CN114347063A - 一种多模态可拓展的交互式柔性机器人皮肤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多模态可拓展的交互式柔性机器人皮肤。柔性感知单元阵列通过飞线连接单元与数据读取和处理单元相连，柔性感知单元阵列还直接与数据读取和处理单元相连，数据读取和处理单元还与微控制单元以及地址配置单元相连，微控制单元还分别与柔性感知单元阵列、柔性机器人皮肤拓展连接接口、柔性机器人皮肤数据输出接口相连；柔性感知单元阵列设置有迫近感知模式和压力感知模式，微控制单元通过控制数据读取和处理单元实现柔性感知单元阵列的迫近感知模式和压力感知模式切换。本发明根据设置上电极层与下电极层的导通状态，实现功能上的分时复用，实现了迫近感知和压力感知的自由切换，大大提高了柔性机器人皮肤空间利用率。
Description
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，具体是一种多模态可拓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，协作机器人技术正从传统制造业向外扩展，并将融入人类的生活或工作环境，为人类提供优质的服务。由于机器人和人类之间存在频繁而无缝的互动，在协作机器人设计、制造和使用时安全协作性是最先被考虑和保证的因素，安全协作性包括以下两方面:1)人类以自然方式与机器人协作的能力；2)人类与机器人协作时不会对人类生命健康产生危害。为了让人类与协作机器人在一个安全的环境中共存，机器人必须配备智能装置，以便能够理解发生在它们周围的事件以及用户实施的相互行为。协作机器人应该能够探测到障碍物的存在，以避免外界环境物体与用户与协作机器人碰撞碰撞，或者在碰撞发生时立即停止，以保证使用者的安全。
与固定的工业环境相比，协作机器人常常处于任务高度动态和非结构化的环境。处理这些通常未知的和人为主导的环境，挑战了机器人的能力，尤其是感知能力。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单一模式的压力传感器和单一模式的迫近传感器，而较少考虑如何提高机器人皮肤的感知模态。多模态机器人皮肤可以为机器人提供更多的物理感知信息，提高人类和机器人之间增强的互动。单一模式的压力传感器在具有灵敏度高、器件结构简单、制造工艺简单等优点的同时，也存在着高功耗的缺点。单一模式的迫近传感器在具有功耗低，不依赖温度，抗长期信号漂移的稳定性的优点的同时，也存在着无法准确定位外界环境物体与机器人皮肤的接触位置和接触力大小。
一般的机器人皮肤不能给予交互对象反馈或在给予交互对象反馈时效果不直观，通常情况下是将机器人皮肤获得的传感数据传输至上位机进行分析和决策。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，对于人类而言限制了人机交互的进一步发展。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题和需求，本发明提供了一种多模态可拓展的交互式柔性机器人皮肤。本发明中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；为了提高机器人与人类之间协作能力，为机器人提供更多的物理感知信息，可以将压力传感器和迫近传感器集成在一个机器人皮肤上，显著优化人机交互过程。
本发明基于柔性印刷电路板的制造工艺，将发光交互单元、柔性感知单元的下电极层、飞线连接单元的飞线固定单元、数据读取和处理单元、地址配置单元、微控制单元、柔性机器人皮肤拓展连接接口、柔性机器人皮肤数据输出接口等部分通过柔性印刷电路技术一体化设计与异构集成，实现了一种具有迫近感知、压力感知、检测结果原位可视化、传感皮肤可扩展的柔性机器人皮肤。
本发明的柔性机器人皮肤可以在机器人本体大面积覆盖，有利于实现大面积的迫近检测和压力检测，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：
本发明包括柔性感知单元阵列、飞线连接单元、数据读取和处理单元、地址配置单元、微控制单元、柔性机器人皮肤拓展连接接口、柔性机器人皮肤数据输出接口以及柔性印刷电路板基底；
柔性感知单元阵列、飞线连接单元、数据读取和处理单元、地址配置单元、微控制单元、柔性机器人皮肤拓展连接接口以及柔性机器人皮肤数据输出接口均固定安装在柔性印刷电路板基底上，
柔性感知单元阵列通过飞线连接单元与数据读取和处理单元相连，柔性感知单元阵列还直接与数据读取和处理单元相连，数据读取和处理单元还与微控制单元以及地址配置单元相连，微控制单元还分别与柔性感知单元阵列、柔性机器人皮肤拓展连接接口、柔性机器人皮肤数据输出接口相连；柔性感知单元阵列设置有迫近感知模式和压力感知模式，微控制单元通过控制数据读取和处理单元实现柔性感知单元阵列的迫近感知模式和压力感知模式切换，柔性机器人皮肤拓展连接接口用于拓展柔性机器人皮肤。
所述柔性感知单元阵列包括多个柔性感知单元和发光交互单元，柔性感知单元中和附近均设置有发光交互单元，多个柔性感知单元以M行N列的阵列排布方式固定安装在柔性印刷电路板基底上，发光交互单元固定安装在柔性印刷电路板基底上，发光交互单元与微控制单元相连，多个柔性感知单元通过飞线连接单元与数据读取和处理单元相连，多个柔性感知单元还直接与数据读取和处理单元相连；
所述多个柔性感知单元的结构相同，具体为：
包括上电极层、柔性压力感知层和下电极层；
下电极层、柔性压力感知层和上电极层从下到上依次层叠布置，下电极层中和附近均设置有发光交互单元，下电极层直接与数据读取和处理单元相连，上电极层通过飞线连接单元与数据读取和处理单元相连；
所述柔性感知单元根据上电极层与下电极层之间的导通状态设置不同的感知模式。
所述下电极层由以阵列排布方式排布柔性印刷电路板基底上的多个下电极块构成，每个下电极块的四角均设置有发光交互单元，其中不同下电极块的相邻角之间共用一个发光交互单元，
柔性压力感知层由以阵列排布方式排布的多个压力感知块构成，压力感知块的个数与下电极块的个数相同，多个压力感知块分别与多个下电极块相互层叠；
上电极层为一块上电极板，上电极板覆盖多个压力感知块。
所述数据读取和处理单元包括迫近感知数据处理芯片、迫近感知稳压芯片、上电极读取单元和下电极读取单元；
上电极层通过飞线连接单元与上电极读取单元相连，上电极读取单元还与迫近感知数据处理芯片相连，下电极层与下电极读取单元相连，下电极读取单元还与微控制单元相连；迫近感知数据处理芯片分别与迫近感知稳压芯片和地址配置单元相连，迫近感知稳压芯片与微控制单元相连；
当所述上电极层通过上电极读取单元连接恒定电压，下电极层连接下电极读取单元时，上电极层、柔性压力感知层、下电极层三者导通形成电流，此时上电极层和下电极层分别作为柔性压力感知层的正负电极，柔性感知单元处于压力感知模式；
当所述上电极层通过上电极读取单元连接迫近感知数据处理芯片，下电极层处于开路状态时，下电极层没有电流流过，柔性感知单元处于迫近感知模式。
所述柔性压力感知层采用具有多孔结构的柔性材料制备而成，所述多孔结构的柔性材料为聚氨酯海绵、三聚氰胺海绵，柔性压力感知层的制备步骤具体为：首先将多孔结构的柔性材料激光切割为中间镂空的直四棱柱结构；然后将切割好的多孔结构的柔性材料浸泡入含敏感导电材料的溶液中再取出，或将含敏感导电材料的溶液滴在多孔结构的柔性材料上，所述敏感导电材料为碳纳米管、导电炭黑；然后烘干，再用正己烷等有机溶液进行清洗，再次烘干后制成所需柔性压力感知层。
所述飞线连接单元由FPC排线和飞线固定单元相连构成，飞线固定单元为焊盘、翻盖式FPC连接器中的一种；FPC排线的一端与柔性感知单元阵列焊接相连，FPC排线的另一端与焊盘焊接相连或与翻盖式FPC连接器直接相连。
所述柔性印刷电路板基底的材料包括聚对苯二甲酸类塑料PET、聚酰亚胺PI。
所述多个具有相同结构的多模态可拓展的交互式柔性机器人皮肤经过柔性机器人皮肤拓展连接接口串接，多个机器人皮肤中其中一个作为主节点，其余几个作为从节点，主节点的微控制单元(6)通过轮询的方式向其余从节点的地址配置单元(5)所配置的地址来选择性读取多个从节点的柔性感知单元阵列的传感数据，读取到的传感数据最终汇总在主节点的微控制单元(6)中，从而形成可扩展的交互式柔性机器人皮肤***。
所述上电极层读取单元包括多个上电极单刀双掷模块、电压跟随器模块VF1、多个上电极CMOS多路复用器；
电压跟随器模块VF1的同相输入引脚连接其中一个上电极CMOS多路复用器的源极输出引脚，电压跟随器模块VF1上的反相输入引脚和输出引脚分别与各个上电极单刀双掷模块的常开引脚连接，各个上电极单刀双掷模块的输入引脚通过飞线连接单元均与各个上电极层相连，各个上电极单刀双掷模块的常闭引脚连接到迫近感知数据处理芯片上，各个上电极单刀双掷模块的控制引脚分别连接到剩余的上电极CMOS多路复用器的源极输出引脚，各个上电极CMOS多路复用器的控制引脚与微控制单元相连。
所述下电极层读取单元包括多个下电极单刀双掷模块、多个下电极CMOS多路复用器和多个反向放大器；
多个下电极单刀双掷模块的输入引脚均与各个下电极层相连，多个下电极单刀双掷模块的常闭引脚接到电阻R2上，多个下电极单刀双掷模块的常开引脚接到一个反向放大器的反相输入引脚，一个反向放大器的输出引脚经电阻R1后接到另一个反向放大器的反相输入引脚，另一个反向放大器的输出引脚与微控制单元相连。
本发明的有益效果为：
本发明多个相同结构的柔性机器人皮肤通过机器人皮肤扩展接口采用串联的方式连接在一起，形成可扩展的交互式柔性机器人皮肤***，可扩展的交互式柔性机器人皮肤***通过IIC通讯协议实现了不同柔性机器人皮肤的微控制单元之间的通信，使得多个作为从节点的柔性机器人皮肤的传感数据汇集到一个作为主节点的柔性机器人皮肤的微控制单元中，本发明的柔性机器人皮肤上最多可以实现相同结构柔性机器人皮肤的扩展的数量取决于IIC总线负载电容容值大小。具体计算公式为：最多扩展数量＝总线负载电容/单个柔性机器人皮肤电容。
本发明通过集成发光交互单元，为机器人皮肤赋予了交互功能，使传感器的检测结果以原位可视化的形式反馈给用户，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。(可交互)
本发明所述的等距离阵列排布的柔性感知单元根据上电极层与下电极层的导通状态设置不同的感知模式，实现了上电极层和下电极层功能上的分时复用，大大提高了柔性机器人皮肤空间利用率，使得柔性机器人皮肤结构紧凑，降低了柔性机器人皮肤的制造成本。
当外界环境物体与任意或任一行、列上电极发生接触时，对应的行、列上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初步判断外界环境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，若对应的行、列上电极的自电容值会发生阶跃式跳变且超过设定阈值，柔性感知单元的检测模式从迫近感知模式自动切换为压力感知模式，精确判断碰撞接触位置和碰撞接触力大小，实现了时域上从迫近感知和接触感知的全过程。通过接触力大小、接触位置大小、接触时间计算机器人在碰撞接触前后所受的最大冲量、最大压强等物理量，为机器人本体结构的损坏程度提供量化评估依据。并且同一时刻仅开启一种感知模式，不仅大大降低柔性机器人皮肤的功耗，还提高柔性机器人皮肤的使用寿命和灵敏度。
本发明所述的柔性机器人皮肤具有可弯曲、可折叠等柔性材料本身具有的性质，通过3D打印技术设计和制造专用安装外壳，可以实现柔性机器人皮肤与机器人复杂结构表面地紧密贴合，使柔性机器人皮肤广泛地应用于各种形状的机器人，大大增强了机器人对外界环境的感知能力。
多模态可拓展的交互式柔性机器人皮肤同时结合了电阻式压力传感器和电容式迫近传感器的优点，具有灵敏度高、器件结构简单、制造工艺简单、空间分辨率高等特点。
附图说明
图1为本发明柔性机器人皮肤整体结构的斜视图；
图2为本发明柔性机器人皮肤整体结构的上视图；
图3为本发明柔性机器人皮肤柔性感知单元的外观示意图；
图4为本发明柔性机器人皮肤的扩展连接图；
图5为本发明柔性机器人皮肤的各组成部分的电气连接示意图；
图6为本发明柔性机器人皮肤上电极层读取单元电路示意图；
图7为本发明柔性机器人皮肤下电极层读取单元电路示意图；
图中：发光交互单元1、柔性感知单元2、飞线连接单元3、数据读取和处理单元4、地址配置单元5、微控制单元6、柔性机器人皮肤拓展连接接口7、柔性机器人皮肤数据输出接口8、柔性印刷电路板基底9、数据输出电路10、上电极层210、柔性压力感知层220、下电极层230、FPC排线310、飞线固定单元320、迫近感知读取单元410、迫近感知数据处理芯片411、迫近感知稳压芯片412、压力感知读取单元420、上电极层读取单元421、下电极层读取单元422。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1、图2和图5所示，本发明包括柔性感知单元阵列、飞线连接单元3、数据读取和处理单元4、地址配置单元5、微控制单元6、柔性机器人皮肤拓展连接接口7、柔性机器人皮肤数据输出接口8以及柔性印刷电路板基底9；
柔性感知单元阵列、飞线连接单元3、数据读取和处理单元4、地址配置单元5、微控制单元6、柔性机器人皮肤拓展连接接口7以及柔性机器人皮肤数据输出接口8均固定安装在柔性印刷电路板基底9上，
柔性感知单元阵列通过飞线连接单元3与数据读取和处理单元4相连，柔性感知单元阵列还直接与数据读取和处理单元4相连，数据读取和处理单元4还与微控制单元6以及地址配置单元5相连，微控制单元6还分别与柔性感知单元阵列、柔性机器人皮肤拓展连接接口7、柔性机器人皮肤数据输出接口8相连；柔性感知单元阵列设置有迫近感知模式和压力感知模式，微控制单元6通过控制数据读取和处理单元4实现柔性感知单元阵列的迫近感知模式和压力感知模式切换，微控制单元6将分析处理后的传感数据通过柔性机器人皮肤数据输出接口8传送至数据输出电路10；柔性机器人皮肤拓展连接接口7用于拓展柔性机器人皮肤，相邻机器人皮肤的微控制单元6之间通过柔性机器人皮肤拓展连接接口7连接。柔性印刷电路板基底9的材料包括聚对苯二甲酸类塑料PET、聚酰亚胺PI。
如图4所示，多个具有相同结构的多模态可拓展的交互式柔性机器人皮肤经过柔性机器人皮肤拓展连接接口7串接，多个机器人皮肤中其中一个作为主节点，其余几个作为从节点，主节点的微控制单元(6)通过轮询的方式向其余从节点的地址配置单元(5)所配置的地址来选择性读取多个从节点的柔性感知单元阵列中特定位置的传感数据，读取到的传感数据最终汇总在主节点的微控制单元(6)中，从而形成可扩展的交互式柔性机器人皮肤***。
飞线连接单元3由FPC排线310和飞线固定单元320相连构成，飞线固定单元320为焊盘、翻盖式FPC连接器中的一种，采用柔性印刷电路技术一体化设计与异构技术集成在柔性印刷电路板基底9上；FPC排线的一端与柔性感知单元阵列柔性感知单元2的上电极层210焊接相连，FPC排线的另一端与焊盘焊接相连或与翻盖式FPC连接器直接相连。柔性感知单元2采集到的传感数据通过飞线连接单元3传输，经柔性印刷电路9内部走线后引出两路，分别与迫近感知读取单元410和压力感知读取单元420连接。具体实施中，飞线连接单元3由十二条FPC排线310和飞线固定单元320构成，
如图3所示，柔性感知单元阵列包括多个柔性感知单元2和发光交互单元1，柔性感知单元2中和附近均设置有发光交互单元1，多个柔性感知单元2以M行N列的阵列排布方式固定安装在柔性印刷电路板基底9上，具体地，按照图1所述排列的方式构成3行×4列的阵列，更多柔性感知单元2的阵列结构形式相同，更多柔性感知单元2的阵列结构具有更多的柔性感知单元，可以实现更大检测范围的迫近感知和压力感知。发光交互单元1固定安装在柔性印刷电路板基底9上，发光交互单元1与微控制单元6相连，多个柔性感知单元2的上电极层210通过飞线连接单元3与数据读取和处理单元4相连，多个柔性感知单元2的下电极层230还直接与数据读取和处理单元4相连；
发光交互单元1为可寻址可编程发光器件，根据外界环境物体或用户与柔性机器人皮肤之间的距离、压力以及应用场景的差异产生发光交互模式，诸如改变颜色、闪烁以及跟随的发光交互模式。具体的交互方式可应用在以下场景：1当外界环境物体或用户与柔性机器人皮肤的距离达到阈值时，通过闪烁的方式或改变颜色向用户发出警告，避免发生危险；2当外界环境物体或用户与柔性机器人皮肤接触时，通过发光交互单元1颜色亮度的变化判断柔性机器人皮肤所受力的大小，避免外界环境物体或用户对机器人本体结构造成永久性损坏；3当护理型机器人处理一些诸如递送药品等非结构化任务，本发明所述的柔性机器人皮肤可以作为指令的输入单元，例如在机器人皮肤表面以固定的频率进行抚摸、点击或拍打，上述动作作为输入信号，通过改变颜色或亮度的方式等方式告知用户输入指令已被机器人成功读取并即将执行。
具体实施的发光交互单元1中可寻址可编程发光器件为WS2812B型LED灯珠，WS2812B是一款智能控制LED集成光源，它的优点是能够大大降低布线的复杂度，若干个WS2812型LED灯珠只需要连接在一根数据线即可接收微控制单元6的控制信号，控制信号可精确控制具体数量的WS2812B型LED灯珠产生诸如改变颜色、亮度、闪烁、跟随的发光交互模式。此外，每个WS2812B灯珠都并联一个去耦电容，此电容可以为WS2812B型LED灯珠提供较稳定的电源，同时也可以降低WS2812B型LED灯珠耦合到电源端的噪声，降低对柔性感知单元2的电极充放电的影响。WS2812B型LED灯珠用于指示对应的柔性感知单元2的迫近感知状态和压力感知状态，通过对应的WS2812B型LED灯珠定位外界环境物体或用户与柔性机器人皮肤的相对迫近或相对接触区域。
多个柔性感知单元2的结构相同，具体为：
包括上电极层210、柔性压力感知层220和下电极层230；
下电极层230、柔性压力感知层220和上电极层210从下到上依次层叠布置，下电极层230中和附近均设置有发光交互单元1，下电极层230的多个下电极块直接与数据读取和处理单元4的下电极读取单元422相连，上电极层210的上电极板通过飞线连接单元3与数据读取和处理单元4的上电极读取单元421相连；
柔性感知单元2根据上电极层210与下电极层230之间的导通状态设置不同的感知模式。当外界环境物体或用户与任意或任一行、列柔性感知单元发生接触时，对应的行、列柔性感知单元的柔性压力感知层的电阻值与未接触相比会发生变化，通过检测电阻值是否变化可以判断外界环境物体或用户与任意或任一行、列柔性感知单元的柔性压力感知层是否发生接触。
相较于传统的柔性压力传感器，本发明所述的柔性机器人皮肤还具有多孔柔性结构安全、缓冲、吸能的优势，能有效缓冲外界环境物体或用户与传感装置的接触，可以在碰撞等情况发生时降低损害。
柔性压力感知层220为直四棱柱结构、直三棱柱结构、直圆柱结构中的一种；优选的，柔性压力感知层220为直四棱柱结构，与其他结构相比，直四棱柱结构的顶面与上电极层210的接触面积更大，最大效率填充了上电极层210与下电极层230的空间，提高了柔性压力感知层220检测的灵敏性。
柔性压力感知层220采用具有多孔结构的柔性材料如聚氨酯海绵、三聚氰胺海绵制备而成，柔性压力感知层220的制备步骤具体为，首先将多孔结构的柔性材料激光切割为中间镂空的直四棱柱结构；然后将切割好的多孔结构的柔性材料浸泡入含敏感导电材料如碳纳米管、导电炭黑的溶液中再取出，或将含敏感导电材料的溶液滴在多孔结构的柔性材料上；然后烘干，再用正己烷等有机溶液进行清洗，再次烘干即可制成所需柔性压力感知层220；制备获得的柔性多孔敏感压力传感单元具有多孔结构，多孔结构表面沉积的导电材料形成了微观丝状导电通路。
上电极层210和下电极层220的材料均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、镀金银箔；本发明采用镀金铜箔作为传感材料，不仅因为其具有良好的导电性，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。
在多个柔性压力感知层220的顶面涂抹导电银胶等导电胶黏剂，使得柔性压力感知层220胶黏在上电极层210上；在多个下电极层230的顶面涂抹导电银胶等导电胶黏剂，使得柔性压力感知层220胶黏在多个下电极层230上。
下电极层230由以阵列排布方式排布柔性印刷电路板基底9上的多个下电极块构成，每个下电极块的四角均设置有发光交互单元1，其中不同下电极块的相邻角之间共用一个发光交互单元1，实施例中，四个下电极块设置有九个发光交互单元1。发光交互单元1用于指示对应的柔性感知单元的迫近感知状态和压力感知状态，通过对应的发光交互单元1定位外界环境物体或用户与柔性机器人皮肤的相对迫近或相对接触区域。
柔性压力感知层220由以阵列排布方式排布的多个压力感知块构成，压力感知块的个数与下电极块的个数相同，多个压力感知块分别与多个下电极块相互层叠；
上电极层210为一块上电极板，上电极板覆盖多个压力感知块。
数据读取和处理单元4包括迫近感知数据处理芯片411、迫近感知稳压芯片412、上电极读取单元421和下电极读取单元422；由迫近感知数据处理芯片411和迫近感知稳压芯片412构成迫近感知读取单元410，由上电极读取单元421和下电极读取单元422构成压力感知读取模块420。
上电极层210通过飞线连接单元3的FPC排线310和飞线固定单元320与上电极读取单元421相连，上电极读取单元421还与迫近感知数据处理芯片411相连，下电极层230与下电极读取单元422相连，下电极读取单元422还与微控制单元6相连；迫近感知数据处理芯片411分别与迫近感知稳压芯片412和地址配置单元5相连，迫近感知稳压芯片412与微控制单元6相连；
迫近感知数据处理芯片411支持IIC通信协议，并具有四个可选的互不相同的IIC通信地址，从而实现了可扩展功能。
当上电极层210通过上电极读取单元421连接恒定电压，下电极层230连接下电极读取单元422时，上电极层210、柔性压力感知层220、下电极层230三者导通形成电流，此时上电极层210和下电极层230分别作为柔性压力感知层220的正负电极，柔性感知单元2处于压力感知模式，具体实施中，通过下电极读取单元422控制每个下电极层230中各个下电极块的开闭状态，从而调整每个柔性感知单元2的压力感知灵敏度；
当上电极层210通过上电极读取单元421连接迫近感知数据处理芯片411，由迫近感知数据处理芯片411为上电极层210提供充放电电压，下电极层230处于开路状态时，下电极层220没有电流流过，此时上电极层210和柔性压力感知层220等效于电极片，柔性感知单元2充放电的过程等效于电极片充放电的过程，柔性感知单元2处于迫近感知模式。外界环境物体或用户与柔性机器人皮肤之间的距离通过柔性感知单元2处于迫近感知模式时检测；外界环境物体或用户与柔性机器人皮肤之间的压力通过柔性感知单元2处于压力感知模式时检测。
当柔性感知单元2处于压力感知模式时，其感知原理为，当外界环境物体或用户施加的力作用在柔性压力感知层220上可以使其产生几何形变，继而改变压力感知层220内部的微观丝状导电通路数目，引发电阻值的改变；压力感知层220电学参数电阻值的变化，可以反映外界施加在压力感知层220上的力的大小。
当柔性感知单元2处于迫近感知模式时，其感知原理为，在恒定直流电流I输入的条件下向上电极层210和柔性压力感知层220充放电，在充放电的同时电极也会向附近投射电场，通过记录充电时间T和充峰值电压U计算柔性感知单元2的自电容值C，关系式为C＝(I×T)/U；当外界环境物体或用户靠近柔性感知单元2时，柔性感知单元2附近的投射电场分布和强度发生改变，影响了柔性感知单元2的充电时间和充电峰值电压，进而改变柔性感知单元2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。
上电极层读取单元421包括多个上电极单刀双掷模块、电压跟随器模块VF1、多个上电极低压CMOS多路复用器；
电压跟随器模块VF1的同相输入引脚连接其中一个上电极CMOS多路复用器的源极输出引脚，电压跟随器模块VF1上的反相输入引脚和输出引脚分别与各个上电极单刀双掷模块的常开引脚连接，各个上电极单刀双掷模块的输入引脚通过飞线连接单元3均与各个上电极层210相连，各个上电极单刀双掷模块的常闭引脚连接到迫近感知数据处理芯片411上，各个上电极单刀双掷模块的控制引脚分别连接到剩余的上电极CMOS多路复用器的源极输出引脚，各个上电极CMOS多路复用器的控制引脚与微控制单元6相连。
下电极层读取单元422包括多个下电极单刀双掷模块、多个下电极低压CMOS多路复用器和多个反向放大器；
多个下电极单刀双掷模块的输入引脚均与各个下电极层230相连，多个下电极单刀双掷模块的常闭引脚接到电阻R2上，多个下电极单刀双掷模块的常开引脚接到一个反向放大器的反相输入引脚，一个反向放大器的输出引脚经电阻R1后接到另一个反向放大器的反相输入引脚，另一个反向放大器的输出引脚与微控制单元6相连。
具体实施中，数据处理芯片411采用的型号为MPR121,该芯片的功能是将柔性感知单元2检测的电容值进行滤波以及从模拟信号到数字信号的转换，最终得到稳定的数字信号，并将其发送给微控制单元6。MPR121有12个电容感应输入通道用于迫近距离检测，完全满足柔性感知单元2所需的3×4阵列的要求。MPR121使用IIC通信协议与微控制单元6通信，并使用恒定直流(DC)充电电流方式进行电容测量，工作电压为3.3V。MPR121在毫秒内依次扫描12个通道充电和放电，以测量每一行或每一列柔性感知单元2的自电容值。当外界环境物体与用户靠近柔性机器人皮肤表面时，柔性感知单元2电容发生变化。因此，测量该时刻电容并与基准电容值进行比较，判断外界环境物体与用户距离柔性机器人皮肤的距离大小。
具体实施中，迫近感知稳压芯片412选用的是LMS1117芯片，由于数据输出电路10提供的工作电压为5V，而MPR121的工作电压为3.3V，迫近感知数据处理芯片412无法直接与其他元件直接通信，因此LMS1117芯片的作用是将数据输出电路10提供的5V左右的电压稳定输出为3.3V，使得MPR121在正常电压范围内工作。
本发明所述的柔性机器人皮肤上电极层读取单元421电路示意图如图6所示，具体实施中，上电极层读取单元421包含六个单刀双掷模块SPTD1、SPTD2、SPTD3、SPTD4、SPTD5、SPTD6，三个低压CMOS多路复用器MUX1、MUX2、MUX3，一个电压跟随器模块VF1。单刀双掷开关模块采用的型号为ADG884BRMZ，低压CMOS多路复用器采用的型号为ADG658YRUZ，电压跟随器模块选用的型号为TSV914。
每个单刀双掷模块包含两个独立可选择的子单刀双掷开关；每个单刀双掷模块具有十个引脚，分别为电源引脚VDD、子单刀双掷开关1常开引脚S1A，子单刀双掷开关1常闭引脚S1B，子单刀双掷开关2常开引脚S1A2，子单刀双掷开关2常闭引脚S2B，子单刀双掷开关1控制引脚IN1，子单刀双掷开关2控制引脚IN2、子单刀双掷开关1输入引脚D1、子单刀双掷开关2输入引脚D2以及接地引脚GND，所有单刀双掷模块的电源引脚VDD均连接到电源电压，接地引脚GND均接地，常开引脚S1A/S2A、常闭引脚S1B/S2B作为单刀双掷模块的输出端，输入引脚D1/D2为单刀双掷模块的输入端，控制引脚IN1/IN2用于控制输入引脚D1/D2和常开引脚S1A/S2A、常闭引脚S1B/S2B之间的导通和断开；当控制引脚IN1/IN2为低电平时，输入引脚D1/D2与常闭引脚S1B/S2B导通，当控制引脚IN1/IN2为高电平时，输入引脚D1/D2与常开引脚S1A/S2A导通，所述的输入引脚D1、控制引脚IN1、常开引脚S1A、常闭引脚S1B一一对应，所述的输入引脚D2、控制引脚IN2、常开引脚S2A、常闭引脚S2B一一对应。
每个低压CMOS多路复用器具有十六个引脚，分别为三个逻辑控制引脚A1、A2、A3、八个源极输出引脚S1～S8、漏极输入引脚D、使能端引脚E——N、接地引脚GND、正电源引脚VSS、负电源引脚VDD；当多路复用器采用单电源供电时，正电源引脚VSS连接电源电压，负电源引脚VDD不连接，当多路复用器采用双电源供电时，正电源引脚VSS连接正电源电压，负电源引脚VDD连接负电源电压；使能端引脚E——N连接所述微控制单元6的一个数字输出引脚，当使能端引脚E——N输入电平为高电平时，低压CMOS多路复用器处于关闭状态，当使能端引脚E——N输入电平为低电平时，低压CMOS多路复用器处于开启状态；控制引脚A1、A2、A3作为输入端连接所述微控制单元6的三个数字输出引脚，逻辑控制引脚A1、A2、A3的八种输入电平状态分别控制源极输出引脚S1～S8输出电平状态。
每个电压跟随器模块具有十二个引脚，分别为同相输入引脚IN1+、IN2+、IN3+、IN4+、反相输入引脚IN1-、IN2-、IN3-、IN4-、输出引脚OUT1、输出引脚OUT2、输出引脚OUT3、输出引脚OUT4。每个反向放大器具有五个引脚，分别为正电源引脚V+、负电源引脚V-，同相输入引脚+IN、反相输入引脚-IN、输出引脚OUT。所有反向放大器正电源引脚V+均连接到电源电压，同相输入引脚+IN、负电源引脚V-均接地。
柔性感知单元2传输的十二片上电极层210的数据通过飞线连接单元3传输，然后经柔性印刷电路内部走线后连接单刀双掷模块SPTD1～SPTD6的输入引脚D1/D2后，分成两路输出。第一路是经单刀双掷模块的常闭引脚S1B/S2B连接到迫近感知数据处理芯片411的十二个引脚；第二路是经单刀双掷模块的常开引脚S1A/S2A连接到电压跟随器模块VF1。单刀双掷模块SPTD1～SPTD6的控制引脚IN1/IN2连接低压CMOS多路复用器MUX2和MUX3的源极输出引脚S1～S6。
在具体实施中，每一行第一列柔性感知单元2的上电极层210经柔性印刷电路内部走线后连接到单刀双掷模块SPTD1/SPTD3/SPTD5的输入引脚D2，分成两路输出，第一路是经单刀双掷模块SPTD1/SPTD3/SPTD5的常闭引脚S2B连接到迫近感知数据处理芯片411的E0/E4/E8引脚，第二路是经单刀双掷模块SPTD1/SPTD3/SPTD5的常开引脚S2A连接到电压跟随器模块VF1的反相输入引脚IN1-/IN2-/IN3-和输出引脚OUT1/OUT2/OUT3。每一行第二列柔性感知单元2的上电极层210经柔性印刷电路内部走线后连接到单刀双掷模块SPTD1/SPTD3/SPTD5的输入引脚D1，分成两路输出，第一路是经单刀双掷模块SPTD1/SPTD3/SPTD5的常闭引脚S1B连接到迫近感知数据处理芯片的E1/E5/E9引脚，第二路是经单刀双掷模块SPTD1/SPTD3/SPTD5的常开引脚S1A连接到电压跟随器模块VF1的反相输入引脚IN1-/IN2-/IN3-和输出引脚OUT1/OUT2/OUT3。每一行第三列柔性感知单元2的上电极层210经柔性印刷电路内部走线后连接到单刀双掷模块SPTD2/SPTD4/SPTD6的输入引脚D2，分成两路输出，第一路是经单刀双掷模块SPTD2/SPTD4/SPTD6的常闭引脚S2B连接到迫近感知数据处理芯片的E2/E6/E10引脚，第二路是经单刀双掷模块SPTD2/SPTD4/SPTD6的常开引脚S2A连接到电压跟随器模块VF1的反相输入引脚IN1-/IN2-/IN3-和输出引脚OUT1/OUT2/OUT3。每一行第四列柔性感知单元2的上电极层210经柔性印刷电路内部走线后连接到单刀双掷模块SPTD2/SPTD4/SPTD6的输入引脚D1，分成两路输出，第一路是经单刀双掷模块SPTD2/SPTD4/SPTD6的常闭引脚S1B连接到迫近感知数据处理芯片的E3/E7/E11引脚，第二路是经单刀双掷模块SPTD2/SPTD4/SPTD6的常开引脚S1A连接到电压跟随器模块VF1的反相输入引脚IN1-/IN2-/IN3-和输出引脚OUT1/OUT2/OUT3。
电压跟随器模块VF1的反相输入引脚IN1-、输出引脚OUT1经电压跟随器模块VF1的同相输入引脚IN1+与低压CMOS多路复用器MUX1的源极输出引脚S1相连。电压跟随器模块VF1的反相输入引脚IN2-、输出引脚OUT2经电压跟随器模块VF1的同相输入引脚IN2+与低压CMOS多路复用器MUX1的源极输出引脚S2相连。电压跟随器模块VF1的反相输入引脚IN3-、输出引脚OUT3经电压跟随器模块VF1的同相输入引脚IN3+与低压CMOS多路复用器MUX1的源极输出引脚S3相连。
在具体实施中，单刀双掷模块SPTD1的控制引脚IN2连接低压CMOS多路复用器MUX2的源极输出引脚S1；单刀双掷模块SPTD1的控制引脚IN1连接低压CMOS多路复用器MUX2的源极输出引脚S2；单刀双掷模块SPTD2的控制引脚IN2连接低压CMOS多路复用器MUX2的源极输出引脚S3；单刀双掷模块SPTD2的控制引脚IN1连接低压CMOS多路复用器MUX2的源极输出引脚S4；单刀双掷模块SPTD3的控制引脚IN2连接低压CMOS多路复用器MUX2的源极输出引脚S5；单刀双掷模块SPTD3的控制引脚IN1连接低压CMOS多路复用器MUX2的源极输出引脚S6；单刀双掷模块SPTD4的控制引脚IN2连接低压CMOS多路复用器MUX3的源极输出引脚S1；单刀双掷模块SPTD4的控制引脚IN1连接低压CMOS多路复用器MUX3的源极输出引脚S2；单刀双掷模块SPTD5的控制引脚IN2连接低压CMOS多路复用器MUX3的源极输出引脚S3；单刀双掷模块SPTD5的控制引脚IN1连接低压CMOS多路复用器MUX3的源极输出引脚S4；单刀双掷模块SPTD6的控制引脚IN2连接低压CMOS多路复用器MUX3的源极输出引脚S5；单刀双掷模块SPTD6的控制引脚IN1连接低压CMOS多路复用器MUX3的源极输出引脚S6。
通过循环改变低压CMOS多路复用器的控制引脚A1、A2、A3的电平状态，即可循环改变低压CMOS多路复用器的源极输出引脚S1～S6的电平状态，进而循环改变单刀双掷模块的输入引脚D1/D2与单刀双掷模块的常闭引脚S1B/S2B、常开引脚S1A/S2A的连接状态，最终循环改变每一行柔性感知单元2上电极层210的充放电情况。
具体实施中，当低压CMOS多路复用器MUX1的控制引脚A1、A2、A3的电平状态分别为低、低、低时，所有上电极层210连接迫近感知数据处理芯片；当低压CMOS多路复用器MUX1的控制引脚A1、A2、A3的电平状态分别为低、低、高时，与电压跟随器模块VF1的反相输入引脚IN1-、输出引脚OUT1相连的上电极层210连接恒定3.3V电源，其余上电极层210连接迫近感知数据处理芯片；当低压CMOS多路复用器MUX1的控制引脚A1、A2、A3的电平状态分别为低、高、低时，与电压跟随器模块VF1的反相输入引脚IN2-、输出引脚OUT2相连的上电极层210连接恒定3.3V电源，其余上电极层210连接迫近感知数据处理芯片；当低压CMOS多路复用器的MUX1控制引脚A1、A2、A3的电平状态分别为低、高、高时，与电压跟随器模块VF1的反相输入引脚IN1-、输出引脚OUT1相连的上电极层210连接恒定3.3V电源，其余上电极层210连接迫近感知数据处理芯片。
本发明所述的柔性机器人皮肤下电极层422读取单元电路示意图如图7所示，具体实施中，下电极层读取单元422包括七个单刀双掷模块SPTD7、SPTD8、SPTD9、SPTD10、SPTD11、SPTD12、SPTD13，两个低压CMOS多路复用器MUX4、MUX5、四个反向放大器RF1、RF2、RF3、RF4。由于本发明所述的柔性感知单元2为3行×4列等距离排布的阵列，每个柔性感知单元2包括四个下电极块，因此本发明所述的下电极块采用6行×8列阵列形式排布。
每个反向放大器具有五个引脚，分别为正电源引脚V+、负电源引脚V-，同相输入引脚+IN、反相输入引脚-IN、输出引脚OUT。所有反向放大器正电源引脚V+均连接到电源电压，同相输入引脚+IN、负电源引脚V-均接地。
每一行内所有柔性感知单元2的下电极层230引出后共同串接为一路，连接到单刀双掷模块SPTD7、SPTD8、SPTD9的输入引脚D1/D2，经过单刀双掷模块SPTD7、SPTD8、SPTD9的常开引脚S1A/S2A串接为一路后连接到反向放大器IA1的反相输入引脚-IN，经过单刀双掷模块SPTD7、SPTD8、SPTD9的常闭引脚S1B/S2B串接为一路后连接到阻值为1000M欧姆的大阻值电阻R2，此时上电极层210和柔性压力感知层220等效于大电极片。
由于反向放大器IA1的输出引脚OUT的输出电压VOUT1为负，无法直接连接到连接微制单元的输入引脚，需要通过反向放大器IA2将输出电压转为正电压VOUT2。因此，反向放大器IA1的输出引脚OUT经电阻R1后连接反向放大器IA2的反相输入引脚-IN，反向放大器IA2的输出引脚OUT连接微制单元的输入引脚。微控制单元6通过读取输入电压VOUT2，根据公式VOUT2＝-(RF2/R1)*VOUT1，计算反向放大器IA1的输出引脚OUT的输出电压VOUT1,再次根据公式VOUT1＝-(Rx1/RF1)*3.3，即可计算柔性压力感知层220的电阻值Rx1。
具体实施过程中，第一行柔性感知单元2的下电极层230引出并共同串接为一路后连接单刀双掷模块SPTD7的输入引脚D1，第二行柔性感知单元2的下电极层230引出并共同串接为一路后连接单刀双掷模块SPTD7的输入引脚D2，第三行柔性感知单元2的下电极层230引出并共同串接为一路后连接单刀双掷模块SPTD8的输入引脚D1，第四行柔性感知单元2的下电极层230引出并共同串接为一路后连接单刀双掷模块SPTD8的输入引脚D2，第五行柔性感知单元2的下电极层230引出并共同串接为一路后连接单刀双掷模块SPTD9的输入引脚D1，第六行柔性感知单元2的下电极层230引出并共同串接为一路后连接单刀双掷模块SPTD9的输入引脚D2。
低压CMOS多路复用器MUX4的六个源极输出引脚分别连接单刀双掷模块SPTD7、SPTD8、SPTD9的控制引脚IN1/IN2。具体的：低压CMOS多路复用器MUX4的源极输出引脚S1连接单刀双掷模块SPTD7的控制引脚IN1、低压CMOS多路复用器MUX4的源极输出引脚S2连接单刀双掷模块SPTD7的控制引脚IN2、低压CMOS多路复用器MUX4的源极输出引脚S3连接单刀双掷模块SPTD8的控制引脚IN1、低压CMOS多路复用器MUX4的源极输出引脚S4连接单刀双掷模块SPTD8的控制引脚IN2、低压CMOS多路复用器MUX4的源极输出引脚S5连接单刀双掷模块SPTD9的控制引脚IN1、低压CMOS多路复用器MUX4的源极输出引脚S6连接单刀双掷模块SPTD9的控制引脚IN2。
每一行内所有柔性感知单元2的下电极层230串接为一路后，经电压跟随器与下拉电阻R0接地。当某一行连接的源极输出引脚输出电平状态为高电平时，该行内所有柔性感知单元2的下电极层230均导通；当某一行连接的源极输出引脚输出电平状态为低电平时，该行内所有柔性感知单元2的下电极层230均不导通。
电阻R0的作用为下拉电阻，当某一行内柔性感知单元2均不导通时，该行内柔性感知单元2的下电极层230的电平状态不确定，对其他行已经导通柔性感知单元2的下电极层230的电平读数产生影响，加入下拉电阻R0的目的是使得没有导通行内的柔性感知单元2的下电极层230的电平状态确定为低电平。
通过循环改变低压CMOS多路复用器MUX4的控制引脚A1、A2、A3的电平状态，即可循环改变低压CMOS多路复用器MUX4的源极输出引脚S1～S3的电平状态，进而循环改变单刀双掷模块的输入引脚D1/D2与单刀双掷模块的常闭引脚S1B/S2B、常开引脚S1A/S2A的连接状态，最终循环改变每一行内柔性感知单元2的下电极层230的充放电情况。
每一列内所有柔性感知单元2的下电极层230引出后共同串接为一路，连接到单刀双掷模块SPTD10、SPTD11、SPTD12、SPTD13的输入引脚D1/D2，经过单刀双掷模块SPTD10、SPTD11、SPTD12、SPTD13的常开引脚S1A/S2A串接为一路后连接到反向放大器IA3的反相输入引脚-IN，经过单刀双掷模块SPTD10、SPTD11、SPTD12、SPTD13的常闭引脚S1B/S2B串接为一路后连接到阻值为1000M欧姆的大阻值电阻R2，此时上电极层210和柔性压力感知层220等效于大电极片。由于反向放大器IA3的输出引脚OUT的输出电压VOUT3为负，无法直接连接到连接微制单元的输入引脚，需要通过反向放大器IA3将输出电压转为正电压VOUT4。因此，IA1的输出引脚OUT经电阻R1后连接反向放大器IA4的反相输入引脚-IN，反向放大器IA4的输出引脚OUT连接微制单元的输入引脚。微控制单元6通过读取输入电压VOUT4，根据公式VOUT4＝-(RF2/R1)*VOUT3，计算反向放大器IA1的输出引脚OUT的输出电压VOUT3,再次根据公式VOUT3＝-(Rx2/RF1)*3.3，即可计算柔性压力感知层220的电阻值Rx2。
具体实施过程中，第一列柔性感知单元2的下电极层230引出并共同串接为一路后连接单刀双掷模块SPTD10的输入引脚D1，第二列柔性感知单元2的下电极层230引出并共同串接为一路后连接单刀双掷模块SPTD10的输入引脚D2，第三列柔性感知单元2的下电极层230引出并共同串接为一路后连接单刀双掷模块SPTD11的输入引脚D1，第四列柔性感知单元2的下电极层230引出并共同串接为一路后连接单刀双掷模块SPTD11的输入引脚D2，第五列柔性感知单元2的下电极层230引出并共同串接为一路后连接单刀双掷模块SPTD12的输入引脚D1，第六列柔性感知单元2的下电极层230引出并共同串接为一路后连接单刀双掷模块SPTD12的输入引脚D2，第七列柔性感知单元2的下电极层230引出并共同串接为一路后连接单刀双掷模块SPTD13的输入引脚D1，第八列柔性感知单元2的下电极层230引出并共同串接为一路后连接单刀双掷模块SPTD13的输入引脚D2。
低压CMOS多路复用器MUX5的八个源极输出引脚分别连接单刀双掷模块SPTD10、SPTD11、SPTD12、SPTD13的控制引脚IN1/IN2。具体的：低压CMOS多路复用器MUX5的源极输出引脚S1连接单刀双掷模块SPTD10的控制引脚IN1、低压CMOS多路复用器MUX5的源极输出引脚S2连接单刀双掷模块SPTD10的控制引脚IN2、低压CMOS多路复用器MUX5的源极输出引脚S3连接单刀双掷模块SPTD11的控制引脚IN1、低压CMOS多路复用器MUX5的源极输出引脚S4连接单刀双掷模块SPTD11的控制引脚IN2、低压CMOS多路复用器MUX5的源极输出引脚S5连接单刀双掷模块SPTD12的控制引脚IN1、低压CMOS多路复用器MUX5的源极输出引脚S6连接单刀双掷模块SPTD12的控制引脚IN2、低压CMOS多路复用器MUX6的源极输出引脚S7连接单刀双掷模块SPTD13的控制引脚IN1、低压CMOS多路复用器MUX6的源极输出引脚S8连接单刀双掷模块SPTD13的控制引脚IN2。
低压CMOS多路复用器MUX6的源极输出引脚S1～S6分别引出另一路连接线经下拉电阻R0接地，此下拉电阻的作用与上述提到的下拉电阻作用相同。
通过为微控制单元6的多个数字输出引脚设置时序，循环改变每一行和每一列柔性感知单元2下电极层230的充放电情况。当外界环境物体或用户与任意或任一行、列柔性压力感知层220发生接触时，通过对比对应的行、列柔性压力感知层220的电阻值Rx1和Rx2是否相同且与未接触电阻Rx0相比发生变化，若Rx1和Rx2相同且与未接触电阻Rx0相比发生变化，则可以判断外界环境物体或用户与任意或任一行、列柔性压力感知层220发生接触，反之则未接触。
等距离阵列排布的柔性感知单元2根据上电极层210与下电极层230充放电情况设置不同的感知模式，实现了上电极层210和下电极层230功能上的分时复用，大大提高了柔性机器人皮肤空间利用率，使得柔性机器人皮肤结构紧凑，降低了柔性机器人皮肤的制造成本。
具体实施中，微控制单元6使用的是STM32F103C8T6，负责控制发光交互单元1、数据读取控制单元4以及可扩展的交互式柔性机器人皮肤***间的交互；具体的，负责控制发光交互单元1根据外界环境物体或用户与柔性机器人皮肤之间的距离、压力以及应用场景的差异，产生诸如改变颜色、闪烁以及跟随的发光交互模式；负责控制迫近感知读取单元410读取柔性感知单元2的自电容值；负责控制压力读取单元420读取柔性感知单元2的电阻值。微控制单元6支持IIC通信协议、SPI通信协议、串口通信协议等；由于相同结构的柔性机器人皮肤在拓展时距离较近，因此本发明选择用于近场通信的IIC协议，作为柔性机器人皮肤拓展时的通信协议。作为从节点的柔性机器人皮肤通过地址配置单元5为自身设置唯一的IIC地址，作为主节点的柔性机器人皮肤的微控制单元6则通过从节点地址配置单元5设置的IIC地址，与该从节点的柔性机器人皮肤的微控制单元6进行通信并接收数据。
具体实施中，柔性机器人皮肤拓展连接接口7由四个焊盘构成，分别是用于供电的5V焊盘、用于接地的GND焊盘、用于迫近感知数据处理芯片411进行IIC通讯的SCL焊盘和SDA焊盘。在具体使用时，将排线直接焊接在不同部分的机器人皮肤扩展接口，或在焊盘上焊接4引脚的翻盖式FPC连接器，然后将排线连接在相邻柔性机器人皮肤的翻盖式FPC连接器，即可完成各部分的连接。
具体实施中，柔性机器人皮肤数据输出接口8由五个焊盘构成，分别是用于供电的5V焊盘、用于接地的GND焊盘、用于本发明的柔性机器人皮肤与上位机之间串口通信的RX焊盘和TX焊盘以及用于同步重置所有可扩展的交互式柔性机器人皮肤的RESET焊盘。
具体实施中，柔性印刷电路板基底9的材料选用的是聚对苯二甲酸类塑料(PET)。
具体实施中，数据输出电路10包括5个焊盘、串口转USB芯片FT232RL和5引脚的micro USB连接器接口。数据输出电路10一端设置有5个焊盘，与柔性机器人皮肤数据输出接口8的5个焊盘一致，用于和柔性机器人皮肤数据输出接口8连接；另一端焊接有将5引脚的micro USB连接器。将micro USB类型的数据线一端连接micro USB连接器，另一端连接上位机的通用串行总线(USB)接口，即可完成作为主节点的柔性机器人皮肤与上位机之间的连接。串口转USB芯片FT232RL的作用是将RX焊盘和TX焊盘传送的数据转化为能通过microUSB传输的数据，实现柔性机器人皮肤与上位机之间的通信。
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 (10)
1.一种多模态可拓展的交互式柔性机器人皮肤，其特征在于：包括柔性感知单元阵列、飞线连接单元(3)、数据读取和处理单元(4)、地址配置单元(5)、微控制单元(6)、柔性机器人皮肤拓展连接接口(7)、柔性机器人皮肤数据输出接口(8)以及柔性印刷电路板基底(9)；
柔性感知单元阵列、飞线连接单元(3)、数据读取和处理单元(4)、地址配置单元(5)、微控制单元(6)、柔性机器人皮肤拓展连接接口(7)以及柔性机器人皮肤数据输出接口(8)均固定安装在柔性印刷电路板基底(9)上，
柔性感知单元阵列通过飞线连接单元(3)与数据读取和处理单元(4)相连，柔性感知单元阵列还直接与数据读取和处理单元(4)相连，数据读取和处理单元(4)还与微控制单元(6)以及地址配置单元(5)相连，微控制单元(6)还分别与柔性感知单元阵列、柔性机器人皮肤拓展连接接口(7)、柔性机器人皮肤数据输出接口(8)相连；柔性感知单元阵列设置有迫近感知模式和压力感知模式，微控制单元(6)通过控制数据读取和处理单元(4)实现柔性感知单元阵列的迫近感知模式和压力感知模式切换，柔性机器人皮肤拓展连接接口(7)用于拓展柔性机器人皮肤。
2.根据权利要求1所述的一种多模态可拓展的交互式柔性机器人皮肤，其特征在于：
所述柔性感知单元阵列包括多个柔性感知单元(2)和发光交互单元(1)，柔性感知单元(2)中和附近均设置有发光交互单元(1)，多个柔性感知单元(2)以M行N列的阵列排布方式固定安装在柔性印刷电路板基底(9)上，发光交互单元(1)固定安装在柔性印刷电路板基底(9)上，发光交互单元(1)与微控制单元(6)相连，多个柔性感知单元(2)通过飞线连接单元(3)与数据读取和处理单元(4)相连，多个柔性感知单元(2)还直接与数据读取和处理单元(4)相连；
所述多个柔性感知单元(2)的结构相同，具体为：
包括上电极层(210)、柔性压力感知层(220)和下电极层(230)；
下电极层(230)、柔性压力感知层(220)和上电极层(210)从下到上依次层叠布置，下电极层(230)中和附近均设置有发光交互单元(1)，下电极层(230)直接与数据读取和处理单元(4)相连，上电极层(210)通过飞线连接单元(3)与数据读取和处理单元(4)相连；
所述柔性感知单元(2)根据上电极层(210)与下电极层(230)之间的导通状态设置不同的感知模式。
3.根据权利要求2所述的一种多模态可拓展的交互式柔性机器人皮肤，其特征在于：
所述下电极层(230)由以阵列排布方式排布柔性印刷电路板基底(9)上的多个下电极块构成，每个下电极块的四角均设置有发光交互单元(1)，其中不同下电极块的相邻角之间共用一个发光交互单元(1)，
柔性压力感知层(220)由以阵列排布方式排布的多个压力感知块构成，压力感知块的个数与下电极块的个数相同，多个压力感知块分别与多个下电极块相互层叠；
上电极层(210)为一块上电极板，上电极板覆盖多个压力感知块。
4.根据权利要求2所述的一种多模态可拓展的交互式柔性机器人皮肤，其特征在于：
所述数据读取和处理单元(4)包括迫近感知数据处理芯片(411)、迫近感知稳压芯片(412)、上电极读取单元(421)和下电极读取单元(422)；
上电极层(210)通过飞线连接单元(3)与上电极读取单元(421)相连，上电极读取单元(421)还与迫近感知数据处理芯片(411)相连，下电极层(230)与下电极读取单元(422)相连，下电极读取单元(422)还与微控制单元(6)相连；迫近感知数据处理芯片(411)分别与迫近感知稳压芯片(412)和地址配置单元(5)相连，迫近感知稳压芯片(412)与微控制单元(6)相连；
当所述上电极层(210)通过上电极读取单元(421)连接恒定电压，下电极层(230)连接下电极读取单元(422)时，上电极层(210)、柔性压力感知层(220)、下电极层(230)三者导通形成电流，此时上电极层(210)和下电极层(230)分别作为柔性压力感知层(220)的正负电极，柔性感知单元(2)处于压力感知模式；
当所述上电极层(210)通过上电极读取单元(421)连接迫近感知数据处理芯片(411)，下电极层(230)处于开路状态时，下电极层(220)没有电流流过，柔性感知单元(2)处于迫近感知模式。
5.根据权利要求2所述的一种多模态可拓展的交互式柔性机器人皮肤，其特征在于：所述柔性压力感知层(220)采用具有多孔结构的柔性材料制备而成，所述多孔结构的柔性材料为聚氨酯海绵、三聚氰胺海绵，柔性压力感知层(220)的制备步骤具体为：首先将多孔结构的柔性材料激光切割为中间镂空的直四棱柱结构；然后将切割好的多孔结构的柔性材料浸泡入含敏感导电材料的溶液中再取出，或将含敏感导电材料的溶液滴在多孔结构的柔性材料上，所述敏感导电材料为碳纳米管、导电炭黑；然后烘干，再用正己烷等有机溶液进行清洗，再次烘干后制成所需柔性压力感知层(220)。
6.根据权利要求1所述的一种多模态可拓展的交互式柔性机器人皮肤，其特征在于：所述飞线连接单元(3)由FPC排线(310)和飞线固定单元(320)相连构成，飞线固定单元(320)为焊盘、翻盖式FPC连接器中的一种；FPC排线的一端与柔性感知单元阵列焊接相连，FPC排线的另一端与焊盘焊接相连或与翻盖式FPC连接器直接相连。
7.根据权利要求4所述的一种多模态可拓展的交互式柔性机器人皮肤，其特征在于：所述柔性印刷电路板基底(9)的材料包括聚对苯二甲酸类塑料PET、聚酰亚胺PI。
8.根据权利要求1所述的一种多模态可拓展的交互式柔性机器人皮肤，其特征在于：所述多个具有相同结构的多模态可拓展的交互式柔性机器人皮肤经过柔性机器人皮肤拓展连接接口(7)串接，多个机器人皮肤中其中一个作为主节点，其余几个作为从节点，主节点的微控制单元(6)通过轮询的方式向其余从节点的地址配置单元(5)所配置的地址来选择性读取多个从节点的柔性感知单元阵列的传感数据，读取到的传感数据最终汇总在主节点的微控制单元(6)中，从而形成可扩展的交互式柔性机器人皮肤***。
9.根据权利要求4所述的一种多模态可拓展的交互式柔性机器人皮肤，其特征在于：所述上电极层读取单元(421)包括多个上电极单刀双掷模块、电压跟随器模块VF1、多个上电极CMOS多路复用器；
电压跟随器模块VF1的同相输入引脚连接其中一个上电极CMOS多路复用器的源极输出引脚，电压跟随器模块VF1上的反相输入引脚和输出引脚分别与各个上电极单刀双掷模块的常开引脚连接，各个上电极单刀双掷模块的输入引脚通过飞线连接单元(3)均与各个上电极层(210)相连，各个上电极单刀双掷模块的常闭引脚连接到迫近感知数据处理芯片(411)上，各个上电极单刀双掷模块的控制引脚分别连接到剩余的上电极CMOS多路复用器的源极输出引脚，各个上电极CMOS多路复用器的控制引脚与微控制单元(6)相连。
10.根据权利要求4所述的一种多模态可拓展的交互式柔性机器人皮肤，其特征在于：
所述下电极层读取单元(422)包括多个下电极单刀双掷模块、多个下电极CMOS多路复用器和多个反向放大器；
多个下电极单刀双掷模块的输入引脚均与各个下电极层(230)相连，多个下电极单刀双掷模块的常闭引脚接到电阻R2上，多个下电极单刀双掷模块的常开引脚接到一个反向放大器的反相输入引脚，一个反向放大器的输出引脚经电阻R1后接到另一个反向放大器的反相输入引脚，另一个反向放大器的输出引脚与微控制单元(6)相连。
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