CN107727283A - 一种机器人皮肤触感系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机器人皮肤触感系统及实现方法，包括：传感阵列，将施加在机器人皮肤上的压力转化成一定频率的光信号；光电转换模块，与所述传感阵列通过光纤连接，所述光纤传输所述光信号；所述光电转换模块对来自所述传感阵列的光信号进行解析，得到所述光信号的频率和所述光信号的光强度值；主控模块，与所述光电转换模块电连接，用于接收所述光信号的频率和所述光信号的光强度值，并根据所述光信号的频率得到所述压力施加的位置，根据所述光信号的光强度值得到所述压力的压力值。本发明在没有外部压力时，传感阵列不耗电；减少了传感阵列输出的线路数，降低了布线和设计制造的复杂度。

Description

一种机器人皮肤触感系统及实现方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤指一种机器人皮肤触感系统及实现方法。

背景技术

随着机器人技术的飞速发展，人类对于机器人产品的要求不断增多，人形机器人作为形态上最接近人类的机器人种类，越来越走进人类的生活中，机器人助理、机器人管家之类的产品层出不穷，用户对于人形机器人的仿人程度提出了更高的要求，人形机器人要提高仿人的程度，就需要拥有和人类相近的感官系统，触感作为人类的重要感官之一，也就成为了机器人领域的研究重点。

传统机器人皮肤触感系统，如图6所示，该系统包括机器人外壳、压力传感器、信号接收模块、供电模块。将压力传感器阵列排布在机器人外壳上，形成传感器网络，来感知外部对机器人皮肤上产生的压力和位置。压力传感器需要机器人内部的供电模块供电，负责将压力信号转换为电信号，并输出给机器人内部的信号接收模块。所以每个压力传感器都必须配备供电线路和信号线路。

当前设计存在以下问题：

1、在没有外部压力时，压力传感器也在耗电；

2、每个压力传感器都需要布置供电线路和信号线路，至少需要两条供电线和两条信号线，传感器规模很大的系统还需要数据总线，因此有很多线路需要从机器人外壳引出，这导致机器人外壳需要大量开孔，布线复杂，设计和制造的复杂度高。

发明内容

本发明的目的是提供一种机器人皮肤触感实现方法及系统，在没有外部压力时，传感阵列不耗电；减少了传感阵列输出的线路数，降低了布线和设计制造的复杂度。

本发明提供的技术方案如下：

一种机器人皮肤触感系统，包括：传感阵列，将施加在机器人皮肤上的压力转化成一定频率的光信号；光电转换模块，与所述传感阵列通过光纤连接，所述光纤传输所述光信号；所述光电转换模块对来自所述传感阵列的光信号进行解析，得到所述光信号的频率和所述光信号的光强度值；主控模块，与所述光电转换模块电连接，用于接收所述光信号的频率和所述光信号的光强度值，并根据所述光信号的频率得到所述压力施加的位置，根据所述光信号的光强度值得到所述压力的压力值。

在上述技术方案中，传感阵列负责将压力信号转化成光信号，在没有外部压力时，没有光信号输出，所以传感阵列在没有外部压力时是不耗电的。传感阵列输出光信号，不需要供电线路，所以减少了传感阵列的线路输出，简化了线路设计，降低了设计制造难度。同时采用光纤传输光信号，信号的抗电磁干扰性能得到提升。

进一步地，机器人皮肤触感系统包括：所述传感阵列包括至少一个压电感应单元；每个所述压电感应单元感受其对应位置的压力并将所感受的压力转化成一定频率的光信号；以及，所述各个不同的压电感应单元输出的光信号由所述光纤通过不同的频率传输。

在上述技术方案中，传感阵列是由若干个压电感应单元组成，每个压电感应单元感受其对应位置的压力，并转化成光信号；压电感应单元与压力施加的位置是一一对应；不同的压电感应单元输出的光信号频率不同，所以各个不同的压电感应单元输出的光信号可以合并在一根光纤上传输，这进一步减少了传感阵列的输出线路。

进一步地，所述压电感应单元包括：压电元件，用于将所感受的压力转化成电能；发光元件，用于将所述电能转化成原始光信号；窄带滤光片，用于对所述原始光信号进行过滤，输出与窄带滤光片的透光频率相同的光信号。

在上述技术方案中，阐述了压电感应单元的结构，通过窄带滤光片的透光频率不同，保证了每个压电感应单元输出的光信号频率不一样。每个窄带滤光片的输出频率是购买到就可以得知的，这为后续光信号解析，根据光信号的频率得到对应压力施加的位置奠定了基础；同时进一步说明压电感应单元是被动式压力传感器，由接触压力来驱动产生信号，在没有压力情况下是不需要耗电的。

进一步地，所述光电转换模块，通过CCD电荷耦合元件，或者通过CMOS互补金属氧化物半导体，实现对来自所述传感阵列的光信号的解析，得到所述光信号的频率和所述光信号的光强度值。

在上述技术方案中，介绍了光电转换模块实现光信号的解析所采用的技术，都是主流技术，进一步说明了方案的可行性。

本发明还提供一种机器人皮肤触感实现方法，包括：步骤S100传感阵列将施加在机器人皮肤上的压力转化成一定频率的光信号；步骤S200光电转换模块对来自所述传感阵列的光信号进行解析，得到所述光信号的频率和所述光信号的光强度值；步骤S300主控模块接收所述光信号的频率和所述光信号的光强度值，并根据所述光信号的频率得到所述压力施加的位置，根据所述光信号的光强度值得到所述压力的压力值。

在上述技术方案中，传感阵列负责将压力信号转化成光信号，在没有外部压力时，没有光信号输出，所以传感阵列在没有外部压力时是不耗电的。传感阵列输出光信号，不需要供电线路，所以减少了传感阵列的线路输出，简化了线路设计，降低了设计制造难度。同时采用光纤传输光信号，信号的抗电磁干扰性能得到提升。

进一步地，所述步骤S100包括：步骤S110所述传感阵列包括至少一个压电感应单元；步骤S120每个所述压电感应单元感受其对应位置的压力并将感受的压力转化成一定频率的光信号；所述各个不同的压电感应单元输出的光信号由所述光纤通过不同的频率传输。

在上述技术方案中，传感阵列是由若干个压电感应单元组成，每个压电感应单元感受其对应位置的压力，并转化成光信号；压电感应单元与压力施加的位置是一一对应；不同的压电感应单元输出的光信号频率不同，所以各个不同的压电感应单元输出的光信号可以合并在一根光纤上传输，这进一步减少了传感阵列的输出线路。

进一步地，所述步骤S110包括：步骤S111将所感受的压力转化成电能；步骤S112将所述电能转化成原始光信号；步骤S113对所述原始光信号进行过滤，输出与窄带滤光片的透光频率相同的光信号。

在上述技术方案中，阐述了压电感应单元将压力信号转化成光信号的流程，通过窄带滤光片的透光频率不同，保证了每个压电感应单元输出的光信号频率不一样。每个窄带滤光片的输出频率是购买到就可以得知的，这为后续光信号解析，根据光信号的频率得到对应压力施加的位置奠定了基础；同时进一步说明压电感应单元是被动式压力传感器，由接触压力来驱动产生信号，在没有压力情况下是不需要耗电的。

进一步地，所述步骤S200还包括，通过CCD电荷耦合元件，或者通过CMOS互补金属氧化物半导体，实现对来自所述传感阵列的光信号进行解析，得到所述光信号的频率和所述光信号的光强度值。

在上述技术方案中，介绍了光电转换模块实现光信号的解析所采用的技术，都是主流技术，进一步说明了方案的可行性。

通过本发明提供的一种机器人皮肤触感实现方法及系统，能够带来以下至少一种有益效果：

1、本发明提供的传感阵列在没有外部压力时是不耗电的。

2、本发明提供的传感阵列，输出线路少，简化了线路设计，降低了设计制造难度。

3、本发明通过采用光纤传输光信号，提高了信号的抗电磁干扰性能。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种机器人皮肤触感实现方法及系统的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本发明的一种机器人皮肤触感系统的一个实施例的结构示意图；

图2是本发明的一种机器人皮肤触感系统的另一个实施例的结构示意图；

图3是本发明的一种机器人皮肤触感系统的另一个实施例的压电感应单元的结构示意图；

图4是本发明的一种机器人皮肤触感实现方法的一个实施例的流程图；

图5是本发明的一种机器人皮肤触感实现方法的另一个实施例的流程图；

图6是传统机器人皮肤触感系统的一个实施例的结构示意图。

附图标号说明：

100.传感阵列，110.压电感应单元，200.光电转换模块，300.主控模块，111.压电元件，112.发光元件，113.窄带滤光片。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，一种机器人皮肤触感系统，包括：

传感阵列100，将施加在机器人皮肤上的压力转化成一定频率的光信号；

光电转换模块200，与所述传感阵列100通过光纤连接，所述光纤传输所述光信号；所述光电转换模块200对来自所述传感阵列100的光信号进行解析，得到所述光信号的频率和所述光信号的光强度值；

主控模块300，与所述光电转换模块200电连接，用于所述光信号的频率和所述光信号的光强度值，并根据所述光信号的频率得到所述压力施加的位置，根据所述光信号的光强度值得到所述压力的压力值。

具体的，传感阵列100通常部署在机器人外壳上，当然，也可以部署在机器人任何需要感受力的位置。光电转换模块200和所述主控模块300部署在机器人内部。

所述传感阵列100用于感知外部对机器人的压力以及压力施加的位置。所述传感阵列100可能感受来自多个位置的压力信息，也可能仅感受来自一个位置的压力信息，再由多个传感阵列100共同完成整个机器人的外部感知。

传感阵列100是由若干个压电感应单元110组成，压电感应单元110与压力施加的位置是一一对应，压电感应单元110采用被动式压力传感器，当感受到压力时，将压力信号转化成一定频率的光信号；当没有感受到压力时，就没有光信号输出；所以在没有外部压力时，由压电感应单元110组成的传感阵列100是不耗电的。

每个压电感应单元110仅输出一个光信号，每个压电感应单元110输出的光信号频率是不同的，不同频率的光信号可以合并到一根光纤传输，所以各个不同的压电感应单元110输出的光信号可以合并到一根光纤传输。这样可以大幅减少传感阵列100与光电转换模块200之间的线路数，降低布线的复杂度。

压力施加的位置与压电感应单元110是一一对应的，压电感应单元110与光信号频率是一一对应的，所以光信号频率与压力施加的位置之间也是一一对应的，根据光信号频率就能知道压力施加的位置。主控模块300内部可以预设一张光信号频率与压力施加的位置的对应表，这样就能很方便地根据光信号频率得到所述压力施加的位置了。

压电感应单元110把压力信息转换光信号，压力值与光强度值之间存在一一映射关系，压力越大，光强度越大，不同的压力值对应不同的光强度值，该关系可以通过测试数据或经验公式得到。根据这个关系，可以反之推导出光强度值与压力值之间的关系。主控模块300内部可以根据光强度值与压力值之间的关系预设一张表，这样就能很方便地根据光强度值得到压力值了。

所述光电转换模块200对光纤上传输的光信号进行解析，得到光纤上所传输的光信号的频率和光信号的光强度值；所述主控模块300根据光信号的频率得到对应压力施加的位置，根据光信号的光强度值，得到压力值。

在本发明的另一个实施例中，如图2所示(其中压电感应单元的结构如图3所示)，一种机器人皮肤触感系统，包括：

传感阵列100，将施加在机器人皮肤上的压力转化成一定频率的光信号；

光电转换模块200，与所述传感阵列100通过光纤连接，所述光纤传输所述光信号；所述光电转换模块200对来自所述传感阵列的光信号进行解析，得到所述光信号的频率和所述光信号的光强度值；

主控模块300，与所述光电转换模块200电连接，用于接收所述光信号的频率和所述光信号的光强度值，并根据所述光信号的频率得到所述压力施加的位置，根据所述光信号的光强度值得到所述压力的压力值；

所述传感阵列100包括至少一个压电感应单元110；每个所述压电感应单元110感受其对应位置的压力并将所感受的压力转化成一定频率的光信号；以及，所述各个不同的压电感应单元110输出的光信号由所述光纤通过不同的频率传输；如果通过不同光纤传输的光信号，即使具有相同的频率，也不影响本发明的实现；

所述压电感应单元110包括：

压电元件111，用于将所感受的压力转化成电能；

发光元件112，用于将所述电能转化成原始光信号；

窄带滤光片113，用于对所述原始光信号进行过滤，输出与窄带滤光片的透光频率相同的光信号；

所述光电转换模块200，通过CCD电荷耦合元件，或者通过CMOS互补金属氧化物半导体，实现对来自所述传感阵列的光信号的解析，得到所述光信号的频率和所述光信号的光强度值。

具体的，相对前一个实施例，本实施例增加了传感阵列100的结构描述、压电感应单元110的结构描述，以及光电转换模块200的进一步描述。

机器人皮肤触感系统是由传感阵列100、光电转换模块200、主控模块300组成。传感阵列100又是由若干个压电感应单元110组成，每个压电感应单元110都有自己特定的光信号频率(由窄带滤光片113决定)，压力作用于传感阵列100时，传感阵列100中能感受压力的单元将压力转化为光信号传递出去，通过光纤(在大多数情况整个传感阵列对外可能只需要一根光纤传递信号，这取决于传感阵列所包含的压电感应单元数和一根光纤的容量，每个压电感应单元110输出的光信号频率不同，所以多个压电感应单元110输出的光信号可以共用一根光纤传递)，传递给光电转换模块200，光电转换模块200对光纤上传输的光信号进行解析，得到光纤上所传输的光信号的频率和光信号的光强度值；主控模块300根据光信号的频率得到对应的压力位置，根据光信号的光强度值得到压力值。主控模块根据压力施加的位置和该位置上的压力大小，可以执行进一步的处理。

压电感应单元110是由压电元件111、发光元件112、窄带滤光片113组成；压电元件111通过半导体压电材料，将压力转化成电能；或，通过将压力转化为切割磁感应线运动发电，从而使压力转化成电能；或，结合前两者方式，进行压电电磁复合发电，从而使压力转化成电能。发光元件112，比如，采用LED发光二极管，微弱的电能就能驱动产生光能。窄带滤光片113，这种滤光片在特定的波段允许光信号通过，而偏离这个波段以外的两侧光信号将被阻止，这是一项常用的光频率分离技术，一般可做350nm～2000nm以内的任意个波长，透过率大于70％以上。光的波长与频率成反比，根据波长可以得到频率。所述压电感应单元110输出的光信号为该压电感应单元所包含的窄带滤光片输出的光信号。

光电转换模块200，通过CCD电荷耦合元件，或者通过CMOS互补金属氧化物半导体，实现对光信号的频率和光强度的感应，得到光信号的频率值和光信号的光强度值。

在本发明的另一个实施例中，如图4所示，一种机器人皮肤触感实现方法，包括：

步骤S100传感阵列将施加在机器人皮肤上的压力转化成一定频率的光信号；

步骤S200光电转换模块对来自所述传感阵列的光信号进行解析，得到所述光信号的频率和所述光信号的光强度值；

步骤S300主控模块所述光信号的频率和所述光信号的光强度值，并根据所述光信号的频率得到所述压力施加的位置，根据所述光信号的光强度值得到所述压力的压力值。

具体的，传感阵列用于感知外部对机器人的压力以及压力施加的位置。所述传感阵列可能感受来自多个位置的压力信息，也可能仅感受来自一个位置的压力信息，再由多个传感阵列共同完成整个机器人的外部感知。

传感阵列是由若干个压电感应单元组成，压电感应单元与压力施加的位置是一一对应，压电感应单元采用被动式压力传感器，当感受到压力时，将压力信号转化成一定频率的光信号；当没有感受到压力时，就没有光信号输出；所以在没有外部压力时，由压电感应单元组成的传感阵列是不耗电的。

每个压电感应单元仅输出一个光信号，每个压电感应单元输出的光信号频率是不同的，不同频率的光信号可以合并到一根光纤传输，所以各个不同的压电感应单元输出的光信号可以合并到一根光纤传输。这样可以大幅减少传感阵列与光电转换模块之间的线路数，降低布线的复杂度。

压力施加的位置与压电感应单元是一一对应的，压电感应单元与光信号频率是一一对应的，所以光信号频率与压力施加的位置之间也是一一对应的，根据光信号频率就能知道压力施加的位置。主控模块内部可以预设一张光信号频率与压力施加的位置的对应表，这样就能很方便地根据光信号频率得到所述压力施加的位置了。

压电感应单元把压力信息转换光信号，压力值与光强度值之间存在一一映射关系，压力越大，光强度越大，不同的压力值对应不同的光强度值，该关系可以通过测试数据或经验公式得到。根据这个关系，可以反之推导出光强度值与压力值之间的关系。主控模块内部可以根据光强度值与压力值之间的关系预设一张表，这样就能很方便地根据光强度值得到压力值了。

所述光电转换模块对光纤上传输的光信号进行解析，得到光纤上所传输的光信号的频率和光信号的光强度值；所述主控模块根据光信号的频率得到对应的压力施加的位置，根据光信号的光强度值，得到压力值。

在本发明的另一个实施例中，如图5所示，一种机器人皮肤触感实现方法：

步骤S110所述传感阵列包括至少一个压电感应单元；

步骤S120每个所述压电感应单元感受其对应位置的压力并将感受的压力转化成一定频率的光信号；所述各个不同的压电感应单元输出的光信号由所述光纤通过不同的频率传输；

步骤S200光电转换模块对来自所述传感阵列的光信号进行解析，得到所述光信号的频率和所述光信号的光强度值；

步骤S300主控模块接收所述光信号的频率和所述光信号的光强度值，并根据所述光信号的频率得到所述压力施加的位置，根据所述光信号的光强度值得到来自所述压力的压力值；

所述步骤S110包括：

步骤S111将所感受的压力转化成电能；

步骤S112将所述电能转化成原始光信号；

步骤S113对所述原始光信号进行过滤，输出与窄带滤光片的透光频率相同的光信号；

所述压力位置上布置的压电感应单元输出的光信号为该压电感应单元所包含的窄带滤光片输出的光信号；

所述步骤S200还包括，通过CCD电荷耦合元件，或者通过CMOS互补金属氧化物半导体，实现对来自所述传感阵列的光信号进行解析，得到所述光信号的频率和所述光信号的光强度值。

具体的，相对前一个实施例，本实施例用步骤S110-S120替代步骤S100，增加了步骤S110的细化，步骤S200的进一步描述。

步骤S110-S120，加上步骤S200、S300，描述了整个机器人皮肤触感系统的工作流程。机器人皮肤触感系统是由传感阵列、光电转换模块、主控模块组成。传感阵列又是由若干个压电感应单元组成，每个压电感应单元与压力施加的位置是一一对应的，每个压电感应单元都有自己特定的光信号频率(由窄带滤光片决定)，压力作用于传感阵列时，传感阵列中能感受压力的单元将压力信号转化为光信号传递出去，通过光纤(在大多数情况整个传感阵列对外可能只需要一根光纤传递信号，这取决于传感阵列所包含的压电感应单元数和一根光纤的容量，每个压电感应单元输出的光信号频率不同，所以多个压电感应单元输出的光信号可以共用一根光纤传递)，传递给光电转换模块，光电转换模块对光纤上传输的光信号进行解析，得到光纤上所传输的光信号的频率和所述光信号的光强度值；主控模块根据光信号的频率得到对应的压力施加的位置，根据该频率的光信号的光强度值，得到对应压力的压力值。主控模块根据压力施加的位置和该位置上的压力大小，可以执行进一步的处理。

步骤S110由步骤S111-S113组成，详述了每一个压电感应单元是如何将压力信号转化成特定频率的光信号。压电感应单元是由压电元件、发光元件、窄带滤光片组成；首先通过压电元件将压力信号转化成电能，可采用半导体压电材料，或，通过将压力转化为切割磁感应线运动发电，或，结合前两者方式，进行压电电磁复合发电。再通过发光元件，比如，LED发光二极管，将微弱的电能转化成光能。最后通过窄带滤光片，输出特定波长的光信号。所述压电感应单元输出的光信号为该压电感应单元所包含的窄带滤光片输出的光信号。

步骤S200进一步描述了光电转换模块实现光信号分离所采用的主要技术，通过CCD电荷耦合元件，或者通过CMOS互补金属氧化物半导体，实现对光信号的频率和光强度的感应，得到光信号的频率值和光信号的光强度值。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种机器人皮肤触感系统，其特征在于，包括：

传感阵列，将施加在机器人皮肤上的压力转化成一定频率的光信号；

光电转换模块，与所述传感阵列通过光纤连接，所述光纤传输所述光信号；所述光电转换模块对来自所述传感阵列的光信号进行解析，得到所述光信号的频率和所述光信号的光强度值；

主控模块，与所述光电转换模块电连接，用于接收所述光信号的频率和所述光信号的光强度值，并根据所述光信号的频率得到所述压力施加的位置，根据所述光信号的光强度值得到所述压力的压力值。

2.根据权利要求1所述的机器人皮肤触感系统，其特征在于：

所述传感阵列包括至少一个压电感应单元；

每个所述压电感应单元感受其对应位置的压力并将所感受的压力转化成一定频率的光信号；

所述各个不同的压电感应单元输出的光信号由所述光纤通过不同的频率传输。

3.根据权利要求2所述的机器人皮肤触感系统，其特征在于，所述压电感应单元包括：

压电元件，用于将所感受的压力转化成电能；

发光元件，用于将所述电能转化成原始光信号；

窄带滤光片，用于对所述原始光信号进行过滤，输出与窄带滤光片的透光频率相同的光信号。

4.根据权利要求1所述的机器人皮肤触感系统，其特征在于：

所述光电转换模块，通过CCD电荷耦合元件，或者通过CMOS互补金属氧化物半导体，实现对来自所述传感阵列的光信号的解析，得到所述光信号的频率和所述光信号的光强度值。

5.一种应用于上述权利要求1-4任一所述的机器人皮肤触感系统的机器人皮肤触感实现方法，其特征在于，包括：

步骤S100传感阵列将施加在机器人皮肤上的压力转化成一定频率的光信号；

步骤S200光电转换模块对来自所述传感阵列的光信号进行解析，得到所述光信号的频率和所述光信号的光强度值；

步骤S300主控模块接收所述光信号的频率和所述光信号的光强度值，并根据所述光信号的频率得到所述压力施加的位置，根据所述光信号的光强度值得到所述压力的压力值。

6.根据权利要求5所述的机器人皮肤触感实现方法，其特征在于，所述步骤S100包括：

步骤S110所述传感阵列包括至少一个压电感应单元；

步骤S120每个所述压电感应单元感受其对应位置的压力并将感受的压力转化成一定频率的光信号；

所述各个不同的压电感应单元输出的光信号由所述光纤通过不同的频率传输。

7.根据权利要求6所述的机器人皮肤触感实现方法，其特征在于，所述步骤S120包括：

步骤S121将所感受的压力转化成电能；

步骤S122将所述电能转化成原始光信号；

步骤S123对所述原始光信号进行过滤，输出与窄带滤光片的透光频率相同的光信号。

8.根据权利要求6所述的机器人皮肤触感实现方法，其特征在于：

所述步骤S200还包括，通过CCD电荷耦合元件，或者通过CMOS互补金属氧化物半导体，实现对来自所述传感阵列的光信号进行解析，得到所述光信号的频率和所述光信号的光强度值。