技术领域
[0001] 本
发明涉及
柔性电子通信系统，具体涉及一种基于光通信技术的柔性电子通信系统，同时还涉及该系统在
机器人对于环境
信号的
感知方式和人对于机器人远程控制的应用。
背景技术
[0002] 随着柔性电子技术以及未来集成表皮感知系统的人形机器人的快速发展，机器人对于信号的自我感知以及人对于机器人的远程控制都将需要通信方式的参与。目前，柔性电子技术常用的通信方案多为无线蓝牙模式，其需要复杂的
电路系统，同时，缺乏有效的视觉或听觉反馈。
[0003] 与基于
无线电波传输的蓝牙相比，基于光波传输的光通信模式，以其更宽的传输频带，更大的通信容量以及更强的抗
电磁干扰能
力，在通信领域具有更大的应用优势。
发明内容
[0004] 发明目的：为了解决
现有技术存在的问题，本发明将光通信模式应用到柔性电子领域，提供了一种基于光通信技术的柔性电子通信系统，本发明的另一目的是提供该柔性电子通信系统在机器人对于环境信号的感知方式及人对机器人进行远程控制上的应用，以提供除传统的有限通信和无线通信之外另一种通信方式。
[0005] 技术方案：一种基于光通信的柔性电子通信系统，包括：
[0006] 柔性
传感器，用于获取原始信号，包括待感知的自然环境信号、远程
控制信号、阵列化信号；
[0007]
电压调制
模拟信号模
块，将所述自然模拟信号转化为可驱动LED发光
二极管发光的电压信号，所述电压信号与所述原始信号一一对应，通过
频率和幅度变化携带不同的通信信息；
[0008] LED
发光二极管，根据电压调
制模拟信号模块的电压输出模式发光；
[0009] 光接收模块，包括驱动电源，
光探测器和负载
电阻，所述光探测器获取通过大气环境传输而来的光照信号，负载电阻通过其两端的电压变化来表征流经光探测器的
电流变化，通过该电流变化情况反应LED发光二极管的发光强度和发光频率；
[0010] 信号解调及反馈模块，对所述光接收模块接收的LED
光信号进行解码，并根据解码得到的相关信息执行相应的动作，包括对自然环境刺激的反应、对于远程控制信息的反应和获取到阵列化的信号。
[0011] 进一步的，所述调制/解调方式为ASK，OOK，FSK或者GFSK。
[0012] 进一步的，所述自然环境刺激信号包括表示压力、
温度、湿度的物理或者化学信号。
[0013] 进一步的，所述远程控制信号包括表示人体关节弯曲
角度或者拉伸程度的肢体信号。
[0014] 进一步的，对于远程控制信号或者阵列化信号，所述电压调制模拟信号模块通过柔性传感器采集多通道信号，然后根据采集到的多通道电压信号，编码调制为不同的
数字信号格式，进而驱动LED发光二极管发光。
[0015] 进一步的，所述光探测器是PN二极管，PIN二极管，
雪崩二极管或其他集成光敏的二极管的光强探测器。
[0016] 一种应用所述柔性电子光通信系统的机器人，所述柔性传感器集在
机器人手指的指肚上，机器人通过附着在
手指上的柔性传感器获取原始信号；所述LED发光二极管集成在机器人的手背上；所述光探测器集成固定在机器人前额或眼睛处；所述信号解调及反馈模块包括信号解调子模块及其控制的机械反馈模块，信号解调模块内置于机器人的处理器中，机械反馈模块用于控制机器人的手部作出反馈动作，信号解调子模块解调出解码信号，根据信号形式给出是否反馈的指令，然后指令控制相应的机械反馈模块，机器人的手部作出反馈动作。
[0017] 一种应用所述柔性电子光通信系统的机器人远程控制方法，包括如下步骤：
[0018] 步骤1、将所述柔性传感器贴合在特定的关节上，实现不同的
姿态信息获取；
[0019] 电压调制模拟信号模块采用编码和调制方法将不同的姿态编码调制为相应的具有不同频率模式的电压信号；
[0020] 步骤3、LED发光二极管根据电压调制模拟信号模块输出的电压信号发光，其中发光频率和强度包含着相应的通信信息；
[0021] 步骤4、光探测器获取通过大气传输的光信号，并通过电流变化情况表征LED发光二极管的发光强度和发光频率，之后，负载电阻通过两端的电压变化来表征流经光探测器的电流变化，便于信号解调及反馈模块信息的采集和解码；
[0022] 步骤5、信号解调及反馈模块采用和电压调制模拟信号模块相同的解码和解调方式，解调出相应的数字信号，之后通过查找LookUp Table找到相应的肢体姿态信息。通过机器人控制中心控制机器人实现相应的姿态。
[0023] 一种所述柔性电子光通信系统的柔性大规模传感阵列的通信方法，包括如下步骤：
[0024] 步骤1、在任意一种需要二维压力，温度等自然信号分布信息的场合下，安装柔性传感器，构成阵列化压力感知模块，用于感知二维压力，温度等自然信号的分布模式；
[0025] 步骤2、电压调制模拟信号模块将柔性传感器获取的二维分布信号转化为数字信号，并采用编码和调制方式，将
位置和电压信息编码调制为相应的具有不同频率模式的电压信号；
[0026] 步骤3、LED发光二极管根据上述电压调制模拟信号模块输出的电压信号发光，其中发光频率和强度包含着相应的通信信息；
[0027] 步骤4、光探测器获取通过大气传输的光信号，并通过电流变化情况表征LED发光二极管的发光强度和发光频率，之后，负载电阻通过两端的电压变化来表征流经光探测器的电流变化，便于信号解调及反馈模块信息的采集和解码；
[0028] 所述信号解调及反馈模块采用和电压调制模拟信号模块相同的解码和解调方式，解调出相应的解码信息，包括位置和电压信号。可选的，通过模型演示得到相应的解码信息[0029] 和现有技术相比，本发明具有以下显著优点：LED二极管发光在一定程度上可以做出相应的光交互反馈；与基于无线电的通信模式相比，具有更高的带块，更高的传输，由于可见光只能沿直线传输，因此只有处在光先传播直线上才可能截获信息；现有基于机器人以及大规模阵列的传输方式人处于探索阶段，本发明提供了一种可探索的方向。
附图说明
[0030] 图1为本发明的系统结构示意图；
[0032] 图3为本发明实施例2的结构示意图；
[0033] 图4为本发明实施例2,3的FSK调制原理示意图；
[0034] 图5为本发明实施例2,3的FSK解调原理示意图；
[0035] 图6为本发明实施例3的结构示意图；
具体实施方式
[0036] 下面结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案做详细的说明。
[0037] 一种基于光通信技术的柔性电子通信系统，包括电压调制模拟信号模块，LED发光二极管，光接收模块，信号解调及反馈。如图1所示。
[0038] 电压调制模拟信号模块，可以实现但不仅限于以下三种信号的感知，编码和调制：
[0039] 1、将压力，温度，湿度等物理、化学信号通过柔性传感器转化为电压信号，其中，电压信号与上述自然模拟信号一一对应，实现电压模拟信号编码调制，进而驱动LED发光二极管发光；
[0040] 2、将包含关节弯曲、拉伸等肢体信息的远程控制信号通过拉伸/
压力传感器转化为电压信号，其中，电压信号与关节弯曲角度，拉伸程度等肢体信息一一对应，实现电压模拟信号编码调制，进而驱动LED发光二极管发光；
[0041] 3、对于更复杂的信号模式，比如阵列化信号、由压力、温度和湿度等多种信号一起混合传输的多信号，可以通过柔性传感器采集多通道信号，然后根据采集到的多通道电压信号，编码调制为不同的数字信号格式，进而驱动LED发光二极管发光；
[0042] LED发光二极管，根据上述的电压调制模拟信号模块的电压输出模式发光，其光照强度与电压成正相关，即，上述电压调制模拟信号模块的电压越高，发光越强，光照越亮；发光二极管可以为白光LED，红光LED等其中之一。
[0043] 光接收模块，包括驱动电源，光探测器和负载电阻，实现检测LED发光二极管通过大气环境传输而来的光照信息，并通过电阻两端的电压变化来表征LED光照强度；具体地，光探测器可以是PN二极管，PIN二极管，
雪崩二极管或任何集成光敏的二极管的光强探测器；上述光探测器的输出电流信号在一定的光照强度内与光强呈现近线性关系，因而，在不同的LED
亮度下，流经光探测器的电流不同，进而造成负载电阻两端的电压不同，从而实现电压表征LED光照强度。
[0044] 信号解调及反馈，对光接收模块接收的LED光信号进行解码，并根据解码得到的相关信息执行相应的动作；相应的动作可以是对环境刺激的反应，也可以是对于远程控制信息的反应。
[0045] 工作流程：
[0046] 步骤1、电压调制模拟信号采用不同的调制方式将柔性电子传感器获取得到的自然刺激的信号或远程肢体控制信号调制为特定的电压信号；
[0047] 步骤2、LED发光二极管根据上述电压调制模拟信号输出的电压信号发光，其中发光频率和强度包含着相应的通信信息；
[0048] 步骤3、光探测器获取通过大气传输的光信号，并通过电流变化情况表征LED发光二极管的发光强度和发光频率；
[0049] 步骤4、负载电阻通过两端的电压变化来表征流经光探测器的电流变化，便于信号解调及反馈模块信息的采集和解码；
[0050] 步骤5、信号解调及反馈模块采用和电压调制模拟信号相同的调制方式，解调出相应的通信信息，并对环境刺激做出相应的反应或执行相应的远程控制指令。
[0051] 解调方式与调制方式相对应，可以为ASK，OOK，FSK，GFSK其中之一，步骤1中，对于简单的
信号传输，也可不采用电压编码和调制方式，而是直接使用电压模拟信号来表征原始信号所包含的信息；更详细的来说，电压调制模拟信号模块不需要对获取的信号进行调制解调，如果柔性传感器获取得到的信号不是电压信号，要将柔性传感器获取的信号转化为电压信号；如果柔性传感器获取得到的信号已经是电压信号，只需要对电压信号做简单的倍数处理以更好的适应LED的功率要求和尽可能的提高电压
分辨率，然后
直接驱动LED发光，电压越大，LED光强越大，负载两端的电压变化也于光强呈正相关性。故采用光强来直接传输信号，具体细节见实例1。
[0052] 首先，本发明的柔性电子通信系统可应用于机器人感知，具体地，柔性传感器和LED发光二极管集成在机器人手指和手背上，光探测器集成固定在机器人前额或眼睛处。信号解调及反馈模块包括信号解调子模块及其控制的机械反馈模块，信号解调模块内置于机器人的处理器中，机械反馈模块用于控制机器人的手部作出反馈动作，信号解调子模块解调出解码信号，根据信号形式给出是否反馈的指令，然后指令控制相应的机械反馈模块，机器人的手部作出反馈动作。
[0053] 实施例1：机器人通过光通信感知手指按压的压力信号并做出缩手反馈[0054] 如附图1所示，机器人通过附着在手指上的柔性传感器将机械手指触摸得到的压力信号转化为电压信号，电压信号的幅度与压力信号大小一一对应，之后得到的电压信号驱动LED红光发光二极管驱动，经过大气通道传递给PIN二极管光探测器，PIN二极管输出的电流与LED红光发光二极管的强度相对应，经过电源和负载电阻将流经PIN二极管的电流信号转换为电压信号，接着，信号解调及反馈模块中的电压
阈值编码模块对从负载电阻两端得到的电压进行二进制编码。
[0055] 当电压大于某一电压阈值(Vth)时，模拟电压信号编码为数字信号1；相反地，当电压低于某一电压阈值(Vth)时，模拟电压信号编码为数字信号0。
[0056] 电压阈值编码模块输出的数字信号，给出相应的指令，控制机器人手做出相应的反馈。具体地，当数字信号为1时，控制机器人缩手，实现对于高压力信号的缩手反应；当数字信号为0时，保持之前的状态(保持伸手或缩手)。
[0057] LED发光二极管的发光强度会随压力信号的增大而增大，在某一些特定场合下，也同时提供了视觉信息交互反馈。
[0058] 其次，本发明还提供了一种柔性电子通信系统在机器人远程控制上的应用。
[0059] 实施例3：通过光通信实现远程机器人实时控制
[0060] 具体地，本实例展现了一种通过光通信技术实现机器人远程控制的应用实例，如附图3所示，具体地，
[0061] 肢体信号获取模块由多个特定的传感器贴合在特定的关节上组成，实现不同的姿态信息获取。具体地，五通道电压信息表征手势“2”，即，将五个柔性传感器贴合在手指关节处，通过
输出电压来表征手指弯曲信息。
[0062] 由于位于电压调制模拟信号模块中的数字信号调制解编码模块每次通信时，通信信息只包括1个肢体姿态信息，为进一步减轻通信压力，通过二进制数字信号编码实现不同的姿态信息编码，然后采用如附图4所示的FSK(频率编码)编码模式，将数字信号“1”编码为频率为f1的矩形波信号，将数字信号“0”编码为频率为f2的矩形波信号。
[0063] 具体地，对于手势“2”而言，首先根据五通道获取的电压信息判断，如果食指和中指对应的通道电压低于设置的阈值电压，而其余的大拇指，无名指和小拇指对应的通道电压高于设置的阈值电压时，认为识别出的手势为手势“2”，接着数字信号调制编码模块按照预设的编码模式将该收拾编码为“00010”，外加起始位0和结束位1，所以经过上述两步骤后可编码数字信号,0000101，共7位数字信号。采用FSK(频率编码)编码模式将数字信号“1”编码为频率为10Hz的矩形波信号，将数字信号“0”编码为频率为100Hz的矩形波信号。
[0064] 电压调制模拟信号模块中的电压驱动模块接收调制过的电压信号驱动LED发光二极管发光。
[0065] 光接收模块中的电压检测获取模块获取负载电阻两端的电压信号，并将获取到的电压模拟信号传递给解调解码数字信号模块。
[0066] 信号解调及反馈模块中的数字信号调制解编码模块通过记录一定时间t内的脉冲个数来解调出此时的数字信号，如附图5所示。当计数器记录脉冲个数为N1时，对应着频率f1的矩形波信号，所以对应的数字信号为“1”；相应地，当计数器记录脉冲个数为N2时，对应着频率f2的矩形波信号，所以对应的数字信号为“0”。之后查找LookUp Table查找表，找到相应的手势。
[0067] 具体地，对于上述3中传输而来的信号，通过解调解码数字信号模块后，[0068] 将解码出0000101，去掉起始位和结束位，得到00010，之后通过LookUp Table查找表，找到相应的手势“2”，机器人控制中心控制实现手势“2”。
[0069] 该实例的工作流程如下：
[0070] 步骤1、通过将特定的传感器贴合在特定的关节上，实现不同的姿态信息获取。
[0071] 步骤2、数字信号调制解编码采用二进制数字编码和FSK调制方式，将不同的手势编码调制为相应的具有不同频率模式的电压信号。
[0072] 步骤3、LED发光二极管根据上述数字信号调制解编码模块输出的电压信号发光，其中发光频率和强度包含着相应的通信信息。
[0073] 步骤4、PIN光探测器获取通过大气传输的光信号，并通过电流变化情况表征LED发光二极管的发光强度和发光频率，之后，负载电阻通过两端的电压变化来表征流经光探测器的电流变化，便于信号解调及反馈模块信息的采集和解码。
[0074] 步骤5、位于信号解调及反馈模块中的数字信号调制解编码模块采用和位于电压调制模拟信号模块中的解调解码数字信号模块相同的二进制解码和FSK解调方式，解调出相应的数字信号，之后通过查找LookUp Table找到相应的肢体姿态信息。通过机器人控制中心控制机器人实现相应的姿态。
[0075] 实施例3:柔性大规模集成传感器阵列通过光通信传输复杂信号
[0076] 如附图6所示，将阵列化感知模块(柔性传感器)获取的二维压力，温度等信号阵列信号通过光通信技术传输到固定的接收器上，其中，阵列化压力感知模块安装在任意一种需要二维压力，温度等自然信号分布信息的场合下。具体包括如下内容：
[0077] 柔性传感器——阵列化压力感知模块感知二维压力等分布模式；
[0078] 电压调制模拟信号模块中的数字信号调制解编码模块首先将阵列化压力感知模块获取的二维压力分布转化为电压信号，具体地，对于5×5的阵列，每一个单元(x,y)上的模拟电压信号Vx,y表征改点的压力大小。
[0079] 具体地，该通信的信息包含两个重要信息位置和该位置上的电压，接下来将位置信息采用二进制编码编码为数字信号，不同位置上的电压通过
模数转换器转换为数字信号，之后采用FSK(频率编码)编码模式，如附图4所示，将数字信号“1”编码为频率为f1的矩形波信号，将数字信号“0”编码为频率为f2的矩形波信号。
[0080] 具体地，假设(3,2)位置上有5V的电压，首先(3,2)编码为011010，其中前三位011为3的二进制表示，后三位010为2的二进制表示。5V经过通过内置的
数模转换软件模块后转换为000101，外加起始位0和结束位1，所以经过上述两步骤后可编码数字信号,00110100001011，共14位数字信号。采用FSK(频率编码)编码模式将数字信号“1”编码为频率为10Hz的矩形波信号，将数字信号“0”编码为频率为100Hz的矩形波信号。
[0081] 电压调制模拟信号模块中的电压驱动模块接收上述数字信号调制编码模块调制过的电压信号驱动LED发光二极管发光。
[0082] 光接收模块中的电压检测获取模块获取负载电阻两端的电压信号，并将获取到的电压模拟信号传递给解调解码数字信号模块。
[0083] 解调解码数字信号模块：通过记录一定时间t内的脉冲个数来解调出此时的数字信号，如附图5所示。当计数器记录脉冲个数为N1时，对应着频率f1的矩形波信号，所以对应的数字信号为“1”；相应地，当计数器记录脉冲个数为N2时，对应着频率f2的矩形波信号，所以对应的数字信号为“0”。
[0084] 具体地，对于上述3中传输而来的信号，通过信号解调及反馈模块中的解调解码数字信号模块后，将解码出00110100001011，去掉起始位和结束位，得到0110100000101，进一步通过前六位解码出位置信息(3,2),后六位通过内置的数模转换
软件模块得到5V的模拟信号。可选地，可以通过模型演示得到相应的解码信息。
[0085] 该实例的工作流程如下：
[0086] 步骤1、阵列化压力感知模块感知二维压力分布模式，并转化为电压信号；
[0087] 步骤2、数字信号调制解编码采用二进制数字编码和FSK调制方式，将位置和电压信息编码调制为相应的具有不同频率模式的电压信号；
[0088] 步骤3、LED发光二极管根据上述电压调制模拟信号模块中的数字信号调制解编码模块输出的电压信号发光，其中发光频率和强度包含着相应的通信信息；
[0089] 步骤4、PIN光探测器获取通过大气传输的光信号，并通过电流变化情况表征LED发光二极管的发光强度和发光频率，之后，负载电阻通过两端的电压变化来表征流经光探测器的电流变化，便于信号解调及反馈模块信息的采集和解码；
[0090] 数字信号调制解编码模块采用和解调解码数字信号模块相同的二进制解码和FSK解调方式，解调出相应的位置和电压信号。可选地，可通过模型演示得到相应的解码信息。
