CN111289154A - 基于计算机算法进行压力定位应用于触觉传感器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于计算机算法进行压力定位应用于触觉传感器的方法，包括以下步骤：建立仿真电路模型，在触觉传感器模型电路上取点代表单位长度模型电路的电信号；触觉传感器施加压力前后，通过数据采集器采集和记录系统收集至少3次触觉传感器的不同电路间电路输出的电信号数据，通过提取不同电路间的电信号数据，得到所述模型电路上坐标点处的电信号的代数值；通过计算机智能算法模拟绘图反映施加压力的位置。该方法利用计算机智能算法，建立触觉传感器仿真电路模型来实现压力定位。此方法具有普适性且显著简化了电路集成系统。可用于物体识别、工厂分拣、人机交互和机械假肢等领域。
Description
技术领域
本发明涉及基于计算机算法进行压力定位应用于触觉传感器的方法。
背景技术
在柔性电子快速发展的时代，智能柔性材料的需求日益增加，可穿戴材料也正朝着智能化方向发展，研究者们希望将可穿戴柔性电子器件与智能机器相结合，实现多功能集成。目前的智能机器人主要依靠其视觉系统，通过检测观测物体的红外信号反馈达到与周围环境的信息进行交互的目的，然而一些物体属性(如质量、光滑程度等)通过视觉系统无法判断，因此需要触觉系统来收集物体的信息，例如在控制抓握和操纵物体的过程中，当传感器与目标物体相互接触的时候，通过传感器与物体之间的相互作用力，可以采集到物体所在位置的重要信息，机械手臂通过采集到的信息调整对目标物体所施加的力的大小。触觉系统可对物体分拣、数据采集等方面提供依托，推动工业制造、机械假肢、可穿戴智能电子设备的发展。
目前，大多数方法都是通过大面积柔性压力传感器阵列来实时、动态地描绘压力分布。在柔性基底上集成传感器阵列来提高传感器的精度，并监测压力的动态变化是一种普遍的手段，但这种方式显著增加了工艺的难度，并增加了电路的复杂性以及人工计算量。目前还有的一个挑战是，如若有一个甚至多个电路发生断路的情况，会导致传感器的大面积瘫痪，影响其正常工作。因此，为了满足用于智能机器的触觉传感器的发展需求，找到一种简单的压力定位策略至关重要。
发明内容
本发明的目的在于提供基于计算机算法进行压力定位应用于触觉传感器的方法，解决上述现有技术问题中的一个或者多个。
本发明提供基于计算机算法进行压力定位应用于触觉传感器的方法，包括以下步骤：
S1、建立仿真电路模型，在触觉传感器模型电路上取点代表单位长度模型电路的电信号；
S2、对触觉传感器施加压力前后，通过数据采集器采集和记录系统收集至少3次触觉传感器的不同电路间电路输出的电信号数据，通过提取不同电路间的电信号数据，得到所述模型电路上坐标点处的电信号的代数值；
S3、分别提取施加压力前后的电信号数据，计算出所述电信号数据的平均值，模拟采集不同输出端时的电信号路径，并计算途径到每个坐标点处时该点处的电信号数据占总的电信号数据的百分比，通过将所得到的每个坐标点的数据加和得到该点电信号的总代数值；
S4、将施加压力后的每个坐标点得到的总代数值减去未施加压力时该坐标点得到的总代数值后，除以该点未施加压力时的总代数值得到每个坐标点的代数关系终值，通过计算机智能算法模拟绘图反映施加压力的位置。
在一些实施方式中，电信号为电流或电阻。
在一些实施方式中，触觉传感器包括基底、导电功能材料以及外接电路，所述导电功能材料与所述基底复合，并与所述外接电路电连接。
在一些实施方式中，所述外界电路的连接方式，表示仿真电路的结构；所述触觉传感器连接的导线密度越高，通过电路关系取得的坐标点越多，得出的数据关系越接近于实际模型，从而提高触觉传感器的精度。
具体的，在测量过程中，测量两导线之间的电信号关系，类比两导线之间的电流流通路径，通过电路模拟软件，构建与电流流通路径相匹配的仿真电路模型，再通过数据采集器采集和记录系统收集电路输出的电信号(电阻或电流)，用于模拟两导线之间的电信号关系。
在一些实施方式中，基底选自柔性基底或刚性基底。
在一些实施方式中，柔性基底选自聚乙烯醇、聚酯、聚酰亚胺、聚萘二甲酯乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、纸片、纺织材料或皮革，所述刚性基底选自塑料、半导体聚合物或玻璃。
在一些实施方式中，皮革选自蓝湿皮、天然革、合成革或人造革。
由于皮革本体自身具有多级结构，通过控制导电功能材料与皮革的结合时间，外加机械作用力，可以得到具有电学性能增强的皮革，且导电功能材料不易脱落。
在一些实施方式中，导电功能材料材料选自非金属纳米材料、金属纳米材料、导电聚合物材料、碳基材料或导电墨水。
在一些实施方式中，碳基材料包括碳纳米管及其衍生物、石墨烯及其衍生物，金属纳米材料包括金纳米线、银纳米线、铜纳米线、纳米金，非金属纳米材料包括硅纳米线，导电聚合物包括聚吡咯及其衍生物、聚苯胺及其衍生物、聚噻吩及其衍生物。
其中，碳基材料、金属纳米材料、非金属纳米材料、导电聚合物等导电材料，都是采用成熟的现有技术合成或者商业购买。
具体的，碳基材料为碳纳米管及其衍生物、石墨烯及其衍生物等，如酸化碳纳米管和氧化石墨烯；金属纳米材料为金纳米线、银纳米线、铜纳米线或纳米金等零维、一维以及二维的纳米材料；非金属纳米材料为硅纳米线、有机半导体纳米线等；导电聚合物为聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等及其衍生物，导电墨水为市售的导电墨水。
在一些实施方式中，导电材料为碳纳米管衍生物或石墨烯衍生物，优选为酸化碳纳米管、氧化石墨烯；或者导电材料是导电聚合物，如聚吡咯及其衍生物、聚苯胺及其衍生物、聚噻吩及其衍生物。其中，导电聚合物在混合过程中在皮革上直接原位合成。比如，聚吡咯的合成方式为，将单体吡咯的溶液倒在皮革上，待皮革完全浸没后，加入三氯化铁水溶液，在冰水浴中反应完全后，进行抽滤并冲洗干净，得到在皮革上直接原位聚合的聚吡咯。
由于皮革本体具有的官能团羧基、氨基、羟基、巯基、双硫键等，上述的导电材料，碳纳米管衍生物、石墨烯衍生物或者原位合成的导电聚合物，可以通过化学键或者氢键等的分子间相互作用力与皮革本体结合在一起，或者通过静电吸附与皮革本体结合在一起，以增强导电材料与皮革本体的结合，进一步解决由于导电材料脱落导致功能化丧失的问题。
在一些实施方式中，混合的方法为机械搅拌、抽滤、涂覆、喷涂、打印或转鼓混合中的一种。
具体的，比如抽滤：将皮革本体裁剪至砂芯漏斗直径大小相匹配，置于砂芯漏斗上，用循环水泵对导电材料配制的溶液抽滤，通过控制抽滤的次数，即控制每块皮革上面导电材料的质量，最后通过清洗、烘干。
其中，转鼓混合方式与传统皮革加工工艺相适应，大大降低了生产成本，同时提高了生产效率。
一种触觉传感器可用于物体识别、工厂分拣、人机交互和机械假肢领域。
本发明的有益效果：
1、本发明实施例提供了计算机智能算法进行压力定位的新策略；
2、此策略具有普适性且能显著简化了电路集成系统；
3、本发明实施例的触觉传感器，当部分导线发生故障的时候，仍能保持正常工作，进行压力定位，这是机器模拟的非常重要的优点；
4、本发明实施例的触觉传感器可用于物体识别、工厂分拣、人机交互和机械假肢等领域。
附图说明
图1实施例1中所得到的基于皮革的触觉传感器的示意图；
图2实施例1中所得到的基于皮革的触觉传感器的示意图；
图3实施例1中所得到的基于皮革的触觉传感器的压力测试样本点；
图4实施例1中所得到的基于皮革的触觉传感器的压力成像模拟图；
图5实施例2中所得到的基于皮革的触觉传感器的示意图；
图6实施例2中用电路模拟软件构建导线之间的仿真电路模型示意图；
图7实施例2中所得到的基于皮革的触觉传感器的压力测试样本点；
图8实施例2中所得到的基于皮革的触觉传感器的压力成像模拟图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述。以下实施例只是用于更加清楚地说明本发明的性能，而不能仅局限于下面的实施例。
实施例1：
基于碳基材料的触觉传感器的电极制备
选取皮革作为基底，预备二层牛蓝湿皮，剪取大小为8cm×8cm二层牛皮。将酸化后的碳纳米管水溶液，配制呈浓度为3.5mg/mL的碳纳米管水溶液备用。皮革替换抽滤过程中的滤纸等作用，取之前配置的碳纳米管水溶液，与皮革基底复合，结合循环水泵进行抽滤，将碳纳米管水溶液担载在皮革上(6cm×6cm)，将制得的导电皮革置于60℃的烘箱烘干，得到基于皮革的触觉传感器的电极部分。
基于皮革的触觉传感器的组装与测试：
选取两块上述制得的导电皮革，将导线等间距连接在所述导电皮革的导电部分上，每边连接3根导线，然后将两块电极对齐复合，制得所述的双层基于皮革的触觉传感器(如图1和2所示)。
当触觉传感器上有压力存在时，双层电极之间发生接触，引起双层电阻的变化，通过外接导线，利用电路模拟软件构建导线之间的仿真电路模型，再通过数据采集器采集和记录系统收集电路输出的电信号，用于模拟两导线之间的电信号关系。将采集到的电信号数据，输入编辑完成的计算机智能算法，通过代数关系，计算模拟出相对应的压力位置关系。
如图3所示，为压力测试样本点，如图所示，将砝码放置于导线编号为3、6、b、e的交点处，通过所述的仿真电路，利用数据采集器采集和记录系统收集电路输出的电信号，将收集的电信号数据输入计算机智能算法，通过计算模拟得到如图4所示的压力成像模拟图，说明该策略能够进行压力定位。
实施例2：
基于碳基材料的触觉传感器的电极制备
选取皮革作为基底，预备二层牛蓝湿皮，剪取大小为8cm×8cm二层牛皮。将酸化后的碳纳米管水溶液，配制呈浓度为3.5mg/mL的碳纳米管水溶液备用。皮革替换抽滤过程中的滤纸等作用，取之前配置的碳纳米管水溶液，与皮革基底复合，结合循环水泵进行抽滤，将碳纳米管水溶液担载在皮革上(6cm×6cm)，将制得的导电皮革置于60℃的烘箱烘干，得到基于皮革的触觉传感器的电极部分。
基于皮革的触觉传感器的组装与测试
选取两块上述制得的导电皮革，将导线等间距连接在所述导电皮革的导电部分上，每边连接6根导线，然后将两块电极对齐复合，制得所述的双层基于皮革的触觉传感器(如图5所示)。
在施加压力前后，通过数据采集器采集和记录系统收集3次及以上器件不同电路间输出的电信号(如电阻，电流等)，建立与所述坐标点处相对应的电信号相匹配的代数关系，通过提取不同电路之间的电信号数据，求得所述模型电路上坐标点处的电信号的代数值；通过编辑计算机智能算法实现所述电信号代数值(如电阻，电流等)，分别提取施加压力前后的电信号数据，计算出该数据的平均值，用电路模拟软件分别模拟采集不同输出端时的电信号路径，并计算途径到每个坐标点处时该点处的电信号占得总的电信号的百分比，通过将所得到的每个坐标点的数据加和得到该点电信号的总代数值。最后将施加压力后每个坐标点得到的总代数值减去未施加压力时该坐标点得到的总代数值后除以该点未施加压力时的总代数值得到每个坐标点的代数关系终值，通过数学软件模拟绘图反映施加压力的位置。
如图6所示，取01号与09号两根导线，通过连线选取两导线之间的坐标点，模拟电流流通路径，通过电路模拟软件模拟两根导线之间的仿真电路，并构建电路模型。
如图7所示，为压力测试样本点；如图8所示，为计算机智能算法模拟得到的压力模拟示意图，说明同样可以进行压力定位，通过与实施例1中的压力成像模拟图相比，可以看出导线导线密度越高，通过电路关系取得的坐标点越多，得出的数据关系越接近于实际模型，从而提高触觉传感器的精度。
本发明提供的实施方案提供了一种基于计算机智能算法进行压力定位应用于触觉传感器的策略，该策略通过搭建模型，利用计算机智能算法自动计算得出基于关系的位置压力。该策略简化了器件结构以及人工计算量，且器件制备简单，方便大规模制备。
以上表述仅为本发明的优选方式，应当指出，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于计算机算法进行压力定位应用于触觉传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立仿真电路模型，在触觉传感器模型电路上取点代表单位长度模型电路的电信号；
S2、对触觉传感器施加压力前后，通过数据采集器采集和记录系统收集至少3次触觉传感器的不同电路间电路输出的电信号数据，通过提取不同电路间的电信号数据，得到所述模型电路上坐标点处的电信号的代数值；
S3、分别提取施加压力前后的电信号数据，计算出所述电信号数据的平均值，模拟采集不同输出端时的电信号路径，并计算途径到每个坐标点处时该点处的电信号数据占总的电信号数据的百分比，通过将所得到的每个坐标点的数据加和得到该点电信号的总代数值；
S4、将施加压力后的每个坐标点得到的总代数值减去未施加压力时该坐标点得到的总代数值后，除以该点未施加压力时的总代数值得到每个坐标点的代数关系终值，通过计算机智能算法模拟绘图反映施加压力的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电信号为电流或电阻。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述触觉传感器包括基底、导电功能材料以及外接电路，所述导电功能材料与所述基底复合，并与所述外接电路电连接。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基底选自柔性基底或刚性基底。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述柔性基底选自聚乙烯醇、聚酯、聚酰亚胺、聚萘二甲酯乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、纸片、纺织材料或皮革，所述刚性基底选自塑料、半导体聚合物或玻璃。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述导电功能材料材料选自非金属纳米材料、金属纳米材料、导电聚合物材料、碳基材料或导电墨水。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述碳基材料包括碳纳米管及其衍生物、石墨烯及其衍生物，所述金属纳米材料包括金纳米线、银纳米线、铜纳米线、纳米金，所述非金属纳米材料包括硅纳米线，所述导电聚合物包括聚吡咯及其衍生物、聚苯胺及其衍生物、聚噻吩及其衍生物。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述导电功能材料选自碳纳米管衍生物、石墨烯衍生物、聚吡咯及其衍生物、聚苯胺及其衍生物、聚噻吩及其衍生物。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述复合的方法为机械搅拌、抽滤、涂覆、喷涂、打印或转鼓混合中的一种。
10.根据权利要求书1至9中任一权利要求所述的方法可用于物体识别、工厂分拣、人机交互和机械假肢领域。
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|---|---|---|---|---|
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| CN115752823A (zh) * | 2022-11-24 | 2023-03-07 | 吉林大学 | 具有定位功能的非阵列仿生柔性触觉传感器及其制备方法 |
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2020
- 2020-02-24 CN CN202010113688.XA patent/CN111289154A/zh active Pending
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