一种可扩展且全局可独立重构的交互式柔性机器人皮肤制造技术

本发明专利技术公开了一种可扩展且全局可独立重构的交互式柔性机器人皮肤。包括多个皮肤结构单元，包括发光交互模块、柔性迫近传感阵列、阵列重构及数据读取电路、机器人皮肤扩展接口、机器人皮肤数据输出接口，柔性迫近传感阵列连接到阵列重构及数据读取电路，阵列重构及数据读取电路经机器人皮肤数据输出接口连接到数据输出电路，同时阵列重构及数据读取电路与发光交互模块连接，相邻皮肤结构单元的阵列重构及数据读取电路间通过机器人皮肤扩展接口连接。本发明专利技术的柔性机器人皮肤结构单元重构互相独立，可以在机器人本体大面积覆盖，有利于实现大面积的工作环境迫近检测，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。

【技术实现步骤摘要】
一种可扩展且全局可独立重构的交互式柔性机器人皮肤
本专利技术涉及柔性传感器的
的一种机器人皮肤，具体是一种可扩展且全局可独立重构的交互式柔性机器人皮肤。
技术介绍
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并结合硬件控制电路对传感器阵列进行重构的方式，可以提高迫近检测的灵活性，兼顾迫近感知的高空间分辨率和大检测范围，使得机器人皮肤在针对不同的工作场景和需求时：不仅可以实现对于外界物体的远距离感知，最大限度保证人机交互过程中的安全性；还可以实现较高精度的非接触式安全人机交互，既能保证一定的安全检测距离，又能提供一定的迫近检测的空间分辨率来识别交互意图，使机器人在与人或多机器人共享的空间内能更精准的识别迫近方向和位置，进而有针对性地执行避让动作，或通过非接触式交互与人或多机器人协同工作；还可以实现高精度的触摸检测，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。
技术实现思路
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实现基本感知单元的灵活重构、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，本专利技术提出了一种可扩展且全局可独立重构的交互式柔性机器人皮肤。本专利技术所采用的技术方案为：本专利技术包括多个皮肤结构单元，皮肤结构单元主要由发光交互模块、柔性迫近传感阵列、阵列重构及数据读取电路、机器人皮肤扩展接口、机器人皮肤数据输出接口构成，柔性迫近传感阵列输出端连接到阵列重构及数据读取电路，阵列重构及数据读取电路经机器人皮肤数据输出接口连接到数据输出电路，同时阵列重构及数据读取电路与发光交互模块连接，相邻皮肤结构单元的阵列重构及数据读取电路之间通过机器人皮肤扩展接口连接。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，如前所述本专利技术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外围边。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，延本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可扩展且全局可独立重构的交互式柔性机器人皮肤，其特征在于：/n包括多个皮肤结构单元，皮肤结构单元主要由发光交互模块(1)、柔性迫近传感阵列(2)、阵列重构及数据读取电路(3)、机器人皮肤扩展接口(4)、机器人皮肤数据输出接口(5)构成，柔性迫近传感阵列(2)输出端连接到阵列重构及数据读取电路(3)，阵列重构及数据读取电路(3)经机器人皮肤数据输出接口(5)连接到数据输出电路(6)，同时阵列重构及数据读取电路(3)与发光交互模块(1)连接，相邻皮肤结构单元的阵列重构及数据读取电路(3)之间通过机器人皮肤扩展接口(4)连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种可扩展且全局可独立重构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，皮肤结构单元主要由发光交互模块(1)、柔性迫近传感阵列(2)、阵列重构及数据读取电路(3)、机器人皮肤扩展接口(4)、机器人皮肤数据输出接口(5)构成，柔性迫近传感阵列(2)输出端连接到阵列重构及数据读取电路(3)，阵列重构及数据读取电路(3)经机器人皮肤数据输出接口(5)连接到数据输出电路(6)，同时阵列重构及数据读取电路(3)与发光交互模块(1)连接，相邻皮肤结构单元的阵列重构及数据读取电路(3)之间通过机器人皮肤扩展接口(4)连接。


2.根据权利要求1所述的一种可扩展且全局可独立重构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(2)检测。


3.根据权利要求1所述的一种可扩展且全局可独立重构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(2)主要是由M行N列正交阵列排布的柔性迫近感知电极(201)组成，每条柔性迫近感知电极(201)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(201)阵列后的柔性迫近传感阵列(2)中，每条沿行方向布置的柔性迫近感知电极(201)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(201)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(2)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(201)中位于两端的金属片处于柔性迫近传感阵列(2)的边缘，围成了柔性迫近传感阵列(2)正方形的外围边。


4.根据权利要求1所述的一种可扩展且全局可独立重构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(2)的周围，柔性迫近传感阵列(2)中每一行和每一列的柔性迫近感知电极(201)均对应有一个发光交互元件。


5.根据权利要求1所述的一种可扩展且全局可独立重构的交互式柔性机器人皮肤，其特征在于：所述的阵列重构及数据读取电路(3)包括微控制单元及其最小系统(301)、数据读取部分(302)和阵列重构部分(303)，其中微控制单元及其最小系统(301)包括微控制单元(304)，数据读取部分(302)包括传感数据处理芯片(305)和稳压芯片(306)；传感数据处理芯片(305)分别和微控制单元(301)、阵列重构部分(303)以及稳压芯片(306)连接；柔性迫近传感阵列(2)经阵列重构部分(303)后和传感数据处理芯片(305)连接。


6.根据权利要求1所述的一种可扩展且全局可独立重构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(4)和接线串接在一起，作为主节点的皮肤结构单元的微控制单元(304)通过轮询其余的作为从节点的皮肤结构单元中的微控制单元(304)所配置的地址来选择性读取多个皮肤结构单元中的柔性迫近传感阵列(2)传感数据，数据汇总在作为主节点的皮肤结构单元的微控制单元(304)中，最终形成可扩展的交互式柔性机器人皮肤。


7.根据权利要求1所述的一种可扩展且全局可独立重构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)、柔性迫近传感阵列(2)、阵列重构及数据读取电路(3)、机器人皮肤扩展接口(4)和机器人皮肤数据输出接口(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。


8.根据权利要求1所述的一种可扩展且全局可独立重构的交互式柔性机器人皮肤，其特征在于：行方向排布的各个柔性迫近感知电极(...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨赓，侯泽阳，庞高阳，杨华勇，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33