CN105675181B - 一种基于柔性压阻材料的点阵式压力检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性压阻材料的点阵式压力检测系统及检测方法，包括柔性压力传感器阵列以及埋在柔性阵列中的柔性传感器单元，所述的柔性传感器单元与信号采集电路相连，所述的信号采集电路与A/D转换电路相连，所述的A/D转换电路将转换后的信号发送给上位机进行处理。本发明与现有技术对比，本发明能够应用于柔性点阵式触觉传感器的压力分布检测，利用每个传感器单元之间的相互数据，能够精确检测压力的大小以及位置，并且结构简单，精度高，同时计算量较少，响应速度快，易于传感器阵列的模块化，提高了单个传感器的效率。

Description

一种基于柔性压阻材料的点阵式压力检测系统及检测方法

技术领域

本发明公开了一种基于柔性压阻材料的点阵式压力检测系统及检测方法。

背景技术

随着人们对机器人研究的不断深入，机器人触觉已经成为了一个热门研究课题。触觉是一种与环境接触的基本感觉，尤其当环境不能完全确定和描述时，触觉信息尤为重要。现在，触觉的研究热点之一是实现柔性触觉传感器阵列对压力分布的检测。目前，柔性触觉传感器阵列实现压力分布检测主要有以下两种方法：

一种为低密度传感器阵列，单个传感器按几何规律排成简单阵列，或者按实际需求分布在所需位置。这种传感器阵列响应时间短，成本低，但是测量的范围有限，只能检测压力分布的大概位置，不能具体精确到某一点。因此这种传感器阵列实际使用精度较低。

一种为高密度集成传感器阵列，传感器单元之间的距离为毫米级甚至微米级。当物体加载在该传感器阵列上时，根据每个传感器单元的反馈能够得到类似于计算机图像数据的触觉数据，也可以称之为“触觉图像”。随后将物体加载后对应的触觉图像进行定义与特征提取并存储在数据库中，当传感器再次获取触觉图像时便进行匹配，从而能够分析出触碰物体所在位置。该方法较高的精度，但是计算量大，响应时间长，需要大量的实验与数据进行定义分类，并且阵列制造复杂，成本较高。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提出了一种能够避免上述缺点，计算量小，响应时间快，检测压力分布精度高，成本较低的基于柔性压阻材料的点阵式压力检测系统及检测方法，本发明采用具有压阻特性的柔性薄膜传感器作为柔性传感器单元，利用柔性材料封装多个传感器单元构成该压力检测系统的主体——柔性压力传感器阵列。通过多个传感器的输出电压值，采用三点定位算法，再根据封装材料的特性反演出传感器阵列区域上的压力大小及压力点位置。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于柔性压阻材料的点阵式压力检测系统，包括柔性压力传感器阵列，所述的柔性压力传感器阵列中的柔性传感器单元与信号采集电路相连，所述的信号采集电路与A/D转换电路相连，所述的A/D转换电路将转换后的信号发送给上位机进行处理。

进一步的，所述的柔性传感器单元由电源供电。

进一步的，所述柔性阵列运用聚二甲基硅氧烷(PDMS)对柔性传感器单元进行封装。与柔性传感器单元与导线以及外部皆具有良好的绝缘性，能够防止外界接触物对该阵列的电干扰。

进一步的，所述的柔性压力传感器阵列为一个方形结构，多个柔性传感器单元按照等边三角形阵列的方式封装在方形结构内，相邻的三个柔性传感器单元构成一个等边三角形。

进一步的，所述信号采集电路包含多个分路，每一个分路都通过导线与一个传感器单元相连；信号采集电路每一路结构相同，包括与导线相连的低通滤波电路，与滤波电路相连的运算放大电路，以及与运放电路相连的A/D转换电路。

本发明检测系统的检测方法如下：

步骤1.传感器阵列接通电源后，对阵列某一点施加压力；

步骤2.信号采集电路采集柔性传感器单元的输出电压后进行放大与滤波，消除接触阻抗影响；

步骤3.A/D转换电路对处理后的电压信号进行A/D转换变为数字信号；

步骤4.上位机采用三点定位算法对步骤3得到的数字信号进行处理，得到阵列所受压力的大小以及压力点位置。

三点定位算法步骤：

步骤1.对比每个柔性传感器单元的电压值，根据每个传感器单元电压值的大小，判断施加压力点是否落在了柔性传感器单元形成的三角形区域内，如果落在了三角形区域内，则进入步骤2，如果没有落在三角形区域内，则该次测量无效；

步骤2.将对应该三角形的三个柔性传感器单元的输出值带入下述方程中，

其中：K_A,K_B,K_O分别为三个传感器单元的传感系数(预先标定测得)，V_A，V_B，V_O为三个传感器单元的输出电压,S_A,S_B,S_O为三个传感器单元离接触点距离,L为等边三角形边长，x，y为施加压力点坐标。

通过上述的方程可以求得阵列所受压力的大小以及位置。

本发明的有益效果如下：

本发明与现有技术对比，本发明能够应用于柔性点阵式触觉传感器的压力分布检测，利用每个传感器单元之间的相互数据，能够精确检测压力的大小以及位置，并且结构简单，精度高，同时计算量较少，响应速度快，易于传感器阵列的模块化，提高了单个传感器的效率。

附图说明

图1本发明的传感器阵列结构简图；

图2传感器侧面剖示图；

图3阵列形成的三角形区域图；

图4定位算法分析图；

图5本发明的整体结构图；

图6信号采集电路其中一路的信号采集电路图；

图中：1传感器单元，2柔性压力传感器阵列，3三角形检测区域，4信号采集电路，5数据采集卡，6上位机，7电源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

本发明的柔性点阵式压力检测系统主要包括柔性压力传感器阵列2、柔性压力传感器阵列2包括柔性传感器单元1和封装柔性传感器单元1的柔性材料、连接电源与柔性传感器单元的多股铜芯导线、信号采集电路4、进行A/D转换的16位数据采集卡5以及上位机6的数据处理程序总共六个部分。

柔性阵列运用聚二甲基硅氧烷(PDMS)对柔性传感器单元进行封装。与柔性传感器单元与导线以及外部皆具有良好的绝缘性，能够防止外界接触物对该阵列的电干扰。该阵列尺寸为80mm*80mm*8mm，柔性传感器单元放置在边长20mm的等边三角形的顶点上，总共由6个柔性传感器单元构成4个等边三角形检测区域3。

信号采集电路4包含多个分路，每一个分路都通过导线与一个传感器单元1相连。信号采集电路4每一路结构相同，主要包括与导线相连的低通滤波电路，与滤波电路相连的运算放大电路，以及与运放电路相连的进行A/D转换的USB数据采集卡。

柔性压力传感器阵列2和信号采集电路4由电源供电。

采用本发明检测系统的检测方法如下：

1.传感器阵列接通电源后，当在阵列某一点施加压力时，由于柔性传感器单元(柔性薄膜传感器)的压阻效应，会导致柔性传感器单元输出电压发生改变。

2.柔性传感器单元的输出电压进入采集电路进行放大与滤波，消除接触阻抗影响，方便后续处理。

3.放大后的电压信号输入到16位高精度数据采集卡进行A/D转换变为数字信号。

4.最后编写上位机程序，根据数据采集卡输入的数字信号推导出每个柔性传感器单元所受压力大小，再利用三点定位算法，解方程后可以求得阵列所受压力的大小以及位置。

三点定位算法步骤：

1.对比每个柔性传感器单元的电压值，根据每个传感器单元电压值的大小，判断出施加压力点落在哪一个三角形区域或者阵列外部，当压力点落在外部时，则该次测量无效。

2.当压力点落在某一三角形内部时，将对应该三角形的三个柔性传感器单元的输出值带入方程中，解方程后可以求得阵列所受压力的大小以及位置。该方程由该传感器阵列结构推导，表明了该传感器阵列内某一点的应力值与施加压力点大小与位置的关系。

具体分析以及计算过程如下：该阵列由传感器单元，封装传感器单元的柔性材料构成，传感器单元按等边三角形分布。

首先需要对传感器阵列进行力学分析；图2为传感器阵列受力的截面示意图。假定柔性材料是均质和各向同性的，可以得出空间点(x，y，z)应力值表示为：

式中：r表示该点与受力点的距离；Fx表示压力在x轴方向的分量，h表示该点的深度。从上式中可以得出，传感器的输出与所受压力的竖直方向分力成正比，与传感器离受力点距离成反比，与传感器的深度的平方成反比。

当触碰点落在三角形区域内部时，便能获得三个顶点上传感器的输出电压值(V1,V2,V3)。假设F为接触力大小，S表示接触点与传感器单元的距离。那么触碰点位置就能通过触碰点离三个压力传感器单元的距离(S1、S2、S3)来表示。对于一个单独的压力传感器其输出电压值V与(F、S)有映射关系，但是一个V与无数个(F、S)对应。

假设在一次测量中已经得到了三个顶点的传感器输出电压值V1,V2,V3。假设受力大小为F，则得到唯一数组(S1，S2，S3)。取不同F值则得到不同的数组，数组(F，S1，S2，S3)共有无穷多组。如图3如果该点即为触碰点，则其一定为三个圆得公共交点。当F增大，圆半径(S1，S2，S3)均增大，可；F减小，圆半径(S1，S2，S3)均减小。但是只有一组(F，S1，S2，S3)能满足等边三角形内的几何关系。此时便能由三个压力传感器输出值(V1、V2、V3)，确定接触点位置及施加力的大小。

如图4所示，以三角形一个点为原点，一条边为X轴建立坐标系。为了方便接下来计算，将前文推导的传感器所受应力值公式简化为其中L为等边三角形边长，V为传感器输出电压值，K为传感器系数，F为接触力大小，S为传感器离接触点距离。假设接触点坐标为P(X,Y)，那么存在以下关系：

K_A,K_B,K_O分别为三个传感器单元的传感系数(预先标定测得)，V_A，V_B，V_O为三个传感器单元的输出电压,S_A,S_B,S_C为三个传感器单元离接触点距离,L为等边三角形边长，x，y为施加压力点坐标。

在进行过传感器标定实验后，能够得出每个传感器的系数K，通过解方程便能得出P点的坐标以及接触力F值。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种基于柔性压阻材料的点阵式压力检测系统的检测方法，其特征在于：系统包括柔性压力传感器阵列以及埋在柔性阵列中的柔性传感器单元，所述的柔性压力传感器阵列为一个方形结构，多个柔性传感器单元按照等边三角形阵列的方式放置在方形结构内，相邻的三个柔性传感器单元构成一个等边三角形；所述的柔性传感器单元与信号采集电路相连，所述的信号采集电路与A/D转换电路相连，所述的A/D转换电路将转换后的信号发送给上位机进行处理；方法包括以下步骤：

步骤1.传感器阵列接通电源后，对阵列某一点施加压力；

步骤2.信号采集电路采集柔性传感器单元的输出电压后进行放大与滤波，消除接触阻抗影响；

步骤3.A/D转换电路对处理后的电压信号进行A/D转换变为数字信号；

步骤4.上位机采用三点定位算法对步骤3得到的数字信号进行处理，得到阵列所受压力的大小以及位置，具体如下：

步骤4-1.对比每个柔性传感器单元的电压值，判断施加压力点是否落在了柔性传感器单元形成的三角形区域内，如果落在了三角形区域内，则进入步骤2，如果没有落在三角形区域内，则该次测量无效；

步骤4-2.将对应该三角形的三个柔性传感器单元的输出值带入下述方程中，

其中：其中：K_A,K_B,K_O分别为三个柔性传感器单元的传感系数，V_A，V_B，V_O为三个柔性传感器单元的输出电压,S_A,S_B,S_C为三个柔性传感器单元离接触点距离,L为等边三角形边长，x，y为施加压力点坐标；求解方程后求得阵列所受压力的大小以及位置。

2.如权利要求1所述的基于柔性压阻材料的点阵式压力检测系统的检测方法，其特征在于：所述柔性压力传感器阵列采用聚二甲基硅氧烷对柔性传感器单元进行封装。

3.如权利要求1所述的基于柔性压阻材料的点阵式压力检测系统的检测方法，其特征在于：所述信号采集电路包含多个分路，每一个分路都通过导线与一个柔性传感器单元相连；信号采集电路每一路结构相同，包括与导线相连的低通滤波电路，与低通滤波电路相连的运算放大电路，以及与运算放大电路相连的A/D转换电路。

4.如权利要求1所述的基于柔性压阻材料的点阵式压力检测系统的检测方法，其特征在于：所述的柔性传感器单元采用柔性薄膜传感器。

5.如权利要求1所述的基于柔性压阻材料的点阵式压力检测系统的检测方法，其特征在于，所述的三个柔性传感器单元的传感系数K_A,K_B,K_O通过预先标定测得。