[发明专利]一种可扩展且全局可独立重构的交互式柔性机器人皮肤

说明书

本发明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，具体是一种可扩展且全局可独立重构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，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。

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，本发明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。