适用于机器人大面积覆盖的模块式电子皮肤及其应用方法与流程

本发明涉及一种适用于机器人大面积覆盖的模块式电子皮肤及其应用方法，主要针对新型人机协作机器人需要大面积覆盖的电子皮肤部位的触觉信息的采集与处理。

背景技术：

人机协作机器人是未来机器人发展的重要方向，是实现人机共融，推动机器人真正走进人们生产和生活，造福人类社会的重要技术。人机协作机器人需要解决的核心问题主要有：安全问题、功能问题和效率问题。其中，人机协作机器人的触觉信息的获取和处理对于人机协作机器人的开发具有十分重要的意义。电子皮肤是人类开发模拟人体皮肤功能的触觉传感器，长期以来世界各国对此都投入巨大的研发力量，尤其是近10年来电子皮肤发展迅猛，新型电子皮肤不断出现，但至今为止仍然没有一款电子皮肤得到商业化的实际应用。

主要的原因有以下几点：

（1）在结构功能上，目前研发的电子皮肤主要侧重于模仿人类皮肤的某些局部功能和特性，却忽视了皮肤全局上的复杂性，如在实际应用中机器人不同部位触觉传感器的种类和分布要求都是不一样的；

（2）在系统集成上，目前研发的电子皮肤往往不考虑其与机器人系统的集成问题，如传感器性能参数、信号接口、数据表达、形状尺寸、组网架构、布局布线、固定方法、功耗以及传感器标定等一系列问题均没有得到充分地考虑，因此研发出的电子皮肤在实际应用中根本无法与现有机器人的系统兼容；

（3）在模块化设计上，现有电子皮肤大多制成整体形式，缺乏模块化设计，使得电子皮肤制备成本高昂，不同系统均需要定制开发，电子皮肤上众多的传感器单元万一出现损坏就可能导致整个电子皮肤的报废，同时整体式的电子皮肤覆盖面积难以做得很大，测试、标定、维修维护都存在很大的问题；

（4）在触觉数据的智能化处理上，现有的电子皮肤大多不考虑数据处理问题，或将整个电子皮肤数据集中到一个电路模块处理，从而造成传输数据量和引线数量大幅度增加，核心处理器信息处理速度不足，响应速度慢等一系列问题。

因此，只有妥善解决以上问题，电子皮肤在人机协作机器人上才能真正得到有效地应用。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种适用于机器人大面积覆盖的模块式电子皮肤及其应用方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种适用于机器人大面积覆盖的模块式电子皮肤，其包括：

若干组基础单元模块，具有若干接口，用于各种信息的检测和采集；

节点单元模块，对应基础单元模块的组数设置，且具有若干接口，用于基础单元模块检测和采集的数据的处理；

底层柔性电路连接层，其由柔性电路板制成，具有若干模块安装位，各个模块安装位之间通过可裁剪结构连接，所述模块安装位可用于安装基础单元模块或者节点单元模块，且各个模块安装位之间通过总线相连，并构成网格总线结构，所述总线与各个模块安装位的接口相连，所述底层柔性电路连接层的边缘设有可用于面积扩展的总线接口。

所述基础单元模块包括：

柔性薄膜压力感应层，用于检测皮肤表面的接触压力；

柔性缓冲层，用于柔性薄膜压力感应层以及底层主电路层之间的缓冲；

底层主电路层，由柔性电路板制成，用于各种信息的检测和采集。

所述节点单元模块为硬质线路板，其上设有用于接收基础单元模块检测和采集的数据并进行处理的处理器。

所述节点单元模块设有电源转换模组。

所述模块安装位的四周设有可裁剪结构，且所述可裁剪结构内设有总线，且所述总线与模块安装位的接口连接。

所述底层柔性电路连接层设有若干网孔。

一种上述的适用于机器人大面积覆盖的模块式电子皮肤的应用方法，根据机器人不同部位的功能要求，在模块安装位设置对应功能的基础单元模块以及与基础单元模块配对的节点单元模块，并根据机器人不同部位对底层柔性电路连接层进行裁剪，只要保证各个模块安装位之间的连接不断开即可，通过若干个底层柔性电路连接层边缘的总线接口进行面积扩展，实现机器人不同部位的电子皮肤的全覆盖。

可以根据安装部位的空间需求空置对应位置的模块安装位或者直接裁剪掉对应位置的模块安装位。

本发明的有益效果：

采用创新的柔性模块化设计电子皮肤，从而大大增强了电子皮肤部署的灵活性，提高了系统的冗余度，实现了触觉信息的分布式并行处理，提高了触觉信息处理速度和响应时间，降低了单个微处理器的计算量，降低了电子皮肤调试、标定和维修维护的难度，减低了电子皮肤的制造和使用成本；

采用可裁剪的底层柔性电路连接层设计，实现了电子皮肤在各种复杂机器人表面的灵活方便地部署。

附图说明

图1为本发明的基础单元模块的结构示意图。

图2为本发明的基础单元模块的外观结构示意图。

图3为本发明的节点单元模块外观结构示意图。

图4为本发明的底层柔性电路连接层的结构示意图。

图5为电子皮肤部署方法示意图。

图6为电子皮肤系统在人机协作机械臂上的部署示意图。

图7为电子皮肤系统在移动机器人上的部署示意图。

图8为基础单元模块的硬件电路结构框图。

图9为节点单元模块的硬件电路结构框图。

图10为电子皮肤系统网络拓扑结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种适用于机器人大面积覆盖的模块式电子皮肤，其包括：

若干组基础单元模块，具有若干接口，用于各种信息的检测和采集；

其中基础单元模块从上到下分为：柔性薄膜压力感应层1，该层用宽量程的压阻式薄膜压力传感器作为敏感元件，用于检测皮肤表面的接触压力；柔性缓冲层2，该层用硅胶制成，起到对压力冲击进行缓冲、提高压力传感器灵敏度和保护底层电路的作用；底层主电路层3，该层由柔性电路板制成，主要负责各种触觉信息的检测和采集、信号处理和触觉信息的初步分析。

基础单元模块中包括：通信接口4、温湿度传感器5、接近觉传感器6、柔性缓冲层3、柔性薄膜压力感应层1、单片机7、加速度传感器8、工作指示灯9、调试接口10等。

除了温湿度传感器、接近觉传感器和薄膜压力传感器露在外部，其余均被柔性缓冲层覆盖。

基础单元模块中的传感器可根据需要进行增减，即可以根据机器人部位所需的功能不同来选择具有不同功能的基础单元模块。

基础单元模块采用压阻式薄膜压力传感器检测接触压力，由于压阻式压力传感器具有柔性、量程比大、低成本的特点。本发明通过接触力小时采集高灵敏度变送器电路信号，接触力大时采集大量程变送器电路信号的方法实现自适应灵敏度接触力采集。采用集成式红外激光测距传感器实现接近觉测量。采用集成式温湿度传感器实现温度和湿度的检测。采用集成式mems加速度传感器实现机械臂振动和姿态的检测。单片机触觉采集数据进行初步信息分析，并通过网格总线采用i²c通信协议与节点单元模块。

采用自适应灵敏度切换技术实现兼顾轻接触力时提高灵敏度、重接触力时提高量程的接触力测量。

节点单元模块，对应基础单元模块的组数设置，且具有若干接口，用于基础单元模块检测和采集的数据的处理；

节点单元模块由一块硬质电路板构成，其包括：用于与基础单元模块通信连接的通信接口11、用于与触觉信息处理中枢计算机通信连接的通信接口12、电源模块13、高性能单片机14、工作指示灯9、调试接口10等。节点单元模块主要负责收集下属基础单元模块的触觉事件信息，并对其加以分析处理，从数据中抽象出触觉信息的含义，并对其进行编码后发送给触觉信息处理中枢计算机。另外，节点单元模块也负责将高压电源降压后给基础单元模块供电，并负责管理和监控基础单元模块的工作状态。

节点单元模块通过网格总线采用i²c通信协议与下属的基础单元模块群。节点单元模块对下属的基础单元模块上传的数据进行分析处理、模式识别和数据抽象，再将抽象数据进一步通过rs485总线上传至触觉信息处理中枢计算机。

底层柔性电路连接层，其由柔性电路板制成，具有若干模块安装位，各个模块安装位之间通过可裁剪结构连接，所述模块安装位可用于安装基础单元模块或者节点单元模块，且各个模块安装位之间通过总线相连，并构成网格总线结构，所述总线与各个模块安装位的接口相连，所述底层柔性电路连接层的边缘设有可用于面积扩展的总线接口。

底层柔性电路连接层由柔性电路板制成，其由大小相同的多个方形模块安装位组成，每个模块安装位上可部署一个基础单元模块或一块节点单元模块，每个模块安装位包括：模块接口15、模块安装位16、网孔17、网格总线18、总线接口19、安装孔20构成。相邻的模块位之间均由电源和通信线路构成的总线相连，并形成网格总线结构。网格总线与每个模块位上的模块接口相连，因此当基础单元模块或节点单元模块上的单元通信接口接上模块接口后，就被接入了总线网络，同时也获得了供电电源。每个模块安装位可以根据需要进行裁剪，只要保证整个底层柔性电路连接层不完全断开，底层柔性电路连接层上的每个模块安装位上的模块均可以正常工作。

两块分离的底层柔性电路连接层也可以通过边缘的总线接口进行对接，以拼接成更大的底层柔性电路连接层。底层柔性电路连接层的网孔是可以保证部署时不会因为空气阻力造成皮肤与机器人贴合不平整，同时也可以作为安装孔使用。

安装孔即可以作为螺钉安装形式的螺钉孔，也可以作为弹力安装形式的，弹力勾安装位置，便于电子皮肤灵活方便地部署到机器人上。

本发明还提供了一种上述的适用于机器人大面积覆盖的模块式电子皮肤的应用方法，根据机器人不同部位的功能要求，在模块安装位设置对应功能的基础单元模块21以及与基础单元模块配对的节点单元模块24，并根据机器人不同部位对底层柔性电路连接层进行裁剪，只要保证各个模块安装位之间的连接不断开即可，通过若干个底层柔性电路连接层边缘的总线接口进行面积扩展，实现机器人不同部位的电子皮肤的全覆盖。

不需要部署模块的位置可以空着，如空位22，甚至可以裁剪掉，如裁剪位23。

利用基础单元模块、节点单元模块以及触觉信息处理中枢计算机三极组网，采用触觉信息三级组网处理模式，在减少数据传输量，保证触觉信息快速响应，提高系统冗余度和可靠性的同时，对触觉信息进行了深度信息处理和抽象提取，大大提高了电子皮肤的智能水平，降低了机器人主控制器的数据处理负担。

采用智能化的事件驱动信息处理模式，在减少传输信息量、加快触觉信息响应速度的同时，大幅度减少了无效信息对触觉处理信息的干扰，降低了电子皮肤的整体能耗。

实施例1

电子皮肤系统在人机协作机械臂上的部署，在机械臂部分24和机械爪外侧部分25进行部署电子皮肤模块26，本发明的电子皮肤模块由于具有一定的柔性，因此可以方便地部署在各类柱体形状物体的外侧。机械臂通常为类圆柱体结构，可以方便部署本发明的电子皮肤系统。部署后机械臂可以进行无死角无盲区地检测周围物体接近情况、运动路径障碍物检测和避障、障碍物碰撞预测和碰撞规避以及碰撞接触力检测和基于触觉反馈的行为控制。

实施例2

电子皮肤系统在移动机器人上的部署，本发明的电子皮肤模块26部署在移动机器人27的身体部分后，可以无死角地检测移动机器人周围是否有障碍物28，以及与周围物体的碰撞情况检测，从而实现移动机器人基于触觉的slam导航算法。

实施例不应视为对本发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。