CN103495981A - 一种基于触觉传感器的机械手 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于触觉传感器的机械手，包括：机械手，传感器阵列，传感器数据收集器与传感器数据处理单元。实施本发明，集成触觉传感器阵列的机械手，以实现对现实物体的触觉感知，并提供一种数据存储方案，以永久保持所接触物体的相关接触觉，压觉，滑觉等触觉的信息，方便后续的触觉再现和物体分析。
Description
技术领域
本发明涉及人机交互技术领域，具体涉及一种基于触觉传感器的机械手。
背景技术
触觉是自然界多数生物从外界环境获取信息的重要形式之一，广义的触觉是指接触、压迫、滑动、温度、湿度等的综合，而狭义的触觉则单指接触面上的力觉，其严谨的概念包括接触觉、压觉和滑觉。触觉对于虚拟现实技术中临场感程度和交互性具有十分重要的现实意义。触觉传感器是用于机器人中模仿触觉功能的传感器。其研究始于上世纪七十年代，在四十多年的发展历程中，国内外的科研人员在传感器工作机理的研究、敏感材料的开发、传感器的结构设计、触觉图像的处理等多方面都做了大量的工作，并取得了巨大的成就。触觉传感器按功能可分为接触觉传感器、力—力矩觉传感器、压觉传感器和滑觉传感器等。
近年来，虚拟现实技术和机器人技术的飞速发展，作为一种重要的人机接口方式。在虚拟现实技术中，触觉是用户和设计人员与虚拟环境中的物体交互、感知虚拟物体表面特性的最重要手段之一；在机器人领域，通过触觉传感器感知接触物的形状、表面粗糙度、抖动、抓取目标物时的夹持力、滑移和表面温度等信息。这些技术的发展均需要大量的触觉拾取和记录装置。
研究人员使用力敏感膜、单晶硅、多品硅、导电橡胶和光纤等材料设计出了压阻式、压电式、电容式、光电式、机械式、超声式、热电式和磁致弹性式等多种触觉传感器
到目前为止，国内外对触觉的研究都主要集中在力触觉上，不断优化的力触觉算法在柔性、纹理触觉复现装置上的应用，使得这些装置能够较好地再现虚拟场景物体的柔性、纹理力触觉特性，而多种触觉感知的获取和相关数据记录方法的研究仍比较少。
所以有必要设计一种能够获取物体的多维触觉（包括接触觉、压觉、滑觉）的机械装置，并设计一种数据文件格式，以保存此机械装置在接触过程中所获取的触觉数据，方便将来触觉再现的实现。
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。
发明内容
本发明提供了一种基于触觉传感器的机械手，集成触觉传感器阵列的机械手，以实现对现实物体的触觉感知，并提供一种数据存储方案，以永久保持所接触物体的相关接触觉，压觉，滑觉等触觉的信息，方便后续的触觉再现和物体分析。
相应的，本发明实施例提供了一种基于触觉传感器的机械手，包括：机械手，传感器阵列，传感器数据收集器与传感器数据处理单元。
所述机械手用于模拟人类手掌的形态，提供伸直，弯曲，抓取的基本功能，以实现对实际物体的接触，挤压，抓握的动作。
所述传感器阵列以机械手掌的中心为原点，建立一个三维的笛卡尔坐标系，从而对机械手的三维空间进行定标，并在机械手的表面集成触觉传感器，形成一个触觉传感器阵列，可以精确的对机械手的三维空间进行触觉感知。
所述传感器数据接收器用于接收传感器阵列接触物体所感知的传感器数据，其中包括，接触觉、压觉、滑觉信息，及其对应的空间坐标点位置。
所述传感器数据接收器采取每隔100ms的时间对传感器阵列采样一次的方式，将这些信息快速转换成二进制数据发送给传感器数据处理器。
所述传感器数据处理器用于处理从数据接收器传来的数据，将从接收器那里传来的数据称作帧数据。
实施本发明实施例，集成触觉传感器阵列的机械手，以实现对现实物体的触觉感知，并提供一种数据存储方案，以永久保持所接触物体的相关接触觉，压觉，滑觉等触觉的信息，方便后续的触觉再现和物体分析。
附图说明
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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它的附图。
图1是本发明实施例中的基于触觉传感器的机械手结构示意图；
图2是本发明实施例中的对传感器数据处理器所处理的数据文件格式结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是设计一种集成触觉传感器阵列的机械手，以实现对现实物体的触觉感知，并提供一种数据存储方案，以永久保持所接触物体的相关接触觉，压觉，滑觉等触觉的信息，方便后续的触觉再现和物体分析。
本发明通过设计触觉传感器阵列机械手，及其相应的触觉数据文件格式，提供了触觉拾取和触觉数据存储方案。
由图1可知，系统功能部件包括，机械手，传感器阵列，传感器数据收集器与传感器数据处理单元等。各功能部件描述如下：
机械手：用于模拟人类手掌的形态，提供伸直，弯曲，抓取的基本功能，以实现对实际物体的接触，挤压，抓握的动作。
传感器阵列：以机械手掌的中心为原点，建立一个三维的笛卡尔坐标系，从而对机械手的三维空间进行定标，并在机械手的表面集成触觉传感器，这样形成一个触觉传感器阵列，可以精确的对机械手的三维空间进行触觉感知，即：感知其三维空间中的坐标点所产生的触觉信息。
传感器数据接收器：用于接收传感器阵列接触物体所感知的传感器数据，其中包括，接触觉、压觉、滑觉信息，及其对应的空间坐标点位置。采取每隔100ms的时间对传感器阵列采样一次的方式，将这些信息快速转换成二进制数据发送给传感器数据处理器。
传感器数据处理器：用于处理从数据接收器传来的数据，将从接收器那里传来的数据称作帧数据，即每一帧的时间间隔为100ms，这样数据处理器处理的数据单位为一帧数据，处理的方式是，对比上次的数据帧，进行数据压缩，即若此刻机械手三维空间中某一点触觉传感器传回的值与前一刻的相同，则当前只填入前一次的数据指针位置。这样遍历处理机械手三维空间中的每一个触觉传感器，形成一帧数据，数据流的形式发送给上位机，进行数据的打包、压缩存储。
下面结合图2对传感器数据处理器所处理的数据文件格式进行说明：
开始工作是，数据处理器建立文件指针，从零开始计数，开辟固定大小区域作为文件头，文件头记录此次触觉感知过程的中的基本信息，包括开始时间，结束时间，机械手三维坐标空间的设定，触觉传感器传回的触觉信息的类型，及其取值范围，数据帧的总个数。
触觉数据记录开始后，传感器数据接收器，每过100ms传来一帧数据，数据处理器则开辟一个数据帧块用于存放此次传来的所有机械手三维空间中触觉传感器的信息。由于空间中的触觉传感器的数据量很大，所记录的触觉类型也复杂多样，加上很多区域的触觉数据可能短时间内，所以对重复数据进行压缩是十分必要的。这样数据处理器处理的数据单位为一帧数据，处理的方式是，对比上次的数据帧，进行数据压缩，即若此刻机械手三维空间中某一点触觉传感器传回的值与前一刻的相同，则当前只填入前一次的数据指针位置。若传回的值与前一个不同，则记录传感器的三维空间坐标、触觉类型、具体取值，这样遍历处理机械手三维空间中的每一个触觉传感器，形成一帧数据，并在一帧数据接收结束后填入帧头和帧尾信息，用于指向上一帧数据的帧头和帧尾，数据流的形式发送给上位机，方便上位机进行下一步的处理，进行数据的打包、压缩存储。
综上，集成触觉传感器阵列的机械手，以实现对现实物体的触觉感知，并提供一种数据存储方案，以永久保持所接触物体的相关接触觉，压觉，滑觉等触觉的信息，方便后续的触觉再现和物体分析。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器（ROM，Read Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁盘或光盘等。
以上对本发明实施例所提供的一种基于触觉传感器的机械手进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种基于触觉传感器的机械手，其特征在于，包括：机械手，传感器阵列，传感器数据收集器与传感器数据处理单元。
2.如权利要求1所述的基于触觉传感器的机械手，其特征在于，所述机械手用于模拟人类手掌的形态，提供伸直，弯曲，抓取的基本功能，以实现对实际物体的接触，挤压，抓握的动作。
3.如权利要求2所述的基于触觉传感器的机械手，其特征在于，所述传感器阵列以机械手掌的中心为原点，建立一个三维的笛卡尔坐标系，从而对机械手的三维空间进行定标，并在机械手的表面集成触觉传感器，形成一个触觉传感器阵列，可以精确的对机械手的三维空间进行触觉感知。
4.如权利要求3所述的基于触觉传感器的机械手，其特征在于，所述传感器数据接收器用于接收传感器阵列接触物体所感知的传感器数据，其中包括，接触觉、压觉、滑觉信息，及其对应的空间坐标点位置。
5.如权利要求4所述的基于触觉传感器的机械手，其特征在于，所述传感器数据接收器采取每隔100ms的时间对传感器阵列采样一次的方式，将这些信息快速转换成二进制数据发送给传感器数据处理器。
6.如权利要求5所述的基于触觉传感器的机械手，其特征在于，所述传感器数据处理器用于处理从数据接收器传来的数据，将从接收器那里传来的数据称作帧数据。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20140108 |