CN108731853A - 基于柔性材料的压力分布测量分析系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于柔性材料的压力分布测量分析系统，包括柔性压敏传感阵列，行多路选择电路，用于将参考电压接入选定行的每个柔性压敏传感单元的驱动端；电压镜扫描电路，将选定行的柔性压敏传感单元的驱动端连接高电平，其余行连接低电平；信号放大调理电路，对选定行的柔性压敏传感单元的测量信号放大输出送至信号采集处理模块；信号采集处理模块，接收信号放大调理电路的输出信号转换为压力测量结果发送至显示模块显示压力测量结果。本发明还公开了一种基于柔性材料的压力分布测量分析方法。本发明系统及方法可应用在多种需要测量压力的场合，有效解决了传感器传感单元之间的耦合问题，对测得的数据直观显示，便于控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力分布测量分析系统及方法，特别是涉及一种基于柔性材料的压力分布测量分析系统及方法，属于传感技术领域。
背景技术
随着人工智能的兴起，机器人和外界的信息交互已越发成为智能机器人研究领域的研究重点，目前，机器人视觉和听觉方面的研究已取得重大成果并能在科技社会中已大量的应用。然而，由于触觉的不确定性和复杂性，人们对触觉信息测量的研究目前仅处于实验室研究阶段。
作为机器人触觉中一个重要分支，机器人足底压力分布不仅能够为机器人在运动过程中提供外界接触面的反馈信息进而对其自主运动提供控制，还能反应生物个体——人的身体状况，人体足部的病变在很大程度上是由人体疾病(如皮肤溃疡，糖尿病，神经损伤等引起)，这些都会引起人体双足压力分布的变化。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于柔性材料的压力分布测量分析系统，解决接触压力的测量及传感阵列单元间的耦合问题，得到更有效的测量数据。本发明还提供了一种基于柔性材料的压力分布测量分析方法，以获取压力分布图，以便获取相关关键点的实时数据进行跟踪和处理，对控制对象进行反馈控制。
本发明技术方案如下：一种基于柔性材料的压力分布测量分析系统，包括：
柔性压敏传感阵列，由m行n列的柔性压敏传感单元构成；
行多路选择电路，依次选择第i行的柔性压敏传感单元，i＝1,2,…,m，将参考电压接入该行的每个柔性压敏传感单元的驱动端；
电压镜扫描电路，将所述行多路选择电路选择的第i行的柔性压敏传感单元的驱动端连接高电平，其余行的柔性压敏传感单元的驱动端连接低电平；
信号放大调理电路，n列的柔性压敏传感单元的信号端接入信号放大调理电路的n个输入端，同一列的柔性压敏传感单元的信号端与的柔性压敏传感单元的信号端的同一个输入端连接，信号放大调理电路的n个输出端与信号采集处理模块连接；
信号采集处理模块，控制所述行多路选择电路和电压镜扫描电路第i行的柔性压敏传感单元，接收信号放大调理电路的输出信号转换为压力测量结果发送至显示模块；
显示模块，显示压力测量结果。
进一步的，所述柔性压敏传感阵列包括压敏单元以及依次设置的上柔性电路板、中间固定层和下柔性电路板，所述上柔性电路板设有m行n列的驱动端电极，所述下柔性电路板设有m行n列的信号端电极，所述中间固定层设有m行n列的固定通孔，所述压敏单元设置于所述固定通孔内，所述上柔性电路板和下柔性电路板贴合于所述中间固定层的上表面和下表面，所述驱动端电极、压敏单元以及信号端电极的位置一一对应。
优选的，所述压敏单元为导电橡胶片。
进一步的，所述行多路选择电路包括多路模拟选择开关，所述多路模拟选择开关的第i个输出端与第i行的所有柔性压敏传感单元的驱动端连接，所述多路模拟选择开关的输入端与信号采集处理模块连接。
进一步的，所述电压镜扫描电路包括译码器和三态门反向模拟缓冲器，所述译码器的输入端与信号采集处理模块连接，译码器的输出端与三态门反向模拟缓冲器的输入端连接，三态门反向模拟缓冲器的第i个输出端与第i行的所有柔性压敏传感单元的驱动端连接。
进一步的，所述信号放大调理电路包括n个运算放大器，所述同一列的柔性压敏传感单元的信号端与同一运算放大器的反相输入端连接，所有运算放大器的同相输入端接地，所述运算放大器的输出端为信号放大调理电路的输出端。
进一步的，所述信号采集处理模块包括：
采集模块，定时接收第i行的所有柔性压敏传感单元的数据并打包成数据帧；
数据队列存储模块，接收采集模块发送的数据帧并转换为压力值以队列方式存储；
数据提取转换模块，从数据队列存储模块的队列提取压力值并转换为用于显示的压力测量结果发送给显示模块。
一种基于柔性材料的压力分布测量分析方法，包括步骤：
由行多路选择电路逐行将m行n列的柔性压敏传感阵列的第i行柔性压敏传感单元接入参考电压，由电压镜扫描电路对第i行柔性压敏传感单元接入高电平，并对其余各行柔性压敏传感单元接入低电平；第i行柔性压敏传感单元中每列柔性压敏传感单元产生的信号送入信号采集处理模块转换为压力值并打包成数据帧压入队列，然后接收第i+1行柔性压敏传感单元产生的信号；从队列提取压力值并转换为用于显示的压力测量结果发送给显示模块。
进一步的，所述从队列提取压力值并转换为用于显示的压力测量时，根据所述压力值进行双线性内插值运算并匹配色码表发送给显示模块显示压力分布云图。
本发明技术方案在采集过程中由行多路选择电路逐行将m行n列的柔性压敏传感阵列的第i行柔性压敏传感单元接入参考电压，同时由电压镜扫描电路对第i行柔性压敏传感单元接入高电平，并对其余各行柔性压敏传感单元接入低电平，减少了行多路选择电路所产生的导通模拟电阻的影响，以及解决各传感单元之间的耦合影响，增大电路的驱动能力；通过将每行的柔性压敏传感单元产生的信号打包成数据帧压入队列，然后从队列提取数据的方式使数据采样和传输的速率得到相应的匹配。
本发明所提供的技术方案的优点在于：采用柔性压敏传感阵列可应用在多种需要测量压力的场合，尤其是以导电橡胶作为压敏单元的材料具有良好的压阻特性，特别适用于固体方面的接触力测量，成本低；电压镜电路有效的减小了阵列传感器传感单元之间的耦合，测量数据更为真实有效；以压力分布云图显示测量数据可以直观的展现接触面间的压力分布情况，对诊断或其它下一步骤提供直观的数据依据；同时便于获得某个特定点的力分析，便于对外界环境做出判断，进而实现做出反馈控制。
附图说明
图1为基于柔性材料的压力分布测量分析系统结构示意图。
图2为柔性压敏传感阵列结构示意图。
图3为柔性压敏传感阵列剖视结构示意图。
图4为实施例的基于柔性材料的压力分布测量分析系统电路示意图。
图5为基于柔性材料的压力分布测量分析系统的采样过程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
如图1所示，本实施例所涉及的基于柔性材料的压力分布测量分析系统，包括：
柔性压敏传感阵列1，由m行n列的柔性压敏传感单元构成，阵列的排列可居于测量需求设计，比如测量足底压力分布时，柔性压敏传感阵列1则排列成鞋垫状。柔性压敏传感阵列1的具体结构，请结合图2及图3所示，包括压敏单元11以及依次设置的上柔性电路板12、中间固定层13和下柔性电路板14。压敏单元11采用导电橡胶制成直径8mm，厚度为1mm的圆柱颗粒，具体尺寸可根据测量场景需要确定。压敏单元11材料也可采用聚酰亚胺薄膜(PIFilm)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚乙烯细丝网(PEN)，石墨纸(Graphene-Paper)，压电薄膜(PVDF)以及柔性导电纺织物(Smart Textile Covers)等，也有利用MEMS技术硅加工技术和光刻技术，半导体技术制作成的压敏传感器，如有机晶体管(organictransistor active matrixes)等。而本实施例采用的导电橡胶成本低，压阻特性好，线性度好，制备条件要求低，故作为优选材料。上柔性电路板12设有m行n列的驱动端电极15，下柔性电路板14设有m行n列的信号端电极16，中间固定层13采用3D打印制备成具有m行n列的固定通孔17的绝缘夹层，压敏单元11设置于固定通孔17内。上柔性电路板12和下柔性电路板14用绝缘胶水贴合于中间固定层13的上表面和下表面，使得驱动端电极15、压敏单元11以及信号端电极16的位置一一对应。
请结合图4所示，行多路选择电路2采用的是CD4067双向16-1多路模拟选择开关，柔性压敏传感阵列1的第一行所有列的柔性压敏传感单元的驱动端与多路模拟选择开关的第一个输出端连接，柔性压敏传感阵列的第i行所有列的柔性压敏传感单元的驱动端与多路模拟选择开关的第i个输出端连接，依次类推直至柔性压敏传感阵列1的第m行所有列的柔性压敏传感单元的驱动端与多路模拟选择开关的第m个输出端连接。多路模拟选择开关的公共端连接参考电压+5v，多路模拟选择开关的输入端与主控芯片STM32F4的GPIO口连接，由主控芯片的定时器产生定时中断产生信号控制多路模拟选择开关选择第i个输出端与公共端导通，即使得参考电压接入柔性压敏传感阵列1的第i行所有列的柔性压敏传感单元的驱动端。
电压镜扫描电路3由74HC154 4-16译码器和74HC240D三态门反向模拟缓冲器组成，译码器的输出端与三态门反向模拟缓冲器的输入端连接。与多路模拟选择开关类似的，柔性压敏传感阵列1的第一行所有列的柔性压敏传感单元的驱动端与三态门反向模拟缓冲器的第一个输出端连接，柔性压敏传感阵列1的第i行所有列的柔性压敏传感单元的驱动端与三态门反向模拟缓冲器的第i个输出端连接，依次类推直至柔性压敏传感阵列1的第m行所有列的柔性压敏传感单元的驱动端与三态门反向模拟缓冲器的第m个输出端连接。译码器的输入端也与主控芯片STM32F4的GPIO口连接，由主控芯片的定时器产生定时中断产生信号控制译码器在对应的输出端输出低电平，其余输出端为高电平。经过三态门反向模拟缓冲器的反相输出使得第i个输出端输出高电平，其余为低电平。进而使柔性压敏传感阵列1的第i行所有列的柔性压敏传感单元的驱动端置高电平，而请他行置低电平，在一定程度上阻碍了各行之间的串扰引起的耦合问题。
信号放大调理电路4包括n个LM324运算放大器，同一列的柔性压敏传感单元的信号端与同一运算放大器的反相输入端连接，所有运算放大器的同相输入端接地，运算放大器的输出端为信号放大调理电路的输出端，接入主控芯片STM32F4的模拟量输入端。信号采集处理模块5包括主控芯片STM32F4，其连接ESP8266WIFI模块实现与服务器端的连接。在主控芯片STM32F4设置采集模块51，定时接收第i行的所有柔性压敏传感单元的数据并打包成数据帧，通过ESP8266WIFI模块发送至服务器端。在服务器端设置数据队列存储模块52，接收采集模块51发送的数据帧并转换为压力值以队列方式存储；数据提取转换模块53，从数据队列存储模块53的队列提取压力值并转换为用于显示的压力测量结果发送给显示模块6，最终由显示模块6显示压力测量结果。
请结合图5所示，一个具体的采样及显示过程是这样的：主控芯片STM32F4的定时器产生定时中断通过GPIO口输出一个控制信号给多路模拟选择开关CD4067，控制其第i个输出端与公共端接通，使得柔性压敏传感阵列1的第i行接入参考电压，同时主控芯片STM32F4也给4-16译码器74HC154同样的控制信号，选通对应的通道置于低电平，进而经过三态门反向缓冲器74HC240D使得对应的柔性压敏传感阵列1的第i行接入高电平增强驱动能力，而其他行接电平，电位被钳住且稳定，这样就在一定程度上阻碍了各行之间的串扰引起的耦合问题。柔性压敏传感阵列1的第i行接入参考电压后其行上各列输出接入各个对应的集成运算放大器LM324反相输入端，而运算放大器LM324的反相输入端接地，构成虚地。运算放大器LM324的输出接入主控芯片STM32F4从而获得柔性压敏传感阵列中一行的检测信号。主控芯片STM32F4联合ESP8266WIFI模块及服务器端对检测信号的处理及采样控制如图5所示，服务器端开启WIFI建立局域网热点，主控芯片STM32F4及其他硬件初始化后配置ESP8266WIFI模块连接局域网热点，连接成功后，服务器端等待数据帧的传送，主控芯片STM32F4进行定时器定时，定时时间到后重启定时器并判断采样标记是否为1，采样标记不为1时等待下一定时时间到后；采样标记为0时进行前述采样过程，获得的检测数据通过WIFI发送给服务器端，发送完成收到服务器应答后采样标记置0进入定时器定时等待下一次采样。服务器端数据队列存储模块52收到主控芯片STM32F4发送的数据帧进行计算转换为压力值以队列方式存储，数据提取转换模块53从队列中提取数据更新数据接收数组，对数组(矩阵)中的数据进行双线性内插值等图像处理运算并匹配色码表实时刷新压力分布云图并由显示模块6显示。压力分布云图可以直观地展现接触面的压力分布，同时也建立了图像和实际接触面坐标之间的映射关系，如果想获取接触面某个特定点的压力信息，可以在输入该点的坐标得到压力值对其进行跟踪和分析，进而做出控制决策。
Claims (9)
1.一种基于柔性材料的压力分布测量分析系统，其特征在于，包括：
柔性压敏传感阵列，由m行n列的柔性压敏传感单元构成；
行多路选择电路，依次选择第i行的柔性压敏传感单元，i＝1,2,…,m，将参考电压接入该行的每个柔性压敏传感单元的驱动端；
电压镜扫描电路，将所述行多路选择电路选择的第i行的柔性压敏传感单元的驱动端连接高电平，其余行的柔性压敏传感单元的驱动端连接低电平；
信号放大调理电路，n列的柔性压敏传感单元的信号端接入信号放大调理电路的n个输入端，同一列的柔性压敏传感单元的信号端与的柔性压敏传感单元的信号端的同一个输入端连接，信号放大调理电路的n个输出端与信号采集处理模块连接；
信号采集处理模块，控制所述行多路选择电路和电压镜扫描电路第i行的柔性压敏传感单元接收信号放大调理电路的输出信号转换为压力测量结果发送至显示模块；
显示模块，显示压力测量结果。
2.根据权利要求1所述的基于柔性材料的压力分布测量分析系统，其特征在于，所述柔性压敏传感阵列包括压敏单元以及依次设置的上柔性电路板、中间固定层和下柔性电路板，所述上柔性电路板设有m行n列的驱动端电极，所述下柔性电路板设有m行n列的信号端电极，所述中间固定层设有m行n列的固定通孔，所述压敏单元设置于所述固定通孔内，所述上柔性电路板和下柔性电路板贴合于所述中间固定层的上表面和下表面，所述驱动端电极、压敏单元以及信号端电极的位置一一对应。
3.根据权利要求1所述的基于柔性材料的压力分布测量分析系统，其特征在于，所述压敏单元为导电橡胶片。
4.根据权利要求1所述的基于柔性材料的压力分布测量分析系统，其特征在于，所述行多路选择电路包括多路模拟选择开关，所述多路模拟选择开关的第i个输出端与第i行的所有柔性压敏传感单元的驱动端连接，所述多路模拟选择开关的输入端与信号采集处理模块连接。
5.根据权利要求1所述的基于柔性材料的压力分布测量分析系统，其特征在于，所述电压镜扫描电路包括译码器和三态门反向模拟缓冲器，所述译码器的输入端与信号采集处理模块连接，译码器的输出端与三态门反向模拟缓冲器的输入端连接，三态门反向模拟缓冲器的第i个输出端与第i行的所有柔性压敏传感单元的驱动端连接。
6.根据权利要求1所述的基于柔性材料的压力分布测量分析系统，其特征在于，所述信号放大调理电路包括n个运算放大器，所述同一列的柔性压敏传感单元的信号端与同一运算放大器的反相输入端连接，所有运算放大器的同相输入端接地，所述运算放大器的输出端为信号放大调理电路的输出端。
7.根据权利要求1所述的基于柔性材料的压力分布测量分析系统，其特征在于，所述信号采集处理模块包括：
采集模块，定时接收第i行的所有柔性压敏传感单元的数据并打包成数据帧；
数据队列存储模块，接收采集模块发送的数据帧并转换为压力值以队列方式存储；
数据提取转换模块，从数据队列存储模块的队列提取压力值并转换为用于显示的压力测量结果发送给显示模块。
8.基于柔性材料的压力分布测量分析方法，其特征在于，包括步骤：由行多路选择电路逐行将m行n列的柔性压敏传感阵列的第i行柔性压敏传感单元接入参考电压，由电压镜扫描电路对第i行柔性压敏传感单元接入高电平，并对其余各行柔性压敏传感单元接入低电平；第i行柔性压敏传感单元中每列柔性压敏传感单元产生的信号送入信号采集处理模块转换为压力值并打包成数据帧压入队列，然后接收第i+1行柔性压敏传感单元产生的信号；从队列提取压力值并转换为用于显示的压力测量结果发送给显示模块。
9.根据权利要求8所述的基于柔性材料的压力分布测量分析方法，其特征在于，所述从队列提取压力值并转换为用于显示的压力测量时，根据所述压力值进行双线性内插值运算并匹配色码表发送给显示模块显示压力分布云图。
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