人员发出提醒。

根据柔性接近感知层1和柔性压力感知层3的检测结果改变柔性发光交互层4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以及压力等参数，用以调整示教，此时发光交互的功能就可以满足上述要求。通过将相应的压力和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时使柔性发光交互层4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。

上述两种工业场景的应用均对即时性有较高的要求，本发明的机器人皮肤的分布式数据原位采集和实时原位反馈可以有效地降低数据传输和处理的延迟，满足相关要求。

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，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。

利用柔性接近感知层1和柔性压力感知层3，电子皮肤可以得知用户与服务型机器人的接近距离和接触力度，从而可以分辨出用户对服务型机器人的抚摸、点击、拍打和按压等常见的接触形式做出反馈。在抚摸时，柔性发光交互层4的LED光源可以跟随用户的抚摸轨迹实时或延迟点亮，并根据抚摸的力度调整发光的颜色。在点击、拍打或按压时，柔性发光交互层4的LED光源可以产生从接触点向周边波浪式散开的点亮效果，并根据拍打或按压的力度调整发光的颜色。

由此可以说明服务型机器人应用场景下本发明可以针对用户的动作模式做出相应的发光交互，增加了用户从机器人处得到的信息，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，从而优化整个人机交互过程。直观的视觉反馈可以有效地提高用户的观感和参与度，使得人机交互更加流畅和易于接受。

由此实施可见，本发明能够控制柔性发光交互层产生不同模式的视觉反馈，提高人机交互的效率，进一步提高人机交互过程中的安全性；在服务型机器人领域可以提高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)

1.一种仿生发光交互柔性机器人皮肤，其特征在于：

包括柔性感知和交互部分以及数据处理和控制部分，

所述的柔性感知和交互部分主要由柔性接近感知层（1）、柔性压力感知层（3）、柔性发光交互层（4）和柔性基底层（5）由上至下组成层叠式结构，通过柔性封装层（2）将柔性压力感知层（3）、柔性发光交互层（4）封装于柔性基底层（5）上；

所述的数据处理和控制部分是指数据读取与控制电路（6）；

所述的柔性接近感知层（1）主要由多个间隔排布的柔性接近传感单元（101）组成，每个柔性接近传感单元（101）均连接有压线端子（102），经压线端子（102）连接数据处理和控制部分；

所述的柔性接近感知层（1）为由多个柔性接近传感单元（101）组成的阵列，所述柔性接近传感单元（101）是通过将聚氨酯发泡海绵的柔性材料进行物理气相沉积导电化处理、再施加电沉积金属镍的处理从而制得的；

所述的柔性压力感知层（3）由多个间隔阵列排布的柔性压力传感单元（301）以及***柔性压力传感单元（301）的列电极（302）和行电极（303）组成，同一行的柔性压力传感单元（301）***连接有同一根行电极（303），同一列的柔性压力传感单元（301）***连接有列电极（302），各个列电极（302）和行电极（303）各自引出到外部连接数据处理和控制部分；

所述的柔性发光交互层（4）由多个阵列排布的可寻址可编程发光器件组成，柔性发光交互层（4）引出到外部连接数据处理和控制部分；

所述的柔性基底层（5）是一层柔性薄膜。

2.根据权利要求1所述的一种仿生发光交互柔性机器人皮肤，其特征在于：

所述的柔性封装层（2）外表面开设凹槽，柔性接近感知层（1）嵌装于凹槽中。

3.根据权利要求1所述的一种仿生发光交互柔性机器人皮肤，其特征在于：

所述的柔性压力感知层（3）中，每个柔性压力传感单元（301）处，列电极（302）***到柔性压力传感单元（301）顶部，行电极（303）***到柔性压力传感单元（301）底部。

4.根据权利要求1所述的一种仿生发光交互柔性机器人皮肤，其特征在于：

所述柔性压力传感单元（301）是通过将聚氨酯发泡海绵的柔性材料浸入溶解有碳纳米管的正己烷溶液中，完全浸润后取出烘干得到的。

5.根据权利要求1所述的一种仿生发光交互柔性机器人皮肤，其特征在于：

所述的柔性发光交互层（4）由LED灯带的可寻址可编程发光器件组成，在数据读取与控制电路（6）的控制下，根据外界物体与所述的机器人皮肤之间的距离或者外界物体给机器人皮肤施加的压力产生发光视觉反馈，进而与外界物体交互。

6.根据权利要求1所述的一种仿生发光交互柔性机器人皮肤，其特征在于：

所述的柔性基底层（5）的材料是聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料薄膜。

7.根据权利要求1所述的一种仿生发光交互柔性机器人皮肤，其特征在于：

所述的数据读取与控制电路（6）包括了微控制器最小***（601）、压力感知读取电路（602）和接近感知读取电路（603），压力感知读取电路（602）和接近感知读取电路（603）均连接到微控制器最小***（601）；所述的柔性压力感知层（3）的各个列电极（302）和行电极（303）均连接到压力感知读取电路，所述的柔性发光交互层（4）直接连接到微控制器最小***，所述的柔性接近感知层（1）的压线端子（102）均连接到接近感知读取电路（603）；

所述的压力感知读取电路（602）包括第一多路复用器U1、第二多路复用器U10、解码器U6、第一六脚反相器U5、第二六脚反相器U9、第一模拟开关U4、第二模拟开关U8和第一运算放大器U3、第二运算放大器U7和第三运算放大器U3；

所述的压力感知读取电路（602）的连接含有8×8柔性压力传感单元（301）阵列的柔性压力感知层（3），第一多路复用器U4的S1-S8引脚与柔性压力感知层（3）中的8个行电极（302）逐一连接，第一多路复用器U1的D脚经电阻R2和第三运算放大器U2的+IN脚连接，第三运算放大器U2的OUTPUT脚经电阻R8接地，第三运算放大器U5的OUTPUT脚分别连接到第一模拟开关U4、第二模拟开关U8的S1～S4引脚，第一模拟开关U4的IN1～IN4引脚分别和第一六脚反相器U5的4Y～1Y引脚连接，第二模拟开关U8的IN1～IN4引脚分别和第二六脚反相器U9的4Y～1Y引脚连接，第一六脚反相器U5的4A～1A、第二六脚反相器U9的4A～1A引脚均连接到解码器U13的Y0～Y7引脚，解码器U6的A0～A2引脚和第二多路复用器U10的A0～A2引脚连接，第二多路复用器U10的S1～S8引脚分别连接到第一运算放大器U3、第二运算放大器U7的各个IN1+～IN4+引脚，同时第二多路复用器U10的S1～S8引脚分别连接到第一模拟开关U4、第一模拟开关U8的各个D1～D4引脚，第一运算放大器U3、第二运算放大器U7的各个IN1-～IN4-引脚均逐一连接到柔性压力感知层（3）中的8个行电极（303）。

8.根据权利要求1所述的一种仿生发光交互柔性机器人皮肤，其特征在于：

所述的柔性封装层（2）主体由利用模具法发泡成型的聚氨酯发泡材料构成；所述的柔性感知和交互部分通过柔性封装层（2）由基于模具法发泡成型的柔性异构集方法成得到。

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