CN105651442B - 一种识别三维方向的触觉传感系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种识别三维方向的触觉传感系统及其设计方法，该方法包括以下步骤：S1、建立三维模型，并用3D打印机打印出该三维模型；S2、在三维模型的表面设置多片压力传感器，内部设置有微处理器，并将各个压力传感器与微处理器的对应引脚相连，进行数据采集；S3、微处理器与外部处理端通过无线方式进行触觉传感数据的传输；S4、外部处理端接收到触觉传感数据后，对其进行编程处理。本发明够准确的采集三维方向上的触觉压力信息，采集精度高、响应速度快，且能够重复采集，不受外界音频及谐波的影响。

Description

一种识别三维方向的触觉传感系统及其设计方法

技术领域

本发明涉及机器人触觉传感领域，尤其涉及一种识别三维方向的触觉传感系统及其设计方法。

背景技术

近年来，随着科学技术的发展和工业化自动水平的提高，智能化产品(如智能机器人)已经成为目前国内外学术前沿和研究重点。而触觉传感技术在智能机器人感知能力中起着不可替代的作用，是对视觉传感技术的重要补充。触觉传感器可以判断机器人是否接触到外界物体或者测量被接触物体的物理特征，因此，触觉传感技术更接近智能化的精髓，它相当于一条纽带连接着感觉与行动，是智能化操作中必不可少的一部分。因此触觉感知可以提高人机交互水平从而实现复杂环境下机器人的自主操作。

目前触觉传感技术大多用于物体形状的识别，这远远落后于人的触觉感知系统。由于一般的人机交互涉及到多维动力学，而触觉阵列系统仅具有单向压力感知能力，这意味它很容易识别二维方向，难以识别三维方向。但三维方向识别对人机交互非常重要，它能够把人的意图转化成可被智能识别的信息。在本发明中，将使用单点式触觉传感器，贴在球体模型表面，用来研究三维方向的识别。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中触觉阵列系统仅具有单向压力感知能力，难以识别三维方向压力的缺陷，提供一种能够准确的、迅速的识别三维方向的触觉传感系统及其设计方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种识别三维方向的触觉传感系统的设计方法，包括以下步骤：

S1、建立三维模型，并用3D打印机打印出该三维模型；

S2、在三维模型的表面设置多片压力传感器，内部设置有微处理器，并将各个压力传感器与微处理器的对应引脚相连，进行数据采集；

S3、微处理器与外部处理端通过无线方式进行触觉传感数据的传输；

S4、外部处理端接收到触觉传感数据后，对其进行编程处理。

进一步地，本发明的步骤S1中建立三维模型的具体方法包括：

S11、选取一个基准面，画出二维草图，包括一个半圆、一条曲线和一个正方形，然后用旋转凸台命令，以轴线为中心旋转，得到三维立体图；

S12、使用抽壳命令，将球体内部挖空；

S13、使用拉伸切除命令，根据压力传感器的数量，将球体切出多个用于安装传感器的孔，并在球体的圆柱形底座上设置多个用于安装固定螺丝的螺丝孔。

进一步地，本发明的步骤S1中建立三维模型的具体方法还包括：

S14、选取一个基准面，画出一个正方形的二维草图，然后用旋转凸台命令，以轴线为中心旋转，得到三维立体图，即长方体底座；

S14、选取一个基准面，画出一个正方形的二维草图，然后使用拉伸凸台命令，将正方形拉伸一定的高度，得到三维立体图，即长方体底座；

S15、在长方体底座的中间设置多个用于安装螺丝的螺丝孔。

进一步地，本发明的步骤S4中电脑对数据进行处理的方法具体为：

打开MATLAB运行界面，设置好通信串口和波特率以及采集数据的组数，点击“start”按钮开始采集数据，同时对传感器某一正方向施力几秒钟后，数据采集完毕，并且自动存到MATLAB中；然后点击“resultant_force”按钮可以在运行界面上看到传感器的受力情况；点击“RBF_train”按钮可以看到处理数据后的残差；点击“Recognition”按钮，可以看到东、西、南、北、下几个方向上受力的组数，从而验证三维方向受力的准确度。

本发明提供一种识别三维方向的触觉传感系统，包括内空球体，所述内空球体根据权利要求1-4所述的设计方法得到，所述内空球体上设置有多个孔，每个孔上安装有一个压力传感器，所述内空球体的内部设置有微处理器，所述微处理器通过引线与所述压力传感器相连；

所述微处理器还连接有无线通信模块，所述无线通信模块将所述压力传感器采集到的触觉传感数据发送给外部处理端，并通过所述外部处理端上的操作界面对接收到的压力数据进行处理。

进一步地，本发明的所述内空球体的厚度为8mm。

进一步地，本发明的所述内空球体底部还设置有支撑底座。

进一步地，本发明的所述压力传感器有20片以上。

进一步地，本发明的所述压力传感器使用FSR传感器。

进一步地，本发明的所述无线通信模块使用蓝牙通信的方式。

本发明产生的有益效果是：本发明的识别三维方向的触觉传感系统，通过建立三维模型，并用3D打印机打印出该三维模型，然后在其表面设置多个压力传感器，进而通过蓝牙将压力传感器采集到的数据传送给电脑接收端进行处理；该系统能够准确的采集三维方向上的触觉压力信息，采集精度高、响应速度快，且能够重复采集，不受外界音频及谐波的影响。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的识别三维方向的触觉传感系统的设计方法的方法流程图；

图2是本发明实施例的识别三维方向的触觉传感系统的结构示意图；

图3是本发明实施例的识别三维方向的触觉传感系统的原理框图；

图4是本发明实施例的识别三维方向的触觉传感系统的串口通信模块原理图；

图5是本发明实施例的识别三维方向的触觉传感系统的串行通信数据格式图；

图6是本发明实施例的识别三维方向的触觉传感系统的微处理器的FSR材料的压力与电导、电阻的关系曲线图；

图7是本发明实施例的识别三维方向的触觉传感系统的数据采集和处理的界面；

图中，1-内空球体，2-压力传感器，3-微处理器，4-无线通信模块，5-外部处理端。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的识别三维方向的触觉传感系统的设计方法，包括以下步骤：

S1、建立三维模型，并用3D打印机打印出该三维模型；

S11、选取一个基准面，画出二维草图，包括一个半圆、一条曲线和一个正方形，然后用旋转凸台命令，以轴线为中心旋转，得到三维立体图；

S12、使用抽壳命令，将球体内部挖空；

S13、使用拉伸切除命令，根据压力传感器的数量，将球体切出多个用于安装传感器的孔，并在球体的圆柱形底座上设置多个用于安装固定螺丝的螺丝孔。

S14、选取一个基准面，画出一个正方形的二维草图，然后使用拉伸凸台命令，将正方形拉伸一定的高度，得到三维立体图，即长方体底座；

S15、在长方体底座的中间设置多个用于安装螺丝的螺丝孔。

S2、在三维模型的表面设置多片压力传感器，内部设置有微处理器，并将各个压力传感器与微处理器的对应引脚相连，进行数据采集；

S3、微处理器与外部处理端通过无线方式进行触觉传感数据的传输；

S4、外部处理端接收到触觉传感数据后，对其进行编程处理。

在本发明的另一个实施例中，具体步骤为：

(1)用Solidworks软件建模，并用3D打印机打印出三维模型；

1、球体建模：

第一步：选取一基准面，画出二维草图：一半圆、一曲线和一个正方形，然后用旋转凸台命令，以轴线为中心旋转，得到三维立体图；

第二步：使用抽壳命令，将球体内部挖空，使得球体的厚度为8mm；

第三步：使用拉伸切除命令将球体切除20个孔(用于插入传感器)，并且按照一定尺寸在圆柱形底座上挖3个螺丝孔，用于安装螺丝，将其固定在底板上。

2、底座建模：

第一步：选取一基准面，画出二维草图：边长为18cm的正方形。然后使用拉伸凸台命令，将正方形拉伸1cm，得到三维立体图，即180x180x10mm的长方体；

第二步：在长方体180x180面的中间挖3个螺丝孔，用于安装螺丝，将其固定在球体上。

(2)将20片FSR传感器贴在三维模型表面；

(3)将传感器引线与MK60N512VLQ100(K60)微处理器的对应引脚相连，实现数据的采集；

(4)将蓝牙模块的发送端与K60芯片对应的的蓝牙相连，接收端与电脑相连，实现数据的传输；

(5)电脑接收数据后，用MATLAB编程对数据进行处理。

使用IAR软件编程对K60芯片进行读写控制，用MATLAB软件编写控制界面。具体实现数据的处理步骤为：给系统供电后，打开MATLAB运行界面，设置好通信串口和波特率以及采集数据的组数，点击”start”按钮，这时候K60芯片就开始采集数据，同时我们也将对传感器某一正方向施力，几秒钟后，数据采集完毕，并且自动存到MATLAB中；然后我们点击“resultant_force”按钮可以在运行界面上看到传感器的受力情况；点击“RBF_train”按钮可以看到处理数据后的残差等；点击“Recognition”按钮，可以看到东、西、南、北、下几个方向上受力的组数，从而可以验证三维方向受力的准确度。

如图2所示，本发明实施例的识别三维方向的触觉传感系统，包括内空球体1，内空球体1根据本发明的设计方法得到，内空球体1上设置有多个孔，每个孔上安装有一个压力传感器2，内空球体1的内部设置有微处理器3，微处理器3通过引线与压力传感器2相连；

如图3所示，微处理器3还连接有无线通信模块4，无线通信模块4将压力传感器2采集到的触觉传感数据发送给外部处理端5，并通过外部处理端5上的操作界面对接收到的压力数据进行处理。

FSR压力传感器：

FSR是一种聚合体薄膜力敏电阻材料，这种材料制作的传感器具有以下优点：

(1)FSR材料价格低廉，薄层厚度为0.0508mm，重量轻，可以适应广范围的应用要求。

(2)对表面的正压力十分敏感，其电阻值随着作用于表面的压力增大而减小。FSR材料的电阻、电导与所受压力的关系如图6所示，FSR材料的压力与电导成正比，可知“压力—电阻”在一定作用范围内成反比。

(3)与其他半导体材料相比，FSR材料在工作温度(-30℃～70℃)下，无温度漂移现象。

(4)分辨率高、响应速度快。

(5)重复采集精度高，以满足一次训练后长期使用。

(6)该传感器针对触觉信号特点进行优化，特别适合触觉信号采集。

(7)能连续检测出施加在表面上的力，且不受音频及谐波的影响。

这样设计的优点为：1、通过在球体上贴有多个单点式FSR传感器，球体模型能够识别三维方向的感知力，克服了触觉阵列只能感知单向压力的缺陷；2、球体上的FSR传感器为四个一组，紧密排列在球体的前、后、左、右、上五个正方向，对模型施力时，能够最大限度的提高传感器的受力面积，使测量更加准确。

K60芯片：

K60是Kinetis系列微处理器中的高端系列，具体芯片型号超百种，在引脚、外设和软件上可兼容,且自带数/模(A/D)转换功能。每个系列提供了不同的性能、存储器配置和外设特性，通过通用外设、存储器映射和封装的一致性来实现系列内和各系列之间的良好移植性。

本发明采用的MK60N512VLQ100芯片，其CPU频率：100MHZ；引脚数：144；封装：LQFP；FLASH：512KB；程序空间：512KB；SRAM：128KB；

电源电路：电路中需要大量的电源类引脚用来提供足够的电流容量，为了给芯片提供稳定的电压和电流，所有的电源引脚必须外接滤波电容以抑制高频噪音。

复位电路：正常工作时复位输入引脚RESET为高电平，若复位按钮被按下，则RESET引脚接地，为低电平，导致芯片复位。

晶振电路：用于将晶振输入时钟倍频至系统所需时钟。晶振应该尽量靠近芯片，且远离高频信号。晶振一旦不能正常工作，芯片将无法工作。晶振实际上负责给芯片提供心跳。

JTAG：Kinetis芯片内部集成了JTAG(Joint Test Action Group)接口，通过JTAG接口可以实现程序下载和调试功能。

A/D转换模块：

ADC模块的功能是将模拟量转换成数字量，它的最高转换精度是16位。有两种测量方式，分别为单端测量和差分测量，单端模式下支持24路输入，差分模式下支持4对差分输入。选择24路中的20路接入传感器模拟信号，另外ADC模块还需接入模拟电源、模拟地和参考电压。在使用模数转换时需要考虑一些问题：

1、采样精度

采样精度是指数字量加1时模拟电压的最小变化量，通常采样位数决定采样精度。若采样位数为N，则能检测到的最小模拟量变化值为。例如，AD的采样精度为16位，参考电压为3.3V，则检测到的模拟量最小变化为0.05mV。

2、采样速率

采样速率是指完成一次A/D采样转换所需要的最小时间，此物理量与所选器件的工作频率密切相关。本发明中K60的波特率为115200，则发送一帧数据的最短时间为：

t_mix＝1/(115200/8/46)＝3.2ms

可应用于程序设计中，设置大于3.2ms的任意转换时间。为了充分实施力的变化，本发明中设置转换时间为100ms。

3、滤波

在实际测量中，测量的结果并不是理想的，会出现数据波动，需要去掉测量偏差大的数据而引入了滤波处理，滤波处理的方法有许多，主要是一种数学算法，常用的有均值滤波和中值滤波法，本发明采用中值滤波法。

4、物理量回归

此步骤将采集的数据进行实体化，赋予它一定的物理意义，例如温度、湿度、浓度、大气压等等。

此外，MK60N512VLQ100单片机的软件设计需要实现对程序的初始化、接收与发送串口信号、三维力数据的采集等功能。为了保证上位机采集数据的稳定性和可靠性，防止出现不必要的丢包事件，在通信开始需要建立可靠联系。

如图7所示，是数据采集和处理的操作界面。在程序初始化以后，等待fwrite命令发送的握手信号0xAA。当单片机第一次接收到的信号为0xAA时，则握手成功，并开始运行读取数据和AD转换子程序。在实验过程中发现存在发送的第一组数据第一个字节丢失的现象。为了增强数据的可靠性，下位机发送每一帧数据包含三个起始位6D、25、7F(可任意设定)，上位机接受每帧数据时，若含有相应字节，则删除相应字节，分离出有效的数据，否则，删除这帧数据，继续读取。只有当下位机接收到fwrite命令发送的关闭信号0xBB时，才停止采集和转换。

蓝牙通信模块：

如图4所示，是MCU和PC间的串口通信电路，蓝牙模块分为主机和从机，主机有一个USB转串口，可以和电脑连接，从机通过单片机TXD、RXD和单片连接。蓝牙串口模块采用CSR主流蓝牙芯片，蓝牙V2.0协议标准，工作电压为3.3V。波特率为1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600，115200，用户可选择设置。蓝牙串口主从机配对成功后，可以实现单片机与PC机的无线传输。

MCU和PC间的通信方式为异步串行通信，异步串行通信采用NRZ(standard non-return-zero mark/space data format)数据格式，即标准不归零传号/空号数据格式。正负电平分别代表二进制0或1，不采用零电平。如图5所示，给出了8位数据、无校验情况的传送格式。

通信空闲状态为“1”，通过拉低电平表示发送数据位开始，数据位一般为8或9位(第9位为校验位)，通过发送1到2位的停止位表示一个字节发送完毕。由于每发送一个字节都要发送“开始位”、“停止位”，因此串行通信的通信速率较慢，但适合长距离传输。

通过改变波特率的大小可以改变通信速率，通信速率一般600、900、1200、1800、2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200等，波特率越大，通信速率越大，传输状态越不稳定，容易丢包，另外串行速率的选择还应考虑下位机的采集速率。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种识别三维方向的触觉传感系统的设计方法，其特征在于，该方法用于设计识别三维方向的触觉传感系统，该系统包括内空球体(1)，所述内空球体(1)上设置有多个孔，每个孔上安装有一个压力传感器(2)，所述内空球体(1)的内部设置有微处理器(3)，所述微处理器(3)通过引线与所述压力传感器(2)相连；

所述微处理器(3)还连接有无线通信模块(4)，所述无线通信模块(4)将所述压力传感器(2)采集到的触觉传感数据发送给外部处理端(5)，并通过所述外部处理端(5)上的操作界面对接收到的压力数据进行处理；所述压力传感器(2)采用FSR压力传感器；

所述内空球体(1)的厚度为8mm；所述内空球体(1)底部还设置有支撑底座；所述压力传感器(2)有20片以上；

所述压力传感器(2)使用FSR传感器；

所述无线通信模块(4)使用蓝牙通信的方式；

该方法包括以下步骤：

S1、建立三维模型，并用3D打印机打印出该三维模型；

建立三维模型的具体方法包括：

S11、选取一个基准面，画出二维草图，包括一个半圆、一条曲线和一个正方形，然后用旋转凸台命令，以轴线为中心旋转，得到三维立体图；

S12、使用抽壳命令，将球体内部挖空；

S13、使用拉伸切除命令，根据压力传感器的数量，将球体切出多个用于安装传感器的孔，并在球体的圆柱形底座上设置多个用于安装固定螺丝的螺丝孔；

S14、选取一个基准面，画出一个正方形的二维草图，然后使用拉伸凸台命令，将正方形拉伸一定的高度，得到三维立体图，即长方体底座；

S15、在长方体底座的中间设置多个用于安装螺丝的螺丝孔；

S2、在三维模型的表面设置多片压力传感器，内部设置有微处理器，并将各个压力传感器与微处理器的对应引脚相连，进行数据采集；

S3、微处理器与外部处理端通过无线方式进行触觉传感数据的传输；

S4、外部处理端接收到触觉传感数据后，对其进行编程处理；

步骤S4中电脑对数据进行处理的方法具体为：

打开MATLAB运行界面，设置好通信串口和波特率以及采集数据的组数，点击“start”按钮开始采集数据，同时对传感器某一正方向施力几秒钟后，数据采集完毕，并且自动存到MATLAB中；然后点击“resultant_force”按钮可以在运行界面上看到传感器的受力情况；点击“RBF_train”按钮可以看到处理数据后的残差；点击“Recognition”按钮，可以看到东、西、南、北、下几个方向上受力的组数，从而验证三维方向受力的准确度。