一种多模态可拓展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。本发明专利技术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。利用率。利用率。

【技术实现步骤摘要】
一种多模态可拓展的交互式柔性机器人皮肤


[0001]本专利技术涉及柔性传感器的
的一种机器人皮肤，具体是一种多模态可拓展的交互式柔性机器人皮肤。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]为了解决
技术介绍
中存在的问题和需求，本专利技术提供了一种多模态可拓展的交互式柔性机器人皮肤。本专利技术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。
[0006]本专利技术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。
[0007]本专利技术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。
[0008]本专利技术所采用的技术方案为：
[0009]本专利技术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；
[0010]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，
[0011]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。
[0012]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；
[0013]所述多个柔性感知单元的结构相同，具体为：
[0014]包括上电极层、柔性压力感知层和下电极层；
[0015]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；
[0016]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。
[0017]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，
[0018]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；
[0019]上电极层为一块上电极板，上电极板覆盖多个压力感知块。
[0020]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；
[0021]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；
[0022]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；
[0023]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。
[0024]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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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(...

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