CN114536355A - 一种可拓展可重构的多级感知柔性机器人皮肤 - Google Patents

一种可拓展可重构的多级感知柔性机器人皮肤 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可拓展可重构的多级感知柔性机器人皮肤。柔性感知发光阵列均与数据读取和处理单元以及微控制单元相连，微控制单元均与柔性机器人皮肤拓展连接接口和柔性机器人皮肤数据输出接口相连；柔性感知发光阵列通过切换迫近感知模式和压力感知模式实现多级感知功能，微控制单元通过控制数据读取和处理单元实现柔性感知发光阵列的感知模式切换以及重构。本发明的柔性机器人皮肤具有迫近感知、压力感知、检测结果原位可视化、皮肤结构可扩展、柔性迫近感知单元可重构等功能。与传统单一模式的电阻式压力传感器和电容式迫近传感器相比，本发明结合了两种类型传感器的优点，具有灵敏度高、器件结构简单、制造工艺简单、空间分辨率高等特点。

Description

一种可拓展可重构的多级感知柔性机器人皮肤
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，具体是一种可拓展可重构的多级感知柔性机器人皮肤。
背景技术
随着机械电子和控制科学的发展，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。
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。
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。
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。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题和需求，本发明提供了一种可拓展可重构的多级感知柔性机器人皮肤。
本发明所采用的技术方案为：
本发明包括柔性感知发光阵列、数据读取和处理单元、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；柔性感知发光阵列、数据读取和处理单元、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铺设在柔性印刷电路板基底上，柔性感知发光阵列均与数据读取和处理单元以及微控制单元相连，微控制单元均与柔性机器人皮肤拓展连接接口和柔性机器人皮肤数据输出接口相连；柔性感知发光阵列通过切换迫近感知模式和压力感知模式实现多级感知功能，微控制单元通过控制数据读取和处理单元实现柔性感知发光阵列的感知模式切换以及重构。
所述柔性感知发光阵列主要由多个柔性感知发光单元以阵列排布方式安装在柔性印刷电路板基底上，每个柔性感知发光单元的结构相同，具体为：
包括发光交互单元和柔性感知单元，发光交互单元设置在柔性感知单元中，发光交互单元铺设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；
柔性感知单元包括柔性迫近感知单元、正极柔性压力感知电极片、负极柔性压力感知电极片和柔性感知层；柔性迫近感知单元、正极柔性压力感知电极片、负极柔性压力感知电极片均与数据读取和处理单元相连；
柔性迫近感知单元铺设在柔性印刷电路板基底上，柔性迫近感知单元中开设有压力感知单元槽，压力感知单元槽中的柔性印刷电路板基底上铺设有正极柔性压力感知电极片和负极柔性压力感知电极片，正极柔性压力感知电极片和负极柔性压力感知电极片之间间隔布置且正极柔性压力感知电极片和负极柔性压力感知电极片之间的柔性印刷电路板基底上安装有发光交互单元，正极柔性压力感知电极片和负极柔性压力感知电极片上设置有柔性感知层，柔性感知层正好覆盖压力感知单元槽，柔性感知层的中部开设有发光槽，发光交互单元设置在发光槽中，实现感知发光交互单元的发光信息；由正极柔性压力感知电极片、负极柔性压力感知电极片和柔性感知层构成柔性压力感知单元。
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、压力感知读取控制单元、压力感知读取选择单元、压力感知读取逻辑处理单元和两个阵列重构单元；
迫近感知数据处理芯片通过迫近感知稳压芯片与微控制单元相连，迫近感知数据处理芯片与柔性感知发光阵列相连，迫近感知数据处理芯片还与两个阵列重构单元相连；
压力感知读取逻辑处理单元通过压力感知读取选择单元与压力感知读取控制单元相连，压力感知读取控制单元与微控制单元相连，压力感知读取选择单元与柔性感知发光阵列相连；
其中一个阵列重构单元与柔性感知发光阵列中列方向排布的各个柔性感知发光单元相连，另一个阵列重构单元与柔性感知发光阵列中行方向排布的各个柔性感知发光单元相连。
所述两个阵列重构单元结构相同，均由阵列重构控制单元、阵列重构选择单元和阵列重构逻辑处理单元构成；
阵列重构逻辑处理单元通过阵列重构选择单元与阵列重构控制单元连接，阵列重构选择单元均与迫近感知数据处理芯片和柔性感知发光阵列相连，阵列重构控制单元与微控制单元相连。
所述阵列重构选择单元包括K个重构输入端、K个重构输出端以及K个单刀双掷开关，K为单行或者单列上的柔性迫近感知单元的数量；所述重构控制单元包括L个重构控制端，L为log2K向上取整；所述阵列重构逻辑处理单元包括若干个或门；
L个重构控制端均与微控制单元相连，L个重构控制端分别直接与或者通过若干个或门与K个单刀双掷开关的控制引脚相连，L个重构控制端为K个单刀双掷开关的控制引脚提供控制信号；
每个单刀双掷开关的常开引脚S1A、常闭引脚S1B作为两个输出端，输入引脚D为输入端，每个单刀双掷开关的常开引脚S1A、常闭引脚S1B作为两个输出端，输入引脚D为输入端，行或者列上的K个柔性迫近感知单元分别连接到K个重构输入端，在K个重构输入端中，第一个重构输入端直接与第一个重构输出端相连，第二个重构输入端至第K个重构输入端分别与各个单刀双掷开关的输入端连接。
当所述压力感知读取单元没有检测外界环境物体或用户接触柔性机器人皮肤时，柔性机器人皮肤采用单一迫近感知模式，设置压力感知模式临时关闭；当所述压力感知读取单元检测外界环境物体或用户接触柔性机器人皮肤时，柔性机器人皮肤采用单一压力感知模式，设置迫近感知模式临时关闭。
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，所述具有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含敏感导电材料的溶液中再取出，或将含敏感导电材料的溶液滴在多孔结构的柔性材料上，所述敏感导电材料为碳纳米管、导电炭黑；然后烘干，再用正己烷等有机溶液进行清洗，再次烘干后制成所需柔性压力感知层。
所述正极柔性压力感知电极片和负极柔性压力感知电极片均含有3个叉指结构，正极柔性压力感知电极片和负极柔性压力感知电极片的3个叉指结构交叉间隔排列。
所述的柔性机器人皮肤设置有距离的多级检测阈值，通过数据读取和处理单元中的阵列重构单元和微控制单元实现柔性感知发光阵列的迫近感知模式下的动态重构和动态反重构。
多个具有相同结构的所述可拓展可重构的多级感知柔性机器人皮肤经过柔性机器人皮肤拓展连接接口串接，将其中一个多级感知柔性机器人皮肤作为主节点，其余几个多级感知柔性机器人皮肤作为从节点，主节点的所述微控制单元通过轮询的方式向其余从节点的所述微控制单元所配置的地址来选择性读取多个从节点的柔性感知单元的传感数据，读取到的传感数据最终汇总在主节点的所述微控制单元中，从而形成可扩展的交互式柔性机器人皮肤。
多个相同结构的柔性机器人皮肤在拓展时，由于所有柔性机器人皮肤都具有阵列重构单元和微控制单元，皮肤与皮肤之间的阵列重构单元互相独立，因此皮肤与皮肤之间的感知功能调整是互相独立的，即所有皮肤的空间分辨率和检测距离可以相同，也可以互不相同，因此可扩展的交互式柔性机器人皮肤系统具有全局可独立重构特性。
本发明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、数据读取和处理单元、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六个重要组成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、柔性迫近感知单元可重构功能的柔性机器人皮肤。
本发明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。
本发明的有益效果为：
多个相同结构的柔性机器人皮肤通过机器人皮肤扩展接口采用串联的方式连接在一起，形成可扩展的交互式柔性机器人皮肤系统，可扩展的交互式柔性机器人皮肤系统通过IIC通讯协议实现了不同柔性机器人皮肤的微控制单元之间的通信，使得多个作为从节点的柔性机器人皮肤的传感数据汇集到一个作为主节点的柔性机器人皮肤的微控制单元中，本发明的柔性机器人皮肤上最多可以实现128个相同结构柔性机器人皮肤的扩展。
本发明所述的柔性机器人皮肤可以设置三级检测阈值实现迫近感知单元阵列动态重构和动态反向重构。当外界环境物体或用户从接触状态开始远离柔性迫近感知单元过程中，阵列重构单元控制相邻的行电极之间以及相邻的列电极之间自动实施短路，短路后的两个或多个柔性迫近感知电极可以视作一个面积增大的重构迫近感知单元，电极面积越大检测距离越大，电极面积越小检测分辨率越高，因此柔性迫近感知单元通过实施阵列重构过程，达到降低空间分辨率来换取较大的检测距离的目的；当外界环境物体或用户接近柔性迫近感知单元的过程中，阵列重构单元控制已经短路的柔性迫近感知电极反向重构形成一组面积减小的重构迫近感知单元，因此柔性迫近感知单元通过实施阵列反向动态重构过程，达到降低检测距离换取较高的空间分辨率的目的。
本发明通过集成发光交互单元，为机器人皮肤赋予了交互功能，使传感器的检测结果以原位可视化的形式反馈给用户，在多种应用场合中有效地优化人机交互过程，提高了人机交互过程的效率、安全性、流畅度和用户参与度。
本发明所述的柔性机器人皮肤通过切换迫近感知模式和压力感知模式实现多级感知功能。在实际检测时，根据外界环境物体或用户是否接触柔性机器人皮肤，同一时刻仅开启一种感知模式，不仅可以大大降低柔性机器人皮肤的功耗，同时提高柔性机器人皮肤的使用寿命和灵敏度。
本发明所述柔性机器人皮肤与传统单一模式的电阻式压力传感器和电容式迫近传感器相比，既能实现用户和机器人之间的非接触式安全人机交互，又能精确判断碰撞接触位置和碰撞接触力大小，实现了时域上从迫近感知和接触感知的全过程。通过接触力大小、接触位置大小、接触时间计算机器人在碰撞接触前后所受的最大冲量、最大压强等物理量，为机器人本体结构的损坏程度提供量化评估依据。
本发明所述的柔性机器人皮肤具有可弯曲、可折叠等柔性材料本身具有的性质，通过3D打印技术设计和制造专用安装外壳，可以实现柔性机器人皮肤与机器人复杂结构表面地紧密贴合，使柔性机器人皮肤广泛地应用于各种形状的机器人，大大增强了机器人对外界环境的感知能力。
当外界环境物体或用户接近协作机器人本体结构时，柔性迫近感知单元可以为上位机提供分析和决策数据，根据检测的迫近感知面积驱动协作机器人本体结构做出急停、减速、沿原始路径回退、沿另一轨迹躲避等动作。柔性迫近感知单元检测到越小的迫近感知面积时，驱动协作机器人本体结构做出沿原始路径回退、沿另一轨迹躲避等动作，防止因压强过大对机器人本体结构造成巨大损伤；柔性迫近感知单元检测到较大的迫近感知面积时，驱动协作机器人本体结构做出急停、减速等动作。但柔性迫近感知单元根据迫近感知面积驱动协作机器人有时会做出错误的反馈，需要柔性压力感知单元提供的接触感知数据做出修正，驱动协作机器人本体结构做出正确反馈，快速有效地提升人机交互的安全性和可靠性。
可拓展可重构的多级感知柔性机器人皮肤同时结合了电阻式压力传感器和电容式迫近传感器的优点，具有灵敏度高、器件结构简单、制造工艺简单、空间分辨率高等特点。
附图说明
图1为本发明柔性机器人皮肤的整体结构图；
图2为本发明柔性机器人皮肤的柔性感知单元的外观示意图；
图3为本发明柔性机器人皮肤的扩展连接图；
图4为本发明柔性机器人皮肤的柔性迫近感知单元的重构示意图；
图5为本发明柔性机器人皮肤的各组成部分的电气连接示意图；
图6为本发明柔性机器人皮肤的阵列重构单元的电路示意图；
图7为本发明柔性机器人皮肤的柔性压力感知读取单元的电路示意图；
图中：发光交互单元1、柔性感知单元2、数据读取和处理单元3、微控制单元4、柔性机器人皮肤拓展连接接口5、柔性机器人皮肤数据输出接口6、柔性印刷电路板基底7、数据输出电路8、柔性迫近感知单元210、柔性压力感知单元220、正极柔性压力感知电极片221、负极柔性压力感知电极片222、柔性感知层223、迫近感知读取单元310、迫近感知数据处理芯片311、迫近感知稳压芯片312、压力感知读取单元320、压力感知读取控制单元321、压力感知读取选择单元322、压力感知读取逻辑处理单元323、阵列重构单元330、阵列重构控制单元331、阵列重构选择单元332、阵列重构逻辑处理单元333。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明包括柔性感知发光阵列、数据读取和处理单元3、微控制单元4、柔性机器人皮肤拓展连接接口5、柔性机器人皮肤数据输出接口6 以及柔性印刷电路板基底7；柔性感知发光阵列、数据读取和处理单元3、微控制单元4、柔性机器人皮肤拓展连接接口5以及柔性机器人皮肤数据输出接口6均铺设在柔性印刷电路板基底7上，采用柔性印刷电路技术一体化设计与异构集成。柔性感知发光阵列均与数据读取和处理单元3以及微控制单元4相连，微控制单元4均与柔性机器人皮肤拓展连接接口5和柔性机器人皮肤数据输出接口6相连；柔性感知发光阵列通过切换迫近感知模式和压力感知模式实现多级感知功能，微控制单元4通过控制数据读取和处理单元3实现柔性感知发光阵列的感知模式切换以及重构。
柔性印刷电路板基底7的材料为聚对苯二甲酸类塑料PET或者聚酰亚胺PI。
如图3所示，多个具有相同结构的可拓展可重构的多级感知柔性机器人皮肤经过柔性机器人皮肤拓展连接接口5串接，将其中一个多级感知柔性机器人皮肤作为主节点，其余几个多级感知柔性机器人皮肤作为从节点，主节点的微控制单元4通过轮询的方式向其余从节点的微控制单元4所配置的地址来选择性读取多个从节点的柔性感知单元2的传感数据，读取到的传感数据最终汇总在主节点的微控制单元4中，从而形成可扩展的交互式柔性机器人皮肤。
如图2所示，柔性感知发光阵列主要由多个柔性感知发光单元以阵列排布方式安装在柔性印刷电路板基底7上，每个柔性感知发光单元的结构相同，具体为：
包括发光交互单元1和柔性感知单元2，发光交互单元1设置在柔性感知单元2中，发光交互单元1铺设在柔性印刷电路板基底7上，发光交互单元1 与微控制单元4相连；
本发明采用电阻式压力感知和电容式迫近感知的方式，将柔性感知单元进行阵列式排布，构成了本发明的柔性迫近传感阵列，使得机器人皮肤具备高空间分辨率的迫近感知功能和高灵敏度的压力感知功能。
更具体地，按照图1所述排列的方式构成阶数为6×6的阵列，更多柔性感知单元的阵列结构形式相同，可以实现更大检测范围的迫近感知和压力感知。
发光交互单元1为可寻址可编程发光器件，根据外界环境物体或用户与柔性机器人皮肤之间的距离、压力以及应用场景的差异，产生诸如改变颜色、亮度以及跟随的发光交互模式。具体的交互方式可应用在以下场景：1)当外界环境物体或用户与柔性机器人皮肤的距离达到阈值时，通过闪烁的方式或改变颜色向用户发出警告，避免发生危险；2)当外界环境物体或用户与柔性机器人皮肤接触时，通过发光交互单元颜色亮度的变化判断柔性机器人皮肤所受力的大小，避免外界环境物体或用户对机器人本体结构造成永久性损坏；3)当护理型机器人处理一些诸如递送药品等非结构化任务，本发明所述的柔性机器人皮肤可以作为指令的输入单元，例如在机器人皮肤表面以固定的频率进行抚摸、点击或拍打，上述动作作为输入信号，通过改变颜色或亮度的方式等方式告知用户输入指令已被机器人成功读取并即将执行。
具体实施中，发光交互单元1中可寻址可编程发光器件为WS2812B型 LED灯珠。如图1所示，本发明的柔性机器人皮肤上集成了36个发光交互单元1。WS2812B是一款智能控制LED集成光源。它的优点是能够大大降低布线的复杂度，若干个WS2812型LED灯珠只需要连接在一根数据线即可接收微控制单元4的控制信号，控制信号可精确控制具体数量的WS2812B型LED灯珠产生诸如改变颜色、亮度、闪烁、跟随的发光交互模式。此外，每个WS2812B灯珠都并联一个去耦电容，此电容可以为WS2812B型LED灯珠提供较稳定的电源，同时也可以降低WS2812B型LED灯珠耦合到电源端的噪声，降低对柔性迫近感知单元210的电极充放电的影响。
柔性感知单元2包括柔性迫近感知单元210、正极柔性压力感知电极片 221、负极柔性压力感知电极片222和柔性感知层223；柔性迫近感知单元210、正极柔性压力感知电极片221、负极柔性压力感知电极片222均与数据读取和处理单元3相连，其中，柔性迫近感知单元210通过阵列重构选择单元332连接后，再与迫近感知数据处理芯片311相连，正极柔性压力感知电极片221和负极柔性压力感知电极片222与压力感知读取选择单元322相连；
具体实施中，每一行内所有柔性压力感知单元220底部相连的正极柔性压力感知电极片221引出后共同串接为一路连接到压力感知读取单元320的压力感知读取选择单元322同一输入端，每一列内所有柔性压力感知单元220底部相连的负极柔性压力感知电极片222引出后共同串接为一路连接到压力感知读取单元320的压力感知读取选择单元322另一相同输入端。正极柔性压力感知电极片221、负极柔性压力感知电极片222的数量与柔性压力感知单元220数量相等且一一对应。
柔性迫近感知单元210铺设在柔性印刷电路板基底7上，柔性迫近感知单元210中开设有压力感知单元槽，压力感知单元槽中的柔性印刷电路板基底7 上铺设有正极柔性压力感知电极片221和负极柔性压力感知电极片222，正极柔性压力感知电极片221和负极柔性压力感知电极片222之间间隔布置且正极柔性压力感知电极片221和负极柔性压力感知电极片222之间的柔性印刷电路板基底7上安装有发光交互单元1，正极柔性压力感知电极片221和负极柔性压力感知电极片222上设置有柔性感知层223，柔性感知层223正好覆盖压力感知单元槽，柔性感知层223的中部开设有发光槽，发光交互单元1设置在发光槽中，实现感知发光交互单元1的发光信息，用于指示对应的柔性迫近感知单元的迫近感知状态和柔性压力感知单元的压力感知状态，通过对应的发光交互元件定位外界环境物体或用户与柔性机器人皮肤的相对迫近或相对接触区域；由正极柔性压力感知电极片221、负极柔性压力感知电极片222和柔性感知层 223构成柔性压力感知单元220。
柔性压力感知单元220分为外轮廓结构和内轮廓结构，外轮廓结构和内轮廓结构均为直四棱柱结构、直三棱柱结构、直圆柱结构中的一种；
柔性迫近感知单元210由柔性迫近感知电极组成，柔性迫近感知电极为方形环状结构；优选的，本发明柔性压力感知单元220的外轮廓和内轮廓均为直四棱柱结构，与其他结构相比，直四棱柱结构的底面与柔性印刷电路基底7的接触面积更大，最大效率填充了方形环状结构中间的空心部分，提高了柔性压力感知单元220检测的灵敏性。
柔性压力感知单元220采用具有多孔结构的柔性材料如聚氨酯海绵、三聚氰胺海绵制备而成，柔性压力感知单元220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含敏感导电材料如碳纳米管、导电炭黑的溶液中再取出，或将含敏感导电材料的溶液滴在多孔结构的柔性材料上；然后烘干，再用正己烷等有机溶液进行清洗，再次烘干即可制成所需柔性压力感知单元220；制备获得的柔性压力感知单元220具有多孔结构，多孔结构表面沉积的导电材料形成了微观丝状导电通路。
正极柔性压力感知电极片221和负极柔性压力感知电极片222均含有3个叉指结构，正极柔性压力感知电极片221和负极柔性压力感知电极片222的3 个叉指结构交叉间隔排列，正、负极柔性压力感知电极片分别通过柔性印刷电路7内部走线后引出两个输出端作为电学信号传输通道与压力感知读取单元 320相连接，通过压力感知读取单元320监测柔性压力感知单元的阻值；在正极柔性压力感知电极片221、负极柔性压力感知电极片222上涂抹导电银胶等导电胶黏剂，使得压力感知单元220与电极接触的部分胶黏在正、负极柔性压力感知电极片上；同时，为了提高压力感知单元220胶黏的可靠性和牢固性，在柔性印刷电路基底7上涂抹海绵胶等胶黏剂，使得压力感知单元220的未与电极接触部分胶黏柔性印刷电路基底7上。
柔性迫近感知单元210的材料由柔性印刷电路技术中的可印制导电材料构成，如镀金铜箔、镀金银箔；本发明采用镀金铜箔作为传感材料，不仅因为其具有良好的导电性，有利于提高迫近感知的量程，同时镀金层可以增强性迫近感知电极的耐磨性，延长本发明的柔性机器人皮肤的使用寿命。
本发明通过柔性迫近感知电极构成了柔性迫近感知单元，在柔性印刷电路板基底同一层布置了行柔性迫近感知电极和列柔性迫近感知电极，这样的设计结构能够显著提高空间利用率。
外界环境物体或用户与柔性机器人皮肤之间的距离通过柔性感知单元2内的柔性迫近感知单元210检测；外界环境物体或用户与柔性机器人皮肤之间的压力通过柔性感知单元2内的柔性压力感知单元220检测。
柔性压力感知单元(220)的感知原理为，当外界环境物体或用户施加的力作用在柔性压力感知单元(220)上可以使其产生几何形变，继而改变柔性压力感知单元(220)内部的微观丝状导电通路数目，引发电阻值的改变；柔性压力感知单元(220)电学参数电阻值的变化，可以反映外界施加在柔性压力感知单元(220)上的力的大小。
柔性迫近感知单元(210)的感知原理为，在恒定直流电流I输入的条件下向柔性迫近感知电极充放电，在充放电的同时电极也会向附近投射电场，通过记录充电时间T和充峰值电压U计算柔性迫近感知电极的所有行、列电极的自电容值C，关系式为C＝(I×T)/U；当外界环境物体或用户靠近柔性迫近感知电极时，柔性迫近感知电极附近的投射电场分布和强度发生改变，影响了各行、列柔性迫近感知电极的充电时间和充电峰值电压，进而改变各行、列柔性迫近感知电极的自电容值，即可通过自电容值的改变程度反映外部物体的接近程度。
当外界环境物体或用户与任意或任一行、列柔性压力感知单元发生接触时，对应的行、列柔性压力感知单元的电阻值与未接触相比会发生变化，通过检测电阻值是否变化可以判断外界环境物体或用户与任意或任一行、列柔性压力感知单元是否发生接触。
相较于传统的柔性压力传感器，本发明所述的柔性机器人皮肤还具有多孔柔性结构安全、缓冲、吸能的优势，能有效缓冲外界环境物体或用户与传感装置的接触，可以在碰撞等情况发生时降低损害。
柔性机器人皮肤在实际检测时，根据压力感知读取单元320是否检测到外界环境物体或用户接触，柔性机器人皮肤判断是否需要切换检测模式，具体的选择步骤如下，当压力感知读取单元320没有检测外界环境物体或用户接触柔性机器人皮肤时(即柔性压力感知单元的电阻值未发生变化)，柔性机器人皮肤采用单一迫近感知模式，设置压力感知模式临时关闭。具体实施中，当压力感知读取单元320读取到的柔性压力感知单元的电阻值与初始电阻相同，且柔性迫近感知单元310没有检测到外界环境物体或用户与柔性机器人皮肤的距离触发预定义的接触警戒阈值时，微控制单元4控制压力读取感知单元320中的低压CMOS多路复用器MUX1、MUX2的能端引脚
Figure RE-GDA0003613592630000111
为高电平，此时压力感知模式临时关闭，柔性机器人皮肤采用单一迫近感知模式；当压力感知读取单元320检测外界环境物体或用户接触柔性机器人皮肤时，柔性机器人皮肤采用单一压力感知模式，设置迫近感知模式临时关闭。具体实施中，当压力感知读取单元320读取到的柔性压力感知单元的电阻值与初始电阻不同，且柔性迫近感知单元310检测到外界环境物体或用户与柔性机器人皮肤的距离触发预定义的接触警戒阈值时，微控制单元4控制迫近感知稳压芯片312临时关闭，进而使迫近感知数据处理芯片311临时关闭，柔性机器人皮肤采用单一压力感知模式。
由于柔性压力感知单元在检测压力时功耗较大，设置单一感知模式可以大大降低柔性机器人皮肤的功耗；此外，当本发明的柔性机器人皮肤供电的数据输出电路与电机等感性设备共同连接一个工控机不同端口时，数据输出电路提供的电源常常会包含来自其他旁路的高频噪音，并且迫近感知数据处理芯片对高频噪音较为敏感，迫近感知数据处理芯片长时间受到高频噪音的冲击使用时长会降低，因此设置单一感知模式一定程度提高柔性机器人皮肤的使用寿命和准确度。
数据读取和处理单元3包括迫近感知数据处理芯片311、迫近感知稳压芯片312、压力感知读取控制单元321、压力感知读取选择单元322、压力感知读取逻辑处理单元323和两个阵列重构单元330；
由迫近感知数据处理芯片311和迫近感知稳压芯片312构成迫近感知读取单元310；由压力感知读取控制单元321、压力感知读取选择单元322和压力感知读取逻辑处理单元323构成压力感知读取单元320；
迫近感知数据处理芯片311通过迫近感知稳压芯片312与微控制单元4相连，迫近感知数据处理芯片311与柔性感知发光阵列的柔性迫近感知单元210 相连，迫近感知数据处理芯片311还与两个阵列重构单元330的阵列重构选择单元332相连；
压力感知读取逻辑处理单元323通过压力感知读取选择单元322与压力感知读取控制单元321相连，压力感知读取控制单元321与微控制单元4相连，压力感知读取选择单元322与柔性感知发光阵列的正极柔性压力感知电极片 221和负极柔性压力感知电极片222相连；
其中一个阵列重构单元330与柔性感知发光阵列中列方向排布的各个柔性感知发光单元相连，另一个阵列重构单元330与柔性感知发光阵列中行方向排布的各个柔性感知发光单元相连，
两个阵列重构单元330结构相同，均由阵列重构控制单元331、阵列重构选择单元332和阵列重构逻辑处理单元333构成；
阵列重构逻辑处理单元333通过阵列重构选择单元332与阵列重构控制单元331连接，阵列重构选择单元332均与迫近感知数据处理芯片311和柔性感知发光阵列的柔性迫近感知单元210相连，阵列重构控制单元331与微控制单元4相连。
阵列重构选择单元332包括K个重构输入端、K个重构输出端以及K个单刀双掷开关，K为单行或者单列上的柔性迫近感知单元210的数量；重构控制单元331包括L个重构控制端，L为log2K向上取整；阵列重构逻辑处理单元 333包括若干个或门；
L个重构控制端均与微控制单元4相连，L个重构控制端分别直接与或者通过若干个或门与K个单刀双掷开关的控制引脚相连，L个重构控制端为K个单刀双掷开关的控制引脚提供控制信号；具体实施中，根据重构阵列的需要，不同的单刀双掷开关受控于不同数目的控制信号，受控于一路控制信号的单刀双掷开关就将对应的重构控制端与控制引脚直接相连，而受控于多路控制信号的单刀双掷开关就将多个重构控制端经由或门汇总，再连接至控制引脚。
每个单刀双掷开关的常开引脚S1A、常闭引脚S1B作为两个输出端，输入引脚D为输入端，每个单刀双掷开关的常开引脚S1A、常闭引脚S1B作为两个输出端，输入引脚D为输入端，控制引脚IN用于控制输入引脚D和常开引脚 S1A、常闭引脚S1B之间的导通和断开；当控制引脚IN为低电平时，输入引脚D与常闭引脚S1B导通，当控制引脚IN为高电平时，输入引脚D与常开引脚S1A导通；行或者列上的K个柔性迫近感知单元(210)分别连接到K个重构输入端，在K个重构输入端中，第一个重构输入端直接与第一个重构输出端相连，第二个重构输入端至第K个重构输入端分别与各个单刀双掷开关的输入端连接。
具体实施中数据读取和处理单元3的迫近感知数据处理芯片311选用的是MPR121,该芯片的功能是将柔性迫近传感阵列2检测产生的电容值进行滤波以及从模拟信号到数字信号的转换，最终得到稳定的数字信号，并将其发送给微控制单元4。MPR121有12个电容感应输入通道用于迫近距离检测，完全满足柔性迫近感知单元210所需的6×6阵列的要求。MPR121使用IIC通信协议与微控制单元4通信，并使用恒定直流(DC)充电电流方式进行电容测量，工作电压为3.3V。MPR121在毫秒内依次扫描12个通道充电和放电，以测量每一行或每一列柔性迫近感知单元210的自电容值。当外界环境物体与用户靠近柔性机器人皮肤表面时，柔性迫近感知单元210电容发生变化。因此，测量该时刻电容并与基准电容值进行比较，判断外界环境物体与用户距离柔性机器人皮肤的距离大小。
具体实施中数据读取和处理单元3的迫近感知稳压芯片312选用的是 LMS1117芯片，由于数据输出电路8提供的工作电压为5V，而MPR121的工作电压为3.3V，迫近感知数据处理芯片311无法直接与其他元件直接通信，因此LMS1117芯片的作用是将数据输出电路8提供的5V左右的电压稳定输出为 3.3V，使得MPR121在正常电压范围内工作。
如图7所示，具体实施中数据读取和处理单元3的压力感知读取控制单元 321包括2个低压CMOS多路复用器MUX1、MUX2；低压CMOS多路复用器采用的型号为ADG658YRUZ；每个低压CMOS多路复用器具有十六个引脚，分别为三个逻辑控制引脚A1、A2、A3、八个源极输出引脚S1～S8、漏极输入引脚D、使能端引脚
Figure RE-GDA0003613592630000131
接地引脚GND、正电源引脚VSS、负电源引脚VDD；当多路复用器采用单电源供电时，正电源引脚VSS连接电源电压，负电源引脚 VDD不连接，当多路复用器采用双电源供电时，正电源引脚VSS连接正电源电压，负电源引脚VDD连接负电源电压；使能端引脚
Figure RE-GDA0003613592630000132
作为输入端连接微控制单元4的一个数字输出引脚，当使能端引脚
Figure RE-GDA0003613592630000133
输入电平为高电平时，低压 CMOS多路复用器处于关闭状态，当使能端引脚
Figure RE-GDA0003613592630000134
输入电平为低电平时，低压 CMOS多路复用器处于开启状态；控制引脚A1、A2、A3作为输入端连接微控制单元4的三个数字输出引脚，逻辑控制引脚A1、A2、A3的八种输入电平状态分别控制源极输出引脚S1～S8输出电平状态。
如图7所示，具体实施中数据读取和处理单元3的压力感知读取选择单元 322包括3个单刀双掷模块SPTD_1、SPTD_2、SPTD_3，每个单刀双掷模块包含两个独立可选择的子单刀双掷开关；单刀双掷开关模块采用的型号为 ADG884BRMZ；每个单刀双掷模块具有十个引脚，分别为电源引脚VDD、子单刀双掷开关1常开引脚S1A，子单刀双掷开关1常闭引脚S1B，子单刀双掷开关2常开引脚S1A2，子单刀双掷开关2常闭引脚S2B，子单刀双掷开关1控制引脚IN1,子单刀双掷开关2控制引脚IN2、子单刀双掷开关1输入引脚D1、子单刀双掷开关2输入引脚D2以及接地引脚GND，所有单刀双掷模块的电源引脚VDD均连接到电源电压，接地引脚GND均接地，常开引脚S1A/S2A、常闭引脚S1B/S2B作为单刀双掷(SPDT)模块的输出端，输入引脚D1/D2为开关的输入端，控制引脚IN1/IN2用于控制输入引脚D1/D2和常开引脚S1A/S2A、常闭引脚S1B/S2B之间的导通和断开；当控制引脚IN1/IN2为低电平时，输入引脚D1/D2与常闭引脚S1B/S2B导通，当控制引脚IN1/IN2为高电平时，输入引脚D1/D2与常开引脚S1A/S2A导通，输入引脚D1、控制引脚IN1、常开引脚S1A、常闭引脚S1B一一对应，输入引脚D2、控制引脚IN2、常开引脚 S2A、常闭引脚S2B一一对应。
如图7所示，具体实施中数据读取和处理单元3的压力感知读取逻辑处理单元323包括2个电压跟随器模块VF1、VF2和2个反向放大器IA1、IA2。电压跟随器模块选用的型号为TSV914，反向放大器选用的型号为TSV912。每个电压跟随器模块具有十二个引脚，分别为同相输入引脚IN1+、IN2+、IN3+、 IN4+、反相输入引脚IN1-、IN2-、IN3-、IN4-、输出引脚OUT1、输出引脚 OUT2、输出引脚OUT3、输出引脚OUT4。每个反向放大器具有五个引脚，分别为正电源引脚V+、负电源引脚V-，同相输入引脚+IN、反相输入引脚-IN、输出引脚OUT。所有反向放大器正电源引脚V+均连接到电源电压，同相输入引脚+IN、负电源引脚V-均接地。
每一行内所有柔性压力感知单元220通过底部正极柔性压力感知电极片 221引出后共同串接为一路，经电压跟随器模块VF1、VF2连接到低压CMOS 多路复用器MUX1的一个源极输出引脚。
在具体实施中，第一行柔性压力感知单元220引出后共同串接为一路，然后在电压跟随器模块输出端引出两路，分别连接电压跟随器模块VF1的反相输入引脚IN4-、输出引脚OUT4，然后经电压跟随器模块VF1的同相输入引脚 IN4+连接至CMOS多路复用器MUX1的源极输出引脚S8。第二行柔性压力感知单元220引出后共同串接为一路，然后在电压跟随器模块输出端引出两路，分别连接电压跟随器模块VF1的反相输入引脚IN3-、输出引脚OUT3，然后经电压跟随器模块VF1的同相输入引脚IN3+连接至CMOS多路复用器MUX1的源极输出引脚S7。第三行柔性压力感知单元220引出后共同串接为一路，然后在电压跟随器模块输出端引出两路，分别连接电压跟随器模块VF1的反相输入引脚IN2-、输出引脚OUT2，然后经电压跟随器模块VF1的同相输入引脚 IN2+连接至CMOS多路复用器MUX1的源极输出引脚S6。第四行柔性压力感知单元220引出后共同串接为一路，然后在电压跟随器模块输出端引出两路，分别连接电压跟随器模块VF1的反相输入引脚IN1-、输出引脚OUT1，然后经电压跟随器模块VF1的同相输入引脚IN1+连接至CMOS多路复用器MUX1的源极输出引脚S5。第五行柔性压力感知单元220引出后共同串接为一路，然后在电压跟随器模块输出端引出两路，分别连接电压跟随器模块VF2的反相输入引脚IN4-、输出引脚OUT4，然后经电压跟随器模块VF1的同相输入引脚 IN4+连接至CMOS多路复用器MUX1的源极输出引脚S4。第六行柔性压力感知单元220引出后共同串接为一路，然后在电压跟随器模块输出端引出两路，分别连接电压跟随器模块VF2的反相输入引脚IN3-、输出引脚OUT3，然后经电压跟随器模块VF1的同相输入引脚IN3+连接至CMOS多路复用器MUX1的源极输出引脚S3。
同时每一行内所有柔性压力感知单元220串接为一路后，经电压跟随器与下拉电阻R0接地。当某一行连接的源极输出引脚输出电平状态为高电平时，该行内所有柔性压力感知单元220均导通；当某一行连接的源极输出引脚输出电平状态为低电平时，该行内所有柔性压力感知单元220均不导通。
电阻R0的作用为下拉电阻，当某一行内柔性压力感知单元220均不导通时，该行内柔性压力感知单元220底部正极柔性压力感知电极片的电平状态不确定，对其他行已经导通的柔性压力感220知单元220电平读数产生影响，加入下拉电阻R0的目的是使得没有导通的行内柔性压力感知单元220底部正极柔性压力感知电极片221的电平状态确定为低电平。
具体实施中，当低压CMOS多路复用器MUX1的控制引脚A1、A2、A3 的电平状态分别为低、低、高时，与低压CMOS多路复用器MUX1的源极输出引脚S3相连的所有柔性压力感知单元均导通，其余不导通；当低压CMOS 多路复用器MUX1的控制引脚A1、A2、A3的电平状态分别为低、高、低时，与低压CMOS多路复用器MUX1的源极输出引脚S4相连的所有柔性压力感知单元均导通，其余不导通；当低压CMOS多路复用器MUX1的控制引脚A1、 A2、A3的电平状态分别为低、高、高时，与低压CMOS多路复用器MUX1的源极输出引脚S5相连的所有柔性压力感知单元均导通，其余不导通；当低压 CMOS多路复用器MUX1的控制引脚A1、A2、A3的电平状态分别为高、低、低时，与低压CMOS多路复用器MUX1的源极输出引脚S6相连的所有柔性压力感知单元均导通，其余不导通；当低压CMOS多路复用器MUX1的控制引脚A1、A2、A3的电平状态分别为高、低、高时，与低压CMOS多路复用器 MUX1的源极输出引脚S7相连的所有柔性压力感知单元均导通，其余不导通；当低压CMOS多路复用器MUX1的控制引脚A1、A2、A3的电平状态分别为高、高、低时，与低压CMOS多路复用器MUX1的源极输出引脚S8相连的所有柔性压力感知单元均导通，其余不导通。
通过循环改变低压CMOS多路复用器MUX1的控制引脚A1、A2、A3的电平状态，即可循环改变与低压CMOS多路复用器MUX1的源极输出引脚 S3～S8相连的每一行柔性压力感知单的导通状态。
每一列柔性压力感知单元220分别经通过底部负极柔性压力感知电极片 222引出后共同串接为一路，连接到单刀双掷模块的输入引脚D1/D2,然后经过单刀双掷模块的常开引脚S1A/S2A串接为一路后连接到反向放大器IA1的反相输入引脚-IN。由于此时反向放大器IA1的输出引脚OUT的输出电压VOUT1为负，无法直接连接到连接微控制单元4的输入引脚，需要反向放大器IA2将输出电压转为正电压VOUT2。因此，IA1的输出引脚OUT经电阻R1后连接反向放大器IA2的反相输入引脚-IN，反向放大器IA2的输出引脚OUT连接微控制单元4的输入引脚。此时，微控制单元4通过读取输入电压VOUT2，根据公式 VOUT2＝-(RF2/R1)*VOUT1，计算反向放大器IA1的输出引脚OUT的输出电压 VOUT1,再次根据公式VOUT1＝-(Rx/RF1)*3.3，即可计算柔性迫近感知单元210的电阻值Rx。
低压CMOS多路复用器MUX2的六个源极输出引脚分别连接单刀双掷模块的控制引脚IN1/IN2。在具体实施中，低压CMOS多路复用器MUX2的源极输出引脚S1连接单刀双掷模块SPTD_1的控制引脚IN1、低压CMOS多路复用器MUX2的源极输出引脚S2连接单刀双掷模块SPTD_1的控制引脚IN2、低压CMOS多路复用器MUX2的源极输出引脚S3连接单刀双掷模块SPTD_2 的控制引脚IN1、CMOS多路复用器MUX2的源极输出引脚S4连接单刀双掷模块SPTD_2的控制引脚IN2、CMOS多路复用器MUX2的源极输出引脚S5 连接单刀双掷模块SPTD_3的控制引脚IN1、CMOS多路复用器MUX2的源极输出引脚S6连接单刀双掷模块SPTD_3的控制引脚IN2。源极输出引脚S1～ S6分别引出另一路连接线经下拉电阻R0接地，此下拉电阻的作用与上述提到的下拉电阻作用相同。
第一列柔性压力感知单元220引出并共同串接为一路后连接单刀双掷模块 SPTD_1的输入引脚D1，第二列柔性压力感知单元220引出并共同串接为一路后连接单刀双掷模块SPTD_1的输入引脚D2，第三列柔性压力感知单元220引出并共同串接为一路后连接单刀双掷模块SPTD_2的输入引脚D1，第四列柔性压力感知单元220引出并共同串接为一路后连接单刀双掷模块SPTD_2的输入引脚D2，第五列柔性压力感知单元220引出并共同串接为一路后连接单刀双掷模块SPTD_3的输入引脚D1，第六列柔性压力感知单元220引出并共同串接为一路后连接单刀双掷模块SPTD_3的输入引脚D2。
过循环改变低压CMOS多路复用器MUX2的控制引脚A1、A2、A3的电平状态，即可循环改变低压CMOS多路复用器MUX2的源极输出引脚S1～S6 的电平状态，进而循环改变单刀双掷模块的输入引脚D1/D2与单刀双掷模块的常闭引脚S1B/S2B、常开引脚S1A/S2A的连接状态，最终循环改变每一列柔性压力感知单元220的导通状态。
通过为微控制单元4的多个数字输出引脚设置时序，循环改变每一行和每一列柔性压力感知单元220的导通状态，使得每一时刻仅有一个柔性迫近感知单元210导通。当外界环境物体或用户与任意或任一行、列柔性压力感知单元 220发生接触时，对应的行、列柔性压力感知单元220的电阻值与未接触相比会发生变化，通过检测电阻值是否变化可以判断外界环境物体或用户与任意或任一行、列柔性压力感知单元220是否发生接触。
如图6所示，具体实施中数据读取和处理单元3的阵列重构控制单元331 包括3个重构控制端DIGITPIN2、DIGITPIN3、DIGITPIN6。重构控制端 DIGITPIN2、重构控制端DIGITPIN3、重构控制端DIGITPIN6分别与微控制单元4的三个数字输出引脚相连,并为单刀双掷开关的控制引脚提供控制信号。不同的单刀双掷开关受控于不同数量的控制信号，只受控于一路控制信号的单刀双掷开关就将对应的重构控制端与控制引脚直接相连，受控于多路控制信号的单刀双掷开关就将多个重构控制端经由或门汇总，再连接至控制引脚。
如图6所示，具体实施中数据读取和处理单元3的阵列重构选择单元332 包括6个输入端E1～E6、6个输出端P1～P6以及6个单刀双掷开关SPTD1～ SPTD6，单刀双掷开关选用的型号为ADG884BRMZ，每个单刀双掷开关具有六个引脚，分别为电源引脚VDD、接地引脚GND、常开引脚S1A、常闭引脚 S1B、控制引脚IN和输入引脚D，所有单刀双掷开关的电源引脚VDD均连接到电源电压，所有单刀双掷开关的接地引脚GND均接地，常开引脚S1A、常闭引脚S1B作为开关的输出端，输入引脚D为开关的输入端，控制引脚IN用于控制输入引脚D和常开引脚S1A、常闭引脚S1B之间的导通和断开；当控制引脚IN为低电平时，输入引脚D与常闭引脚S1B导通；当控制引脚IN为高电平时，输入引脚D与常开引脚S1A导通。每一行或者每一列上的6个柔性迫近感知单元210分别连接到6个输入端，在6个输入端中，输入端E1和输出端P1直接连接，其余的5个输入端E2～E6分别和单刀双掷开关SPTD1～SPTD5 的输入引脚D连接分别连接到输入端E2～E6。
如图6所示，具体实施中数据读取和处理单元3的阵列重构逻辑处理单元 333包括4个或门OR1、OR2、OR3、OR4。
柔性机器人皮肤设置有距离的多级检测阈值，通过数据读取和处理单元3 中的阵列重构单元330和微控制单元4实现柔性感知发光阵列的迫近感知模式下的动态重构和动态反重构。
柔性迫近感知单元210阵列通过设置三级检测阈值实现迫近感知单元210 阵列动态重构和动态反向重构；当外界环境物体或用户从接触状态开始远离柔性迫近感知单元210过程中，阵列重构单元330控制相邻的行电极之间以及相邻的列电极之间实施短路，短路后的两个或多个柔性迫近感知电极可以视作一个面积增大的重构迫近感知单元，由自电容式迫近传感器检测原理可知，电极面积越大检测距离越大，电极面积越小检测分辨率越高，因此柔性迫近感知单元210通过实施阵列重构过程，达到降低空间分辨率来换取较大的检测距离的目的；当外界环境物体或用户接近柔性迫近感知单元210的过程中，阵列重构单元330控制已经短路的柔性迫近感知电极反向重构形成一组面积减小的重构迫近感知单元，达到降低检测距离来换取较高的空间分辨率的目的，实现迫近感知单元210阵列反向动态重构过程；重构和反向重构的具体步骤如下：
当外界环境物体或用户从接触状态开始远离柔性迫近感知单元210过程中，柔性迫近感知单元210检测距离达到第一级检测阈值，阵列重构单元330控制相邻的行电极之间以及相邻的列电极之间实施短路，使柔性迫近传感单元从开始的6×6逐步重构为3×3，短路后的两个或多个柔性迫近感知电极可以视作一个面积增大的重构迫近感知单元，如图4(a)～图4(b)变化所示，虚线框代表的是重构迫近感知单元，达到减小空间分辨率来换取较大的检测距离的目的；当柔性迫近感知单元210检测距离达到第二级检测阈值时，阵列重构单元330 控制相邻的行电极之间以及相邻的列电极之间再次实施短路，使柔性迫近传感单元210从开始的3×3逐步重构为2×2，如图4(b)～图4(c)变化所示，虚线框代表的是重构迫近感知单元；当柔性迫近感知单元210检测距离达到第一级检测阈值限制值时，阵列重构单元330控制相邻的行电极之间以及相邻的列电极之间全部短路，使柔性迫近传感单元210从开始的2×2逐步重构为1×1，实现迫近感知单元210阵列动态重构过程,如图4(c)～图4(d)变化所示，虚线框代表的是重构迫近感知单元。
当外界环境物体或用户接近柔性迫近感知单元210的过程中，柔性迫近感知单元210检测到外界环境物体或用户与柔性机器人皮肤的距离达到第三级检测阈值，使得原本短路的柔性迫近感知电极重新形成一组面积减小的重构迫近感知单元，使柔性迫近传感单元210从开始的1×1逐步重构为2×2，如图4(d) ～图4(c)变化所示，虚线框代表的是重构迫近感知单元，重新形成的两个或多个柔性迫近感知电极可以视作一个面积减小的单电极式迫近传感器，达到减小检测距离来换取较高的空间分辨率的目的；当柔性迫近感知单元210检测距离达到第二级检测阈值时，阵列重构单元330控制相邻的行电极之间以及相邻的列电极之间再次重新形成一组新的检测电极单元，使柔性迫近传感单元从开始的2×2逐步重构为3×3，如图4(c)～图4(b)变化所示，虚线框代表的是重构迫近感知单元；当柔性迫近感知单元210检测距离达到第一级检测阈值限制值时，阵列重构单元330控制相邻的行电极之间以及相邻的列电极再次形成一组新的检测电极单元，使柔性迫近传感单元从开始的3×3逐步重构为6×6，如图4(b)～图4(a)变化所示，虚线框代表的是重构迫近感知单元。
因此动态重构的过程是一个减小空间分辨率换取更大检测距离的过程，而反向动态重构过程是一个减小检测距离换取更高空间分辨率的过程。
在实际检测中，多孔结构的柔性压力感知单元220和柔性迫近感知单元 210组成了本柔性机器人皮肤的柔性感知单元2；检测是以柔性感知单元2为基本结构进行检测。因此柔性感知单元2的大小决定了柔性机器人皮肤最高空间分辨率。
多个相同结构的柔性机器人皮肤在拓展时，由于所有柔性机器人皮肤都具有阵列重构单元330和微控制单元4，皮肤与皮肤之间的阵列重构单元330互相独立，因此皮肤与皮肤之间的感知功能调整是互相独立的，即所有皮肤的空间分辨率和检测距离可以相同，也可以互不相同，因此可扩展的交互式柔性机器人皮肤系统具有全局可独立重构特性。
数据读取和处理单元3读取柔性迫近感知单元210的电容数据并将所获得数据传送至微控制单元4进行解析，微控制单元4根据解析结果，判断外界环境物体或用户与柔性机器人皮肤的距离位于哪一级检测阈值，以及控制发光交互单元1的发光交互方式。
具体实施中微控制单元4使用的是STM32F103C8T6，负责控制发光交互单元1、数据读取控制单元3以及可扩展的交互式柔性机器人皮肤系统间的交互；具体的，负责控制发光交互单元1根据外界环境物体或用户与柔性机器人皮肤之间的距离、压力以及应用场景的差异，产生诸如改变颜色、闪烁以及跟随的发光交互模式；负责控制迫近感知读取单元310读取柔性迫近感知单元 210的自电容值；负责控制压力读取单元320读取柔性压力感知单元220的电阻值；负责控制阵列重构单元330对柔性迫近感知单元210进行动态重构和反向动态重构。
具体实施中柔性机器人皮肤扩展接口5由4个焊盘构成，分别是用于供电的5V焊盘、用于接地的GND焊盘、用于迫近感知数据处理芯片IIC通讯的 SCL焊盘和SDA焊盘。在具体使用时，将排线直接焊接在不同部分的机器人皮肤扩展接口，或在焊盘上焊接4引脚的翻盖式FPC连接器，然后将排线连接在相邻柔性机器人皮肤的翻盖式FPC连接器，即可完成各部分的连接。
具体实施中柔性机器人皮肤数据输出接口6由5个焊盘构成，分别是用于供电的5V焊盘、用于接地的GND焊盘、用于本发明的柔性机器人皮肤与上位机之间串口通讯的RX焊盘和TX焊盘以及用于同步重置所有可扩展的交互式柔性机器人皮肤的RESET焊盘。在具体使用时，将排线直接焊接在作为主节点的柔性机器人皮肤的数据输出接口的焊盘上，或在焊盘上焊接5引脚的翻盖式FPC连接器，另一端连接数据输出电路8的5个焊盘，即可完成柔性机器人皮肤数据输出接口6和数据输出电路8的连接。
具体实施中柔性印刷电路板基底7的材料为聚对苯二甲酸类塑料(PET)。
具体实施中数据输出电路8包括5个焊盘、串口转USB芯片FT232RL和 5引脚的micro USB连接器接口。数据输出电路8一端设置有5个焊盘，与柔性机器人皮肤数据输出接口6的5个焊盘一致，用于和柔性机器人皮肤数据输出接口6连接；另一端焊接有将5引脚的micro USB连接器。将micro USB类型的数据线一端连接micro USB连接器，另一端连接上位机的通用串行总线 (USB)接口，即可完成作为主节点的柔性机器人皮肤与上位机之间的连接。串口转USB芯片FT232RL的作用是将RX焊盘和TX焊盘传送的数据转化为能通过microUSB传输的数据，实现柔性机器人皮肤与上位机之间的通信。
当外界环境物体或用户接近协作机器人本体结构时，柔性机器人皮肤迫近感知单元210可以为上位机提供分析和决策数据，根据检测的迫近感知面积驱动协作机器人本体结构做出急停、减速、沿原始路径回退、沿另一轨迹躲避等动作。柔性迫近感知单元210检测到越小的迫近感知面积时，驱动协作机器人本体结构做出沿原始路径回退、沿另一轨迹躲避等动作，防止因压强过大对机器人本体结构造成巨大损伤；柔性迫近感知单元210检测到较大的迫近感知面积时，驱动协作机器人本体结构做出急停、减速等动作。但柔性迫近感知单元 210根据迫近感知面积驱动协作机器人有时会做出错误的反馈，需要柔性压力感知单元提供的接触感知数据做出修正。在具体实施中，当人的指尖沿倾斜的角度快速接触协作机器人本体结构时，由于指尖面积较小，较大的压强对机器人本体结构强度较低部分造成巨大的损坏，但人的手掌等区域容易引起柔性迫近感知单元210的误报，柔性迫近感知单元210错误地检测到有大面积区域接近协作机器人本体结构，迫近传感数据无法准确为协作机器人提供精准决策，驱动协作机器人本体结构做出减速或急停的错误反馈，此外协作机器人长期急停会对大大降低其工作时间。此时，柔性压力感知单元提供的接触感知数据传送至上位机，上位机计算碰撞接触前后所受的最大冲量、最大压强等物理量，修正此前做出的错误反馈，驱动协作机器人本体结构做出沿另一轨迹躲避等正确反馈，快速有效地提升人机交互的安全性和可靠性。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可拓展可重构的多级感知柔性机器人皮肤，其特征在于：包括柔性感知发光阵列、数据读取和处理单元(3)、微控制单元(4)、柔性机器人皮肤拓展连接接口(5)、柔性机器人皮肤数据输出接口(6)以及柔性印刷电路板基底(7)；柔性感知发光阵列、数据读取和处理单元(3)、微控制单元(4)、柔性机器人皮肤拓展连接接口(5)以及柔性机器人皮肤数据输出接口(6)均铺设在柔性印刷电路板基底(7)上，柔性感知发光阵列均与数据读取和处理单元(3)以及微控制单元(4)相连，微控制单元(4)均与柔性机器人皮肤拓展连接接口(5)和柔性机器人皮肤数据输出接口(6)相连；柔性感知发光阵列通过切换迫近感知模式和压力感知模式实现多级感知功能，微控制单元(4)通过控制数据读取和处理单元(3)实现柔性感知发光阵列的感知模式切换以及重构。
2.根据权利要求1所述的一种可拓展可重构的多级感知柔性机器人皮肤，其特征在于：所述柔性感知发光阵列主要由多个柔性感知发光单元以阵列排布方式安装在柔性印刷电路板基底(7)上，每个柔性感知发光单元的结构相同，具体为：
包括发光交互单元(1)和柔性感知单元(2)，发光交互单元(1)设置在柔性感知单元(2)中，发光交互单元(1)铺设在柔性印刷电路板基底(7)上，发光交互单元(1)与微控制单元(4)相连；
柔性感知单元(2)包括柔性迫近感知单元(210)、正极柔性压力感知电极片(221)、负极柔性压力感知电极片(222)和柔性感知层(223)；柔性迫近感知单元(210)、正极柔性压力感知电极片(221)、负极柔性压力感知电极片(222)均与数据读取和处理单元(3)相连；
柔性迫近感知单元(210)铺设在柔性印刷电路板基底(7)上，柔性迫近感知单元(210)中开设有压力感知单元槽，压力感知单元槽中的柔性印刷电路板基底(7)上铺设有正极柔性压力感知电极片(221)和负极柔性压力感知电极片(222)，正极柔性压力感知电极片(221)和负极柔性压力感知电极片(222)之间间隔布置且正极柔性压力感知电极片(221)和负极柔性压力感知电极片(222)之间的柔性印刷电路板基底(7)上安装有发光交互单元(1)，正极柔性压力感知电极片(221)和负极柔性压力感知电极片(222)上设置有柔性感知层(223)，柔性感知层(223)正好覆盖压力感知单元槽，柔性感知层(223)的中部开设有发光槽，发光交互单元(1)设置在发光槽中，实现感知发光交互单元(1)的发光信息；由正极柔性压力感知电极片(221)、负极柔性压力感知电极片(222)和柔性感知层(223)构成柔性压力感知单元(220)。
3.根据权利要求1所述的一种可拓展可重构的多级感知柔性机器人皮肤，其特征在于：所述数据读取和处理单元(3)包括迫近感知数据处理芯片(311)、迫近感知稳压芯片(312)、压力感知读取控制单元(321)、压力感知读取选择单元(322)、压力感知读取逻辑处理单元(323)和两个阵列重构单元(330)；
迫近感知数据处理芯片(311)通过迫近感知稳压芯片(312)与微控制单元(4)相连，迫近感知数据处理芯片(311)与柔性感知发光阵列相连，迫近感知数据处理芯片(311)还与两个阵列重构单元(330)相连；
压力感知读取逻辑处理单元(323)通过压力感知读取选择单元(322)与压力感知读取控制单元(321)相连，压力感知读取控制单元(321)与微控制单元(4)相连，压力感知读取选择单元(322)与柔性感知发光阵列相连；
其中一个阵列重构单元(330)与柔性感知发光阵列中列方向排布的各个柔性感知发光单元相连，另一个阵列重构单元(330)与柔性感知发光阵列中行方向排布的各个柔性感知发光单元相连。
4.根据权利要求3所述的一种可拓展可重构的多级感知柔性机器人皮肤，其特征在于：所述两个阵列重构单元(330)结构相同，均由阵列重构控制单元(331)、阵列重构选择单元(332)和阵列重构逻辑处理单元(333)构成；
阵列重构逻辑处理单元(333)通过阵列重构选择单元(332)与阵列重构控制单元(331)连接，阵列重构选择单元(332)均与迫近感知数据处理芯片(311)和柔性感知发光阵列相连，阵列重构控制单元(331)与微控制单元(4)相连。
5.根据权利要求3所述的一种可拓展可重构的多级感知柔性机器人皮肤，其特征在于：所述阵列重构选择单元(332)包括K个重构输入端、K个重构输出端以及K个单刀双掷开关，K为单行或者单列上的柔性迫近感知单元(210)的数量；所述重构控制单元(331)包括L个重构控制端，L为log2K向上取整；所述阵列重构逻辑处理单元(333)包括若干个或门；
L个重构控制端均与微控制单元(4)相连，L个重构控制端分别直接与或者通过若干个或门与K个单刀双掷开关的控制引脚相连，L个重构控制端为K个单刀双掷开关的控制引脚提供控制信号；
每个单刀双掷开关的常开引脚S1A、常闭引脚S1B作为两个输出端，输入引脚D为输入端，每个单刀双掷开关的常开引脚S1A、常闭引脚S1B作为两个输出端，输入引脚D为输入端，行或者列上的K个柔性迫近感知单元(210)分别连接到K个重构输入端，在K个重构输入端中，第一个重构输入端直接与第一个重构输出端相连，第二个重构输入端至第K个重构输入端分别与各个单刀双掷开关的输入端连接。
6.根据权利要求2所述的一种可拓展可重构的多级感知柔性机器人皮肤，其特征在于：当所述压力感知读取单元(320)没有检测外界环境物体或用户接触柔性机器人皮肤时，柔性机器人皮肤采用单一迫近感知模式，设置压力感知模式临时关闭；当所述压力感知读取单元(320)检测外界环境物体或用户接触柔性机器人皮肤时，柔性机器人皮肤采用单一压力感知模式，设置迫近感知模式临时关闭。
7.根据权利要求1所述的一种可拓展可重构的多级感知柔性机器人皮肤，其特征在于：所述柔性压力感知层(223)采用具有多孔结构的柔性材料制备而成，所述具有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(223)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含敏感导电材料的溶液中再取出，或将含敏感导电材料的溶液滴在多孔结构的柔性材料上，所述敏感导电材料为碳纳米管、导电炭黑；然后烘干，再用正己烷等有机溶液进行清洗，再次烘干后制成所需柔性压力感知层(223)。
8.根据权利要求2所述的一种可拓展可重构的多级感知柔性机器人皮肤，其特征在于：所述正极柔性压力感知电极片(221)和负极柔性压力感知电极片(222)均含有3个叉指结构，正极柔性压力感知电极片(221)和负极柔性压力感知电极片(222)的3个叉指结构交叉间隔排列。
9.根据权利要求1所述的一种可拓展可重构的多级感知柔性机器人皮肤，其特征在于：所述的柔性机器人皮肤设置有距离的多级检测阈值，通过数据读取和处理单元(3)中的阵列重构单元(330)和微控制单元(4)实现柔性感知发光阵列的迫近感知模式下的动态重构和动态反重构。
10.根据权利要求1所述的一种可拓展可重构的多级感知柔性机器人皮肤，其特征在于：多个具有相同结构的所述可拓展可重构的多级感知柔性机器人皮肤经过柔性机器人皮肤拓展连接接口(5)串接，将其中一个多级感知柔性机器人皮肤作为主节点，其余几个多级感知柔性机器人皮肤作为从节点，主节点的所述微控制单元(4)通过轮询的方式向其余从节点的所述微控制单元(4)所配置的地址来选择性读取多个从节点的柔性感知单元(2)的传感数据，读取到的传感数据最终汇总在主节点的所述微控制单元(4)中，从而形成可扩展的交互式柔性机器人皮肤。
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