CN110044402A - 一种基于模态分析的主动激励触觉传感器及使用方法 - Google Patents

一种基于模态分析的主动激励触觉传感器及使用方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110044402A
CN110044402A CN201910256843.0A CN201910256843A CN110044402A CN 110044402 A CN110044402 A CN 110044402A CN 201910256843 A CN201910256843 A CN 201910256843A CN 110044402 A CN110044402 A CN 110044402A
Authority
CN
China
Prior art keywords
module
model analysis
vibration
touch sensor
active spurring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910256843.0A
Other languages
English (en)
Inventor
陈进军
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guizhou University
Original Assignee
Guizhou University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guizhou University filed Critical Guizhou University
Priority to CN201910256843.0A priority Critical patent/CN110044402A/zh
Publication of CN110044402A publication Critical patent/CN110044402A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/54—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using means specified in two or more of groups G01D5/02, G01D5/12, G01D5/26, G01D5/42, and G01D5/48
    • G01D5/56—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using means specified in two or more of groups G01D5/02, G01D5/12, G01D5/26, G01D5/42, and G01D5/48 using electric or magnetic means

Abstract

本发明公开了一种基于模态分析的主动激励触觉传感器及使用方法。包括触觉传感模块（1），触觉传感模块（1）与调理电路模块（2）连接，调理电路模块（2）与模态分析模块（3）连接；所述的触觉传感模块（1）包括主动激励振动源（11），主动激励振动源（11）经传导基座（12）与振动传感器（13）连接，振动传感器（13）与调理电路模块（2）连接。本发明具有结构简单，材料选择范围广，和制作加工容易的特点。

Description

一种基于模态分析的主动激励触觉传感器及使用方法
技术领域
本发明涉及传感器领域，特别是一种基于模态分析的主动激励触觉传感器及使用方法。
背景技术
通过触觉传感器与外部物体相互作用，机器人可以获取与外部物体的接触、滑动和压觉等机械刺激信息。
目前，采用传统的触动开关，应变式触觉传感，电容式触觉传感机理的触觉传感器，机器人在接触和挤压物体过程中，触觉传感的原理和运行方式特点为：机器人与被接触物体作相对接近运动，使触觉传感器与物体表面接触，在传感结构局部产生压力，产生位移或变形而获得一个开关、阶跃或者脉冲接触信号。
采用前述传统触觉传感机理的触觉传感器，获取机器人接触过程信号时，存在的主要不足之处有：开关式触觉传感一般需要依赖于运动机构，结构比较复杂；而应变式或电容式触觉传感一般依赖于形变结构，制作比较复杂，并对材料选择有特定要求。对于需要机器人具有多点分布式触觉传感时，前述传统触觉传感机理的触觉传感器结构设计，材料选择和制作加工等方面更加困难。
综上，目前的触觉传感器存在机械结构复杂、材料使用限制多和制作加工困难的缺点。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于模态分析的主动激励触觉传感器及使用方法。本发明具有结构简单，材料选择范围广，和制作加工容易的特点。
本发明的技术方案：一种基于模态分析的主动激励触觉传感器，包括触觉传感模块，触觉传感模块与调理电路模块连接，调理电路模块与模态分析模块连接；所述的触觉传感模块包括主动激励振动源，主动激励振动源经传导基座与振动传感器连接，振动传感器与调理电路模块连接。
前述的基于模态分析的主动激励触觉传感器中，所述的模态分析模块与信号输出模块连接。
前述的基于模态分析的主动激励触觉传感器中，所述的主动激励振动源为机械式振动源和/或电学式振动源。
前述的基于模态分析的主动激励触觉传感器中，所述的机械式的振动源包括锤击式、振弦式、往复式和/或旋转式的振动激励源；所述的电学式振动源包括压电换能式和/或电磁换能式的振动激励源。
前述的基于模态分析的主动激励触觉传感器中，所述的主动激励振动源的激励源振动特性为确定性振动和/或随机振动。
前述的基于模态分析的主动激励触觉传感器的使用方法，按下述步骤进行：
a.触觉传感模块与物体相互作用时，振动传感器检测出发生了变化的振动激励响应信号；
b.步骤a中发生了变化的振动激励响应信号被输入到调理电路模块，由调理电路模块降噪滤波；
c.步骤b中的降噪滤波后的响应信号被输入到模态分析模块进行模态参数识别提取，比较分析。
前述的基于模态分析的主动激励触觉传感器的使用方法中，经步骤c处理后的响应信号被输入到信号输出模块，经信号输出模块处理后完成与外部设备的参数匹配。
前述的基于模态分析的主动激励触觉传感器的使用方法所述的步骤c中，所述的模态参数包括触觉传感模块的时域、频域，或者时-频域模态参数。
前述的基于模态分析的主动激励触觉传感器的使用方法所述的步骤c中，模态分析模块的模态参数识别提取，比较分析包括传递函数、谱密度、声学共振谱、倒谱和/或有限元分析。
有益效果
与现有技术相比，本发明将触觉传感模块与调理电路模块连接，调理电路模块与模态分析模块连接；触觉传感模块包括主动激励振动源，主动激励振动源经传导基座与振动传感器连接；当触觉传感模块在接触外部物体或与外部物体相互作用时，触觉传感模块的结构形状或约束形式或等效材料特性改变等会导致模态变化，该模态变化产生的变化的振动激励响应信号能够被振动传感器检测，并经过调理电路模块进行信号调理，和模态分析模块的模态参数识别提取和比较分析，判断确定与外部物体的接触状态；该结构通过检测模态变化替代了传统的触觉传感器的传感机理；由于触觉传感模块仅主要由主动激励振动源、传导基座和振动传感器三个部件组成，取消复杂的运动机构或形变部件，简化了结构，相比传统的触觉传感器而言，结构更加简单，易于制作加工。
本发明采用模态分析来感知触觉传感模块接触物体状态，模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型，其与结构的形状、约束形式、材料特性等有关；模态分析是对结构的固有振动特性分析，模态参数可以由计算或试验分析取得。计算或试验分析过程称为模态分析，这种分析用于确定结构的固有频率和振型。由于模态为物体的固有特性，只需掌握相应物体的模态特性即可感知接触物体的状态，无需再考虑材料的其他特性，从而使传感器的制作突破的材料的限制，使得材料选择范围广，进一步降低了传感器的制作成本。
本发明的传感器在感知接触物体的状态时，只需掌握机械结构的模态变化即能实现，而对传感器的具体结构、形状并无要求，因而就能按照实际情况将传感器设置相应结构和形状，适用性强。
本发明的传感器可使用多种模态参数识别分析技术，使用时可以针对性选择合适的技术，或采用多种技术混合方案，不仅提高传感器的可靠性，而且使用更加灵活方便，应用更广泛。
本发明的触觉传感模块可以与传感器的其它模块采用分体或一体化装配方式，易于实现多点分布式触觉传感，易于小型或微型化。
本发明的激励方式和/或频率及带通可选，可以根据实际应用的场合环境，选用合适的激励方式和/或频率，配合带通滤波，减少和/或避免与其它干扰信号混淆，抗干扰能力更强。
综上，本发明具有结构简单，材料选择范围广，和制作加工容易的特点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是传导基座为平板基座的触觉传感模块的示意图；
图3是传导基座为四方体基座的触觉传感模块的示意图。
附图标记：1-触觉传感模块，11-主动激励振动源，12-传导基座，13-振动传感器，2-调理电路模块，3-模态分析模块，4-信号输出模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1。一种基于模态分析的主动激励触觉传感器, 构成如图1-图3所示，包括触觉传感模块1，触觉传感模块1与调理电路模块2连接，调理电路模块2与模态分析模块3连接；所述的触觉传感模块1包括主动激励振动源11，主动激励振动源11经传导基座12与振动传感器13连接，振动传感器13与调理电路模块2连接；
所述的调理电路模块2，用于对触觉传感模块1输出的信号进行降噪滤波处理；
所述的模态分析模块3，用于对调理电路模块2输出信号进行模态参数识别提取和比较分析。模态分析模块3识别提取模态参数，并对触觉传感模块1的模态参数进行实时连续的比较分析，根据模态参数的变化判断触觉传感模块1接触物体的状态。
所述的主动激励振动源11与振动传感器13安装于同一传导基座12上，组合集成为触觉传感模块1，传导基座12用于将主动激励振动源11的主动激励振动传导至振动传感器13。通过该结构，当触觉传感模块1外部物体相互作用时，振动传感器13就能检测出发生了变化的振动激励响应信号。
前述的模态分析模块3与信号输出模块4连接。
前述的主动激励振动源11为机械式振动源和/或电学式振动源。激励源可以分别或者同时使用机械式振动源和电学式振动源。
前述的机械式的振动源包括锤击式、振弦式、往复式和/或旋转式的振动激励源；所述的电学式振动源包括压电换能式和/或电磁换能式的振动激励源。
前述的主动激励振动源11的激励源振动特性为确定性振动和/或随机振动。
前述的基于模态分析的主动激励触觉传感器的使用方法，按下述步骤进行：
a.触觉传感模块1与物体相互作用(如接触或挤压)时，振动传感器13检测出发生了变化的振动激励响应信号；该响应信号包含相应的模态参数变化信息；
b.步骤a中发生了变化的振动激励响应信号被输入到调理电路模块2，由调理电路模块2降噪滤波；
c.步骤b中的降噪滤波后的响应信号被输入到模态分析模块3进行模态参数识别提取，比较分析；根据模态参数的变化、差异和稳定状态，即可实时检测和确定触觉传感模块1接触物体状态。
在触觉传感模块1处于未经外界物体作用的初始状态(即未与物体接触或挤压)时，振动传感器13检测出振动激励初始响应信号，此时触觉传感模块输出(具体由振动传感器13输出)的是包含初始模态参数信息的信号，经过调理电路模块2降噪滤波，消除干扰信号，输入模态分析模块3获取触觉传感模块1的初始模态参数。以此初始模态参数为参照标准，根据模态参数的变化、差异和稳定状态，即可实时检测和确定触觉传感模块1接触物体状态。
本发明的主动激励触觉传感器实际应用时，可根据检测需要将触觉传感模块安装在机器人与物体相互接触的部位，并根据应用时的安装需要，选择相应的几何体形状，例如片状结构或者体形结构。
经步骤c处理后的响应信号被输入到信号输出模块4，经信号输出模块4处理后完成与外部设备的参数匹配。外部设备包括显示器和控制器等。
前述的步骤c中，所述的模态参数包括触觉传感模块1的时域、频域，或者时-频域模态参数。
前述的步骤c中，模态分析模块3的模态参数识别提取，比较分析包括传递函数、谱密度、声学共振谱、倒谱和/或有限元分析。
触觉传感模块1可根据需要为任意形状：
如图2是传导基座12为平板基座的触觉传感模块的示意图，主动激励振动源11为压电式振动激励，振动传感器13采用压电式振动传感器。调理电路模块2由电荷放大器和带通滤波器组成；模态分析模块3采用谱密度分析技术；根据频谱密度分布及变化检测和确定触觉传感模块1接触物体状态，信号输出模块4完成阻抗匹配和标准信号输出。
如图3是传导基座12为四方体基座的触觉传感模块的示意图，主动激励振动源11为锤击式振动激励，振动传感器13采用驻极体麦克风振动传感器。调理电路模块2由驻极体电容放大器和带通滤波器组成；模态分析模块3采用时域传递函数分析技术；根据振幅变化检测和确定触觉传感模块1接触物体状态，信号输出模块4完成阻抗匹配和标准信号输出。

Claims (9)

1.一种基于模态分析的主动激励触觉传感器，其特征在于，包括触觉传感模块（1），触觉传感模块（1）与调理电路模块（2）连接，调理电路模块（2）与模态分析模块（3）连接；所述的触觉传感模块（1）包括主动激励振动源（11），主动激励振动源（11）经传导基座（12）与振动传感器（13）连接，振动传感器（13）与调理电路模块（2）连接。
2.根据权利要求1所述的基于模态分析的主动激励触觉传感器，其特征在于，所述的模态分析模块（3）与信号输出模块（4）连接。
3.根据权利要求1所述的基于模态分析的主动激励触觉传感器，其特征在于，所述的主动激励振动源（11）为机械式振动源和/或电学式振动源。
4.根据权利要求3所述的基于模态分析的主动激励触觉传感器，其特征在于，所述的机械式的振动源包括锤击式、振弦式、往复式和/或旋转式的振动激励源；所述的电学式振动源包括压电换能式和/或电磁换能式的振动激励源。
5.根据权利要求1所述的基于模态分析的主动激励触觉传感器，其特征在于，所述的主动激励振动源（11）的激励源振动特性为确定性振动和/或随机振动。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的基于模态分析的主动激励触觉传感器的使用方法，其特征在于，按下述步骤进行：
a.触觉传感模块（1）与物体相互作用时，振动传感器（13）检测出发生了变化的振动激励响应信号；
b.步骤a中发生了变化的振动激励响应信号被输入到调理电路模块（2），由调理电路模块（2）降噪滤波；
c.步骤b中的降噪滤波后的响应信号被输入到模态分析模块（3）进行模态参数识别提取，比较分析。
7.根据权利要求6所述的基于模态分析的主动激励触觉传感器的使用方法，其特征在于，经步骤c处理后的响应信号被输入到信号输出模块（4），经信号输出模块（4）处理后完成与外部设备的参数匹配。
8.根据权利要求6所述的基于模态分析的主动激励触觉传感器的使用方法，其特征在于，步骤c中，所述的模态参数包括触觉传感模块（1）的时域、频域，或者时-频域模态参数。
9.根据权利要求6所述的基于模态分析的主动激励触觉传感器的使用方法，其特征在于，步骤c中，模态分析模块（3）的模态参数识别提取，比较分析包括传递函数、谱密度、声学共振谱、倒谱和/或有限元分析。
CN201910256843.0A 2019-04-01 2019-04-01 一种基于模态分析的主动激励触觉传感器及使用方法 Pending CN110044402A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910256843.0A CN110044402A (zh) 2019-04-01 2019-04-01 一种基于模态分析的主动激励触觉传感器及使用方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910256843.0A CN110044402A (zh) 2019-04-01 2019-04-01 一种基于模态分析的主动激励触觉传感器及使用方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110044402A true CN110044402A (zh) 2019-07-23

Family

ID=67275747

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910256843.0A Pending CN110044402A (zh) 2019-04-01 2019-04-01 一种基于模态分析的主动激励触觉传感器及使用方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110044402A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110757463A (zh) * 2019-11-20 2020-02-07 贵州大学 一种机械手抓取力度控制方法及装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070236230A1 (en) * 2006-04-07 2007-10-11 Hassan Tanbakuchi Vector network analysis system and method using offset stimulus signals
CN101281116A (zh) * 2008-05-29 2008-10-08 上海交通大学 大跨度轨道交通桥梁损伤检测系统
CN104133950A (zh) * 2014-07-17 2014-11-05 浙江工业大学 一种悬臂梁运行模态分析实验方法及装置
CN105631090A (zh) * 2015-12-02 2016-06-01 中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心 一种有限元模型优化装置及方法
CN106017906A (zh) * 2016-07-26 2016-10-12 南京航空航天大学 一种冷却塔模态测试方法
CN109489795A (zh) * 2018-12-28 2019-03-19 晋江万芯晨电子科技有限公司 一种自激励的振动传感器

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070236230A1 (en) * 2006-04-07 2007-10-11 Hassan Tanbakuchi Vector network analysis system and method using offset stimulus signals
CN101281116A (zh) * 2008-05-29 2008-10-08 上海交通大学 大跨度轨道交通桥梁损伤检测系统
CN104133950A (zh) * 2014-07-17 2014-11-05 浙江工业大学 一种悬臂梁运行模态分析实验方法及装置
CN105631090A (zh) * 2015-12-02 2016-06-01 中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心 一种有限元模型优化装置及方法
CN106017906A (zh) * 2016-07-26 2016-10-12 南京航空航天大学 一种冷却塔模态测试方法
CN109489795A (zh) * 2018-12-28 2019-03-19 晋江万芯晨电子科技有限公司 一种自激励的振动传感器

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110757463A (zh) * 2019-11-20 2020-02-07 贵州大学 一种机械手抓取力度控制方法及装置
WO2021098580A1 (zh) * 2019-11-20 2021-05-27 贵州大学 一种机械手抓取力度控制方法及装置
CN110757463B (zh) * 2019-11-20 2023-06-27 贵州大学 一种机械手抓取力度控制方法及装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11500494B2 (en) Ultrasonic touch detection and decision
US10782785B2 (en) Vibro-haptic design and automatic evaluation of haptic stimuli
US8590379B2 (en) Systems and methods for resonance detection
JP5488942B2 (ja) 対象物の変形可能なタッチ面上で局地的に変形する接触位置を特定する位置特定装置および方法
US20190354210A1 (en) Ultrasonic touch sensor and system
CN106449966B (zh) 一种压电传感装置及应用
JP5473579B2 (ja) 静電容量型電気機械変換装置の制御装置、及び静電容量型電気機械変換装置の制御方法
CN102822775B (zh) 用于检测用户输入的方法和设备
KR101764932B1 (ko) 터치 감지 디바이스
US20150023138A1 (en) Ultrasonic Positioning System and Method Using the Same
KR20120101359A (ko) 터치 위치를 검출하고 햅틱 피드백을 제공하는 굽힘파 진동 센서들을 이용하는 터치 감지 디바이스
CN110138372A (zh) 触压按键组件、控制电路和电子设备
WO2019226680A1 (en) Ultrasonic touch and force input detection
CN108919941A (zh) 过驱动致动器电压以生成触觉效果
CN104703080B (zh) Mems麦克风构件和具有该mems麦克风构件的设备
CN110187757A (zh) 触压按键组件、控制电路及电子设备
US20170235434A1 (en) Ultrasonic actuator apparatus
CN110162193A (zh) 一种触碰定位装置及方法
EP3563937B1 (en) Haptic actuator controller
CN110044402A (zh) 一种基于模态分析的主动激励触觉传感器及使用方法
CN110243400B (zh) 基于主动激励信号获取共振信号的触滑觉传感器
CN206210845U (zh) 一种压电传感装置
US20200179978A1 (en) Method for controlling a mobile device
CN106903040B (zh) 一种具有声场感知的振动装置
JP5855142B2 (ja) 静電容量型トランスデューサの制御装置、及び静電容量型トランスデューサの制御方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination