CN102175388B - 一种曲面柔性触觉传感器阵列的三维标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曲面柔性触觉传感器阵列的三维标定装置，包括三坐标导轨机器人、三维力加载机构、阵列平台以及与其电连接的控制部分；所述三坐标导轨机器人包括X轴导轨、Y轴导轨和Z轴导轨，三者均安装了带位置检测功能的光栅尺。所述三维力加载机构通过并联机构安装法兰安装在Z轴导轨下端，三维力加载机构包括并联机构和三维力检测部件，三维力检测部件安装于并联机构操作末端。本发明通过驱动三坐标导轨机器人带动三维力加载机构空间定位，配合光栅尺的闭环位置控制实现准确定位；由并联机构调整三维力加载头姿态，当标准三维触觉传感器检测的三维力达到设定值时，输出传感器采样电路的测量值以及相应的矩阵位置坐标。

Description

一种曲面柔性触觉传感器阵列的三维标定装置

技术领域　

     本发明属于传感器应用领域，特别涉及一种曲面柔性触觉传感器阵列的标定装置，应用于三维曲面形状的三维力标定。

背景技术

柔性触觉传感器阵列是机器人皮肤研究的热点之一，此类传感器阵列具有和人类皮肤类似的感知能力，是一类高精度、高分辨率、高速响应且能测量大面积触觉信息的传感器。柔性触觉传感器阵列，尤其是空间曲面形状的大面积、高密度点阵式的传感器阵列，在检测领域中有重要和不可替代的用途。此类传感器的出现，大大的推动了阵列式传感器的应用。

典型的阵列传感器产品，如美国的Tekscan公司推出的压力分布测试系统，广泛应用于多领域的压力分布测试与分析。国内如中国科学院合肥智能机械研究所研制的人工皮肤，采用基于导电橡胶的柔性材料制作了三维柔性触觉传感器阵列。此外，国内外其他相关的研究如基于电容、PVDF、光波导等技术研制的机器人三维力触觉传感器阵列等等，也已经取得了一定的成果。此类柔性触觉传感器阵列采用柔性敏感材料制作而成，可以弯曲成各种非平面形状，适用于非平面的触觉信息的测量，在如机器人柔性敏感手指、机器人腕部受力信息的测量、以及内窥镜检查等各种领域内得到广泛的应用。

由于工艺、生产流程的原因，基于各种柔性材料制作的触觉传感器阵列，阵列各不同部分由于生产流程、制作工艺、制作技术的非同一性，同一个传感器阵列的不同部分的特性也会出现非均一性。尤其当柔性触觉传感器被应用在非平面形状的场合，其测量的误差更大。上述这些弊端使得传感器测量的数据和实际受力之间存在误差，这些都将最终会影响整个检测系统的准确性和精确性，给曲面大规模三维触觉传感器阵列的广泛应用带来极大的困难。

由于上述的触觉传感器阵列设计制作过程中存在的问题，对触觉传感器阵列的广泛应用带来的不利，因此需要对传感器进行标定。但是目前尚很少有对曲面的触觉传感器阵列的标定平台，对这种大规模柔性触觉传感器阵列的三维标定装置则更加少见。因此目前迫切需要一种能对曲面触觉传感器阵列进行三维标定的装置。并且为了更加准确、方便、快速的标定，这种标定装置系应具有高度的智能化和自动化。

在现有技术中有多维传感器的标定装置，公开号为CN101109670A的“三向力传感器标定装置”和公开号为CN101281073A的“一种力学传感器阵列标定装置及其工作方法”的专利文件和本发明专利接近。经检索查新，其中公开号为CN101281073A的专利是最接近的专利，它公布了一种阵列力学传感器的标定装置，并给出一种可行的标定方法。但是该专利文件提到的标定装置和标定方法存在不足，其一，该标定装置的标定阵列平台是平面的，不能对曲面形状的柔性传感器阵列进行标定；其二，该标定装置仅能对压力信息进行标定，不能对三维触觉传感器阵列的触觉信息进行标定；其三，该标定装置的标定平台采用机械式限位器对传感器矩阵的范围进行限定，由于定位装置是开环的控制，被标定传感器阵列单元的定位精度不高。总之，使用该标定装置无法实现对曲面的柔性触觉传感器阵列进行三维标定。针对上文提出来的使用空间形状柔性三维触觉传感器阵列过程中具体使用的要求，以及现有技术在此类标定装置中的不足，本发明专利提出了一种曲面柔性触觉传感器阵列的三维标定装置。本发明提出的标定装置，可对空间曲面柔性触觉传感器阵列进行标定，且可以进行柔性触觉传感器的三维触觉信息的标定。

发明内容　

     针对现有技术中存在的问题，本发明提出的标定装置，不但适用于空间曲面柔性三维触觉传感器阵列的标定，以及平面型柔性单维/三维的触觉传感器阵列的标定，也适用于刚体的单维/三维触觉传感器阵列的标定，亦可用作单一触觉传感器进行标定测试。

本发明的技术方案是：一种三维柔性触觉传感器阵列标定装置，包括三坐标导轨机器人、三维力加载机构、阵列平台以及与其电连接的控制部分；所述三坐标导轨机器人包括X轴导轨、Y轴导轨和Z轴导轨；所述X轴导轨通过调节连接块安装在支座上，燕尾导向槽通过导向连接法兰在X轴导轨上运行，产生X轴向位移；Y轴导向槽通过 Y轴法兰在Y轴导轨上运动产生Y轴向位移； Z轴导向槽在Z轴导轨上运动产生Z轴向位移；所述三维力加载机构通过并联机构安装法兰安装在Z轴导轨下端，三维力加载机构包括并联机构和三维力检测部件，三维力检测部件安装于并联机构操作末端；所述阵列平台包括触觉传感器阵列和传感器安装平台，所述触觉传感器阵列安装在传感器安装平台上。

所述并联机构包括动平台和静平台，两者分别通过短连杆和长连杆连接在导轨上，导轨固定在并联机构安装法兰上。

所述短连杆下端连接在静平台球铰上，上端通过球铰支座安装于在导轨上；所述长连杆下端连接在动平台球铰上，上端通过球铰支座安装于在导轨上。

所述三维力检测部件包括工装夹具和三维力检测传感器，所述工装夹具夹持三维力检测传感器，刚性连接在动平台上。

所述控制部分包括电机驱动器模块和控制电路模块。

所述电机驱动模块包括并联机构的６个伺服电机驱动模块以及三坐标导轨机器人中的4个伺服电机驱动模块；并联机构的6个电机驱动模块均为直流伺服电机驱动器，三坐标导轨机器人的伺服电机驱动模块包括2个X轴伺服电机驱动器、1个Y轴伺服电机驱动器、1个Z轴伺服电机驱动器；X轴伺服电机驱动器输入端和传感器控制电路模块连接，输出端与X轴伺服电机连接；Y轴伺服电机驱动器输入端和传感器控制电路模块连接，输出端与Y轴伺服电机连接；Z轴伺服电机驱动器输入端和传感器控制电路模块连接，输出端与Z轴伺服电机连接。

所述控制电路模块包括电源和复位电路、采样滤波模块、数据存储模块、JTAG接口、USB通讯模块、与电机驱动模块接口电路、传感器阵列的供电模块、行列选择模块、以及CPU组成；传感器控制电路模块和上位机连接，控制电路模块也和电机驱动器模块以及触觉传感器阵列相连。

所述三坐标导轨机器人的X轴导轨、Y轴导轨、Z轴导轨上安装了带位置检测功能的光栅尺。

本发明通过驱动三坐标导轨机器人带动传感器加载机构进行空间定位，配合光栅尺的闭环位置控制实现准确定位；由并联机构调整三维力加载头姿态，当标准三维触觉传感器检测的三维力达到设定值时，输出传感器采样电路的测量值以及相应的矩阵位置坐标。本发明能够根据传感器阵列的形状对标定流程进行设置，扩大了该装置的使用范围。

本发明的有益效果：本发明提出一种空间曲面柔性触觉传感器阵列三维标定装置，根据输入的不同传感器阵列信息，对标定的三维力的量程进行设定，由上位机选择行列扫描方式、逐点方式或者固定点方式标定。上位机发送控制命令，经传感器控制电路模块对电机驱动器模块进行驱动，使得三维力加载头准确快速的定位到指定的标定坐标。控制命令对并联机构的直流伺服电机进行驱动，通过并联机构对三维力加载装置的姿态进行调整，实现三维外力加载及卸载，当标准三维触觉传感器检测的三维力达到设定值时，采样电路测量空间曲面柔性触觉传感器阵列的输出以及定位装置的坐标值。由上位机设定标定方式，标定装置自动完成整个传感器阵列的标定，传感器阵列标定过程实现自动化和智能化。本发明结构精密，具有标定精度高、自动化和智能化程度高、标定速度快的优点，为三维柔性触觉传感器阵列的标定提供了一种新的标定技术，使得触觉传感器阵列尤其是大规模的曲面柔性三维触觉传感器阵列的应用范围得到了推广。

附图说明

     图1是本发明结构示意图；

     图2是三坐标导轨机器人结构示意图；

     图3是三维力加载机构结构示意图；

     图4是三维力检测部件结构示意图；

     图5是阵列平台结构示意图；

 图6是本发明的控制电路模块连接示意图；

图7是本发明的控制电路模块框图；

图8是本发明的电机驱动模块框图。

图中：1、承载支座，2、安装法兰，3、X轴导轨，4、调节连接块，5、燕尾导向槽，6、连接法兰，7、Y轴导轨，8、Y轴导向槽，9、Y轴法兰，10、Z轴导向槽，11、Z轴导轨，12、并联机构安装法兰，13、三维力加载并联机构，14、三维力检测部件，15、阵列平台，16、电机驱动器模块，17、控制电路模块，18、动平台， 19、连接圆杆，20、静平台，21、静平台球铰；22、短连杆，23、球铰支座，24、导轨，25、支撑架，26、长连杆，27、球铰，28、工装夹具，29、三维力检测传感器，30、曲面触觉阵列传感器，31、安装平台，32、上位机，33、JTAG接口，34、数据存储模块，35、采样滤波模块，36、电源和复位电路，37、行列选择模块，38、传感器阵列的供电模块，39、CPU，40、与电机驱动模块接口电路，41、USB通讯模块，42、三导轨机器人伺服电机驱动器，43、并联机构伺服电机驱动器。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是曲面触觉传感器阵列实验标定装置，该装置配置包括三坐标导轨机器人、三维力加载机构、阵列平台以及与其电连接的控制部分。其中，三坐标导轨机器人用于调整三维力加载装置的空间作业定位，三维力加载机构用于施加力的大小和方向的调整。

图2是图1中所描述的三坐标导轨机器人。整个标定平台由承载支座1支撑；在标定作业时，由安装在直流伺服电机安装法兰2上的电机进行驱动，燕尾导向槽5通过导向连接法兰6在带直线位移检测的X轴导轨3上运行，从而产生导轨机器人X轴方向的位移；而X轴导轨3通过调节连接块4安装在支座1上，起到水平调节作用；同理，导轨机器人Y轴导轨7轴上的运动由Y轴法兰9连接的Y轴导向槽8，在Y轴导轨7上运动产生位移；Z轴导轨11运动亦由Z轴导向槽10在Z轴导轨11上运动产生；并联机构安装法兰12，用于安装三维力加载并联机构13，并将其固定连接与导轨机器人的Z轴导轨11上；三维力检测部件14安装于并联机构13操作末端，用于反应标定实时各分方向加载力的大小；15是曲面柔性触觉传感器阵列及安装承载平台。

图3是针对三维加载力并联机构13，对其进一步说明，动平台18是并联机构操作对象，用于调整安装其上三维检测传感器的作业体态；19是动平台与静平台连接圆杆，用于传递力和力矩；20是静平台，21是安装于静平台球铰；25是支撑架，用于并联机构导轨相互连接，提高机构的刚度和稳定性；短连杆22通过安装于在导轨24上球铰支座23，将静平台连接于导轨24，同时，长连杆26，通过安装于动平台上球铰27，将动平台与导轨连接起来；因此，通过安装与导轨上的电机传动装置，将球铰支座23在导轨24上运动与力传递于动平台，以达到调节末端操作姿态的目的。

图4是检测传感器工装夹具28与三维力检测传感器29；工装夹具28用于夹持三维力检测传感器29，通过刚性连接在并联机构动平台18上，将加载力传递于待标定曲面触觉阵列传感器30，通过标准和高精度的三维检测传感器29，实时反馈出各个方向加载力的大小，以达到标定实验的目的。

图5是柔性触觉传感器阵列及安装承载平台，通过传感器安装平台31将触觉传感器阵列30安装与固定，并承载所加标定载荷。

图6的传感器控制电路模块17和电机驱动器模块16以及传感器阵列30相连，和电机驱动器模块的连接向电机驱动器模块发送控制命令，指定电机的驱动模式；和传感器阵列模块的连接用以向传感器阵列模块供电、测量指定矩阵行列所在位置的传感器的阻值，通过采样滤波电路，测量传感器阵列在标定作用力下的阻值。

图7是传感器的控制电路模块17，包括电源和复位电路36、采样滤波模块35、数据存储模块34、JTAG接口33、USB通讯模块41、与电机驱动模块接口电路40、传感器阵列的供电模块38、行列选择模块37、以及CPU 39组成。控制电路模块和上位机32连接，接收上位机32发送的控制指令和信息数据。

图8是电机驱动模块16，包括并联机构的６个伺服电机驱动模块43以及三坐标导轨机器人中的4个伺服电机驱动模块42，并联机构的６个伺服电机驱动模块均为直流伺服电机驱动器431-436，三坐标导轨机器人的4个伺服电机驱动模块包括2个X轴伺服电机驱动器421和422、1个Y轴伺服电机驱动器423、1个Z轴伺服电机驱动器424；X轴伺服电机驱动器输入端和传感器控制电路模块连接，输出端与X轴伺服电机连接；Y轴伺服电机驱动器输入端和传感器控制电路模块连接，输出端与Y轴伺服电机连接；Z轴伺服电机驱动器输入端和传感器控制电路模块连接，输出端与Z轴伺服电机连接。

本发明的要解决的问题是可对三维曲面形状的传感器阵列进行三维标定，该装置首先向上位机标定系统输入需要标定的传感器阵列的坐标信息，通过三坐标导轨机器人在三维空间的移动，结合光栅尺对三坐标导轨机器人闭环控制，提高了传感器的定位精度；并联机构带动三维力触觉加载端姿态的调整，进而对三维力大小和方向调整，直到标准三维触觉传感器检测的三维力达到设定值；该发明提供一种对柔性触觉传感器阵列进行三维力标定装置，实现传感器阵列的三维力标定；结合电机驱动模块、电路控制模块、上位机实现标定装置的自动化和智能化。

上述的具体标定实施步骤用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

因此本发明的发明点是：

其一，本发明中的标定装置可对空间曲面柔性触觉传感器阵列进行标定；

其二，本发明可以进行柔性触觉传感器的三维触觉信息的进行标定；

其三，本发明机械结构采用模块化设计，采用三坐标导轨机器人实现传感器阵列三维空间的定位，配合光栅尺对传感器矩阵的位置进行闭环控制，能够实现力加载点的准确定位，精度高； 

其四，本发明采用并联装置配合三维力加载头，由标准三维触觉传感器对三维力大小进行测量，实现三维力的准确加载，精度高；

本发明提供了一种空间曲面形状的柔性触觉传感器阵列的三维力标定方法，在目前的技术背景下，为此类空间曲面传感器阵列的三维力标定提供了一种实用有效的途径。

Claims (7)

1.一种曲面柔性触觉传感器阵列的三维标定装置，包括三坐标导轨机器人、三维力加载机构、阵列平台（15）以及与其电连接的控制部分；所述三坐标导轨机器人包括X轴导轨（3）、Y轴导轨（7）和Z轴导轨（11）；其特征在于：所述X轴导轨（3）通过调节连接块（4）安装在支座（1）上，燕尾导向槽（5）通过导向连接法兰（6）在X轴导轨（3）上运行，产生X轴向位移；Y轴导向槽（8）通过 Y轴法兰（9）在Y轴导轨（7）上运动产生Y轴向位移； Z轴导向槽（10）在Z轴导轨（11）上运动产生Z轴向位移；所述三维力加载机构通过并联机构安装法兰（12）安装在Z轴导轨（11）下端，三维力加载机构包括并联机构（13）和三维力检测部件（14），三维力检测部件（14）安装于并联机构（13）操作末端；所述阵列平台（15）包括触觉传感器阵列（30）和传感器安装平台（31），所述触觉传感器阵列（30）安装在传感器安装平台（31）上；所述并联机构（13）包括动平台（18）和静平台（20），两者分别通过短连杆（22）和长连杆（26）连接在导轨（24）上，导轨（24）固定在并联机构安装法兰（12）上。

2.根据权利要求1所述的曲面柔性触觉传感器阵列的三维标定装置，其特征在于：所述短连杆（22）下端连接在静平台球铰（21）上，上端通过球铰支座（23）安装于在导轨（24）上；所述长连杆（26）下端连接在动平台球铰（27）上，上端通过球铰支座（23）安装于在导轨（24）上。

3.根据权利要求1所述的曲面柔性触觉传感器阵列的三维标定装置，其特征在于：所述三维力检测部件（14）包括工装夹具（28）和三维力检测传感器（29），所述工装夹具（28）夹持三维力检测传感器（29），刚性连接在动平台（18）上。

4.根据权利要求1所述的曲面柔性触觉传感器阵列的三维标定装置，其特征在于：所述控制部分包括电机驱动模块（16）和控制电路模块（17）。

5.根据权利要求4所述的曲面柔性触觉传感器阵列的三维标定装置，其特征在于：所述电机驱动模块（16）包括并联机构的６个伺服电机的驱动器（43）以及三坐标导轨机器人中的4个伺服电机驱动器（42）；并联机构的６个电机驱动模块均为直流伺服电机驱动器，4个三坐标导轨机器人的伺服电机驱动模块包括2个X轴伺服电机驱动器、1个Y轴伺服电机驱动器、1个Z轴伺服电机驱动器；X轴伺服电机驱动器输入端和传感器硬件控制电路模块连接，输出端与X轴伺服电机连接；Y轴伺服电机驱动器输入端和传感器硬件控制电路模块连接，输出端与Y轴伺服电机连接；Z轴伺服电机驱动器输入端和传感器硬件控制电路模块连接，输出端与Z轴伺服电机连接。

6.根据权利要求5所述的曲面柔性触觉传感器阵列的三维标定装置，其特征在于：所述控制电路模块（17）包括电源和复位电路（36）、采样滤波模块（35）、数据存储模块（34）、JTAG接口（33）、USB通讯模块（41）、与电机驱动模块接口电路（40）、传感器阵列的供电模块（38）、行列选择模块（37）、以及CPU组成（39）；控制电路模块（17）和上位机连接，控制电路模块也和电机驱动器模块以及触觉传感器阵列相连。

7.根据权利要求1-6任一项所述的曲面柔性触觉传感器阵列的三维标定装置，其特征在于：所述三坐标导轨机器人的X轴导轨、Y轴导轨、Z轴导轨上安装了带位置检测功能的光栅尺。

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