CN113447073A - 一种仿生柔性模块化电子皮肤系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿生柔性模块化电子皮肤系统及其控制方法，电子皮肤系统包括上位机和至少一块电子皮肤，电子皮肤包括绝缘柔性材料层、传感器单元和中央处理单元，传感器单元和中央处理单元嵌入式安装在绝缘柔性材料层的内部，传感器单元和中央处理单元之间通过柔性电路FPC相互连接；每块电子皮肤的中央处理单元在设定的工作模式下工作，根据预设置的数据融合算法对预选定的传感器数据进行处理，输出传感器语义信息。与现有技术相比，本发明在绝缘柔性材料层的内部安装传感器单元和中央处理单元，电子皮肤可以覆盖在不规则物体的表面，传感器单元集成多种传感器，中央处理单元对传感器的测量数据进行融合，实现了类似人类皮肤的感受功能。

Description

一种仿生柔性模块化电子皮肤系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及仿生技术领域，尤其是涉及一种仿生柔性模块化电子皮肤系统及其控制方法。

背景技术

皮肤是人体最大的器官，包覆在人体表面，直接同外界环境接触，具有保护、排泄、调节体温和感受外界刺激等作用，是人体最大的器官也是最重要的器官之一。随着技术的发展，智能服务机器人成为新的研究热点，如果机器人能够拥有类似于人类的触觉，那么机器人的智能化感知将会迈上一个重要的台阶，因此，包覆在机器人上的电子皮肤成为机器人的关键部件，通过制造电子皮肤对人类皮肤结构以及各种功能进行模仿，具有重要的研究意义和应用价值。

然而，目前多数电子皮肤都是从材料以及微电子等领域进行研究的，主要分为两个类别：利用新材料特性制成的全柔性电子皮肤，以及刚性PCB板形式的电子皮肤。全柔性电子皮肤的优点是模拟了人体皮肤的柔软特性，可以很好的贴附在不规则表面，但缺点是传感器不易集成，往往只能测量单一的物理量，比如压力，且很难进行大面积的制造。而PCB板形式的电子皮肤的优点是单块PCB传感器集成度高，可以拼装成大面积电子皮肤，缺点也非常明显，硬质PCB板不能弯折，不能模拟人类皮肤的表面特性，很难贴附于曲面上。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种仿生柔性模块化电子皮肤系统及其控制方法，在绝缘柔性材料层的内部嵌入式安装传感器单元和中央处理单元，得到的电子皮肤可以覆盖在不规则物体的表面，传感器单元中集成多种类型的传感器，实现了类似人类皮肤的感受功能。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种仿生柔性模块化电子皮肤系统，包括上位机和至少一块电子皮肤，所述电子皮肤包括绝缘柔性材料层、传感器单元、中央处理单元和通信单元，所述传感器单元和中央处理单元嵌入式安装在绝缘柔性材料层的内部，传感器单元和中央处理单元之间通过柔性电路FPC相互连接，所述通信单元用于进行上位机与电子皮肤之间的通信以及不同的电子皮肤之间的通信。

进一步的，所述通信单元为无线通信单元，通信单元嵌入式安装在绝缘柔性材料层的内部，并通过柔性电路FPC与中央处理单元连接。

进一步的，所述绝缘柔性材料层的材质为PDMS、硅胶和凝胶中的一种或多种，具有一定厚度的绝缘柔性材料层内部包覆有传感器单元和中央处理单元，绝缘柔性材料层的材质与人类的皮肤触感相似，具有一定程度的柔韧性与可拉伸性，可以任意覆盖于不规则表面，例如机械臂或机器人表面，这样当有过大的外力施加于电子皮肤上时，绝缘柔性材料层可以消减外力，起到缓冲的作用，保护了安装了电子皮肤的机器人本身。

进一步的，所述传感器单元包括压力传感器、接近传感器、震动传感器、温度传感器、加速度传感器、磁力传感器以及拉伸传感器中的一种或多种。

更进一步的，所述温度传感器的数量为多个，在绝缘柔性材料层的内部均匀分布。

更进一步的，绝缘柔性材料层的下表面连接至待覆盖的物体，接近传感器的数量为多个，设于绝缘柔性材料层内部靠近上表面的一侧。

更进一步的，绝缘柔性材料层的下表面连接至待覆盖的物体，压力传感器的数量为多个，设于绝缘柔性材料层内部与上表面距离不同的多个平面上，压力传感器在每个平面内均匀分布，相邻两个平面内的压力传感器的布置位置相互交错。

更进一步的，传感器单元中的传感器与中央处理单元之间通过柔性电路FPC连接，所述中央处理单元设于绝缘柔性材料层的中心位置，可以根据需要剪切电子皮肤，控制单块电子皮肤的形状和面积，在剪切后中央处理单元与电子皮肤中剩余的传感器进行通信测试。

更进一步的，所述中央处理单元包括多种不同的工作模式，在每种工作模式下分别根据预设置的数据融合算法对预选定的传感器数据进行处理，并输出传感器语义信息，所述传感器数据包括传感器单元中不同类型的传感器的测量数据，所述传感器语义信息为传感器数据所对应的电子皮肤状态量。

更进一步的，所述数据融合算法为BP神经网络，每种工作模式下分别将预选定的传感器数据输入训练好的BP神经网络，BP神经网络输出传感器语义信息，BP神经网络的训练过程如下：

S1：在传感器单元中选择该工作模式所需的N个传感器，获取原始数据集，所述原始数据集包括选定的N个传感器的测量数据以及测量数据所对应的电子皮肤状态量，初始化构建BP神经网络，并设定BP神经网络的初始参数；

S2：对原始数据集中传感器的测量数据进行预处理、特征提取和标准化处理，得到训练数据集；

S3：使用训练数据集对BP神经网络进行训练，得到训练好的BP神经网络。

一种仿生柔性模块化电子皮肤系统的控制方法，包括以下步骤：

A1：将多块电子皮肤分别剪切成所需的形状和大小后覆盖在待覆盖的物体表面，在每块电子皮肤中，中央处理单元与传感器单元通信测试，分别确定每块电子皮肤的传感器单元中传感器的数量和类型；

A2：对于每块电子皮肤，分别配置其中央处理单元的所有工作模式，包括每种工作模式下所需的传感器以及每种工作模式下的传感器语义信息；

A3：分别对每块电子皮肤施加不同的外力，记录传感器的测量数据以及对应的电子皮肤状态量，得到原始数据集，基于原始数据集训练得到每块电子皮肤在各种工作模式下的BP神经网络；

A4：上位机与各块电子皮肤的通信单元通信连接，并分别设定每块电子皮肤中的中央处理单元的工作模式；

A5：每块电子皮肤的中央处理单元分别在设定好的工作模式下工作，并基于训练好的BP神经网络输出传感器语义信息，通过通信单元将传感器语义信息发送至上位机。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)在绝缘柔性材料层的内部嵌入式安装传感器单元和中央处理单元，得到的电子皮肤可以覆盖在不规则物体的表面，传感器单元中集成多种类型的传感器，实现了类似人类皮肤的感受功能。

(2)传感器单元与中央处理单元之间通过柔性电路FPC连接，将中央处理单元以及一些必须的传感器布置在绝缘柔性材料层的中心位置，可以根据需要剪切电子皮肤，控制单块电子皮肤的形状和大小。

(3)中央处理单元有多种不同的工作模式，每种工作模式下融合不同的传感器测量数据，输出不同格式的传感器语义信息，通过配置各块电子皮肤的工作模式，可以模仿人类皮肤的不同功能，分辨不同的外界状态。

(4)多种类型的传感器均被包覆在绝缘柔性材料层的内部，温度传感器均匀分布，通过温度校正消除了温度对各类传感器的影响，压力传感器在距绝缘柔性材料层上表面不同距离的平面内均匀分布，相邻平面内的压力传感器交错分布，能分辨接触力和持续压力。

附图说明

图1为实施例中电子皮肤的结构示意图和工作示意图；

图2为实施例中电子皮肤的切片结构示意图；

图3为实施例中在电子皮肤的侧视状态下压力传感器的分布示意图；

图4为BP神经网络的训练流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

一种仿生柔性模块化电子皮肤系统，包括上位机和至少一块电子皮肤，电子皮肤包括绝缘柔性材料层、传感器单元、中央处理单元和通信单元，传感器单元和中央处理单元嵌入式安装在绝缘柔性材料层的内部，传感器单元和中央处理单元之间通过柔性电路FPC相互连接，通信单元用于进行上位机与电子皮肤之间的通信以及不同的电子皮肤之间的通信。

通信单元可以采用外置接口有线传输方式，也可以采用内置无线传输方式。相邻的多块电子皮肤也可以相互通信，如一块电子皮肤P通过一根线路连接至上位机，相邻的电子皮肤将数据传输至电子皮肤P，再经由电子皮肤P上的线路传输至上位机，这样降低了接线复杂度。另一方面，相邻的电子皮肤之间通信，可以相互校正数据，使得电子皮肤系统的功能更加完善。

如图1所示，绝缘柔性材料层的材质为PDMS、硅胶和凝胶中的一种或多种，具有一定厚度的绝缘柔性材料层包覆传感器单元和中央处理单元，绝缘柔性材料层的材质与人类的皮肤触感相似，具有一定程度的柔韧性与可拉伸性，能够实现少量拉伸、压缩、弯曲和扭曲等变化，可以任意覆盖于不规则表面，例如机械臂或机器人表面，这样当有过大的外力施加于电子皮肤上时，绝缘柔性材料层可以消减外力，起到缓冲的作用，保护了安装了电子皮肤的机器人本身，以及内部的传感器单元和中央处理单元。在施加于绝缘柔性材料层的外力消失后，绝缘柔性材料层能够迅速恢复原来的形状。

传感器单元包括压力传感器、接近传感器、震动传感器、温度传感器、加速度传感器、磁力传感器以及拉伸传感器中的一种或多种，每种传感器的数量均为多个。如图2所示，将绝缘柔性材料层切层展示，可以看到嵌入式安装在绝缘柔性材料层中的传感器单元和中央处理单元。如图3所示，对有一定厚度的绝缘柔性材料层进行剖视，可以看到其中分布的各种传感器。

本实施例中，温度传感器的数量为多个，在绝缘柔性材料层的内部均匀分布，可以监测整块电子皮肤内的温度场，利用温度场来计算其他传感器所处位置的温度，然后利用温度信息来标定其他传感器，从而对电子皮肤内不同位置的传感器进行温度补偿，消除了温度对传感器测量数据的影响。

绝缘柔性材料层的下表面连接至待覆盖的物体，如机械臂、机器人等不规则物体或平整的安装面等，接近传感器的数量为多个，布置在绝缘柔性材料层内部靠近上表面的一侧，本实施例中均匀布置了4个接近传感器，接近传感器与绝缘柔性材料层的上表面的距离小于0.5cm，使接近传感器能更好的测量外界物体的接近程度。

绝缘柔性材料层的下表面连接至待覆盖的物体，如机械臂、机器人等不规则物体或平整的安装面等，压力传感器的数量为多个，设于绝缘柔性材料层内部与上表面距离不同的多个平面上，压力传感器在每个平面内均匀分布，如图3所示，相邻两个平面内的压力传感器的布置位置相互交错，使电子皮肤可以分辨接触力与持续压力。如可以在距绝缘柔性材料层上表面0.5cm处均匀布置多个压力传感器，在距绝缘柔性材料层上表面1cm处均匀布置多个压力传感器，在距绝缘柔性材料层下表面0.5cm处均匀布置多个压力传感器。

震动传感器和加速度传感器可以布置在绝缘柔性材料层的其他位置。

传感器单元中的多个传感器与中央处理单元之间通过柔性电路FPC连接，中央处理单元设于绝缘柔性材料层的中心位置。在具体实施时，将中央处理单元以及一些必须的传感器布置在绝缘柔性材料层的中心位置，在将电子皮肤覆盖在机器人表面或其他位置时，可以根据需要剪切电子皮肤，控制单块电子皮肤的形状和大小，在剪切后中央处理单元与电子皮肤中剩余的传感器进行通信测试，判断传感器是否正常工作，中央处理单元再获取可以正常工作的传感器的测量数据。

在人机交互或者机器人搬运物品的应用场景下，机器人必然会接触物体，所以机器人本体以及物体的安全就显得尤为重要，面对过大的外力及载荷，机器人必须学会自己分辨各种力的大小，从而做出相应的反应，来避免机器人本体损坏、人类受伤或物体破损；通过在机器人表面覆盖本申请提供的仿生柔性模块化电子皮肤系统，基于传感器单元的测量数据模拟人类皮肤的感受功能，如压觉、温度觉、接近觉等，机器人控制器可以判断力的大小并调整自身的状态，从而保证了机器人本体以及物体的安全。

传感器单元包括多种类型的多个传感器，可以根据不同类型、不同数量的传感器的测量数据得到不同的状态判断。因此，为中央处理单元配置了多种不同的工作模式，在每种工作模式下分别根据预设置的数据融合算法对预选定的传感器数据进行处理，并输出传感器语义信息，传感器数据包括传感器单元中不同类型的传感器的测量数据，传感器语义信息为传感器数据所对应的电子皮肤状态量。如在工作模式1下，通过压力传感器与拉伸传感器判断接触物体的柔软程度，在工作模式2下通过压力传感器、接近传感器和震动传感器判断整体的接触模式等。

数据融合算法采用BP神经网络，每种工作模式下分别将预选定的传感器数据输入训练好的BP神经网络，BP神经网络输出传感器语义信息，如图4所示，一个工作模式下的BP神经网络的训练过程如下：

S1：在传感器单元中选择该工作模式所需的N个传感器(如4个接近传感器、所有的温度传感器和所有的压力传感器，或者所有的震动传感器和所有的加速度传感器等)，获取原始数据集，原始数据集包括选定的N个传感器的测量数据以及测量数据所对应的电子皮肤状态量(如震动等级等)，初始化构建BP神经网络，并设定BP神经网络的初始参数，BP神经网络的结构可以使用常规网络结构，输入层神经元的数量根据选定的N个传感器设置，输出层神经元的数量根据电子皮肤状态量设置；

S2：对原始数据集中传感器的测量数据进行预处理、特征提取和标准化处理，得到训练数据集；预处理包括数据去噪、放大等常规操作，根据传感器测量的物理量的不同将历史测量数据分类，再进行特征提取，将提取得到的特征信号进行归一化处理，得到标准格式的特征信息；

S3：使用训练数据集对BP神经网络进行训练，得到训练好的BP神经网络。

一种仿生柔性模块化电子皮肤系统的控制方法，包括以下步骤：

A1：将多块电子皮肤分别剪切成所需的形状和大小后覆盖在待覆盖的物体表面，在每块电子皮肤中，中央处理单元与传感器单元通信测试，分别确定每块电子皮肤的传感器单元中传感器的数量和类型；

A2：对于每块电子皮肤，分别配置其中央处理单元的所有工作模式，包括每种工作模式下所需的传感器以及每种工作模式下的传感器语义信息；

A3：分别对每块电子皮肤施加不同的外力，记录传感器的测量数据以及对应的电子皮肤状态量，得到原始数据集，基于原始数据集训练得到每块电子皮肤在各种工作模式下的BP神经网络；

A4：上位机与各块电子皮肤的通信单元通信连接，并分别设定每块电子皮肤中的中央处理单元的工作模式；

A5：每块电子皮肤的中央处理单元分别在设定好的工作模式下工作，并基于训练好的BP神经网络输出传感器语义信息，通过通信单元将传感器语义信息发送至上位机。

在实际使用时，分别调整每块电子皮肤的中央处理单元的工作模式，以获取每块电子皮肤的状态量，如触觉、压觉等。面对多种传感器，不同的工作模式下需要的传感器数据不同、输出的传感器语义信息也有所不同，在每种工作模式下使用不同的BP神经网络，将传感器数据输入训练好的BP神经网络，由BP神经网络输出所需的传感器语义信息。

将多块电子皮肤覆盖到机器人表面后，通过上位机对多块电子皮肤进行控制，如改变电子皮肤的中央处理单元的工作模式，获取、存储电子皮肤的数据等，从而实现协同控制。如图1所示，传感器采集的数据经过模数转换器ADC输入中央处理单元，中央处理单元将数据送入训练好的神经网络中，得到高层语音信息。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种仿生柔性模块化电子皮肤系统，其特征在于，包括上位机和至少一块电子皮肤，所述电子皮肤包括绝缘柔性材料层、传感器单元、中央处理单元和通信单元，所述传感器单元和中央处理单元嵌入式安装在绝缘柔性材料层的内部，传感器单元和中央处理单元之间通过柔性电路FPC相互连接，所述通信单元用于进行上位机与电子皮肤之间的通信以及不同的电子皮肤之间的通信。

2.根据权利要求1所述的一种仿生柔性模块化电子皮肤系统，其特征在于，所述通信单元为无线通信单元，通信单元嵌入式安装在绝缘柔性材料层的内部，并通过柔性电路FPC与中央处理单元连接。

3.根据权利要求1所述的一种仿生柔性模块化电子皮肤系统，其特征在于，所述传感器单元包括压力传感器、接近传感器、震动传感器、温度传感器、加速度传感器、磁力传感器以及拉伸传感器中的一种或多种。

4.根据权利要求3所述的一种仿生柔性模块化电子皮肤系统，其特征在于，所述温度传感器的数量为多个，在绝缘柔性材料层的内部均匀分布。

5.根据权利要求3所述的一种仿生柔性模块化电子皮肤系统，其特征在于，绝缘柔性材料层的下表面连接至待覆盖的物体，接近传感器的数量为多个，设于绝缘柔性材料层内部靠近上表面的一侧。

6.根据权利要求3所述的一种仿生柔性模块化电子皮肤系统，其特征在于，绝缘柔性材料层的下表面连接至待覆盖的物体，压力传感器的数量为多个，设于绝缘柔性材料层内部与上表面距离不同的多个平面上，压力传感器在每个平面内均匀分布，相邻两个平面内的压力传感器的布置位置相互交错。

7.根据权利要求3所述的一种仿生柔性模块化电子皮肤系统，其特征在于，所述中央处理单元设于绝缘柔性材料层的中心位置。

8.根据权利要求3所述的一种仿生柔性模块化电子皮肤系统，其特征在于，所述中央处理单元包括多种不同的工作模式，在每种工作模式下分别根据预设置的数据融合算法对预选定的传感器数据进行处理，并输出传感器语义信息，所述传感器数据包括传感器单元中不同类型的传感器的测量数据，所述传感器语义信息为传感器数据所对应的电子皮肤状态量。

9.根据权利要求8所述的一种仿生柔性模块化电子皮肤系统，其特征在于，所述数据融合算法为BP神经网络，每种工作模式下分别将预选定的传感器数据输入训练好的BP神经网络，BP神经网络输出传感器语义信息，一个工作模式下的BP神经网络的训练过程如下：

S1：在传感器单元中选择该工作模式所需的N个传感器，获取原始数据集，所述原始数据集包括选定的N个传感器的测量数据以及测量数据所对应的电子皮肤状态量，初始化构建BP神经网络，并设定BP神经网络的初始参数；

S2：对原始数据集中传感器的测量数据进行预处理、特征提取和标准化处理，得到训练数据集；

S3：使用训练数据集对BP神经网络进行训练，得到训练好的BP神经网络。

10.一种仿生柔性模块化电子皮肤系统的控制方法，其特征在于，基于如权利要求1-9中任一所述的仿生柔性模块化电子皮肤系统，包括以下步骤：

A1：将多块电子皮肤分别剪切成所需的形状和大小后覆盖在待覆盖的物体表面，在每块电子皮肤中，中央处理单元与传感器单元通信测试，分别确定每块电子皮肤的传感器单元中传感器的数量和类型；

A2：对于每块电子皮肤，分别配置其中央处理单元的所有工作模式，包括每种工作模式下所需的传感器以及每种工作模式下的传感器语义信息；

A3：分别对每块电子皮肤施加不同的外力，记录传感器的测量数据以及对应的电子皮肤状态量，得到原始数据集，基于原始数据集训练得到每块电子皮肤在各种工作模式下的BP神经网络；

A4：上位机与各块电子皮肤的通信单元通信连接，并分别设定每块电子皮肤中的中央处理单元的工作模式；

A5：每块电子皮肤的中央处理单元分别在设定好的工作模式下工作，并基于训练好的BP神经网络输出传感器语义信息，通过通信单元将传感器语义信息发送至上位机。

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