CN112763751B - 一种基于被动式触须传感器的形状识别方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于被动式触须传感器的形状识别方法及系统。该方法包括：确定被动式触须传感器的输出电压；基于所述输出电压计算所述被动式触须传感器触碰到待识别物体时受到的合力；根据所述合力计算接触面切线与X轴方向的夹角；所述接触面切线为所述被动式触须传感器与所述待识别物体接触面的切线；根据所述夹角计算所述被动式触须传感器的触须末端的位置；根据所述触须末端的位置识别所述待识别物体的形状。采用上述方法能够使得被动式小型触须传感系统完成精度较高的形状识别任务，解决了被动式触须传感系统形状识别鲁棒性差的问题。

Description

一种基于被动式触须传感器的形状识别方法及系统

技术领域

本发明涉及形状识别领域，特别是涉及一种基于被动式触须传感器的形状识别方法及系统。

背景技术

老鼠可以通过多种方式对外界进行感知，其中比较重要的是触觉感知。基于老鼠触须的仿生触觉传感系统在机器人应用中同样具有很大的潜力，因为它不涉及与物体的严重接触，且不受光照等外部因素的影响。目前，应用于机器人的触觉传感系统主要用于材质识别、形状识别和导航建图等。其中使用触须传感系统进行材质识别被广泛研究。

在形状识别方面取得较好效果的触须传感系统主要是主动式的，即使用电机等驱动装置驱动触须进行特定轨迹的运动。主动式触须传感系统由于需要使用电机等驱动装置进行驱动，导致系统整体体积过大，使得其在微小型机器人上的应用受限。另外，驱动装置在驱动触须以特定的轨迹运动的过程中，会因抖动等原因为传感器输出信号引入噪声，导致后续信号处理时，需要使用复杂的算法排除这些干扰。

而现有的用于形状识别的被动式触须传感系统大多通过总结实验信号特征的方式完成形状识别，缺乏理论解释。且上述的模板匹配的方式需要大量的数据集才能实现对较多形状的识别，鲁棒性较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于被动式触须传感器的形状识别方法及系统，用以提高形状识别的精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于被动式触须传感器的形状识别方法，包括：

确定被动式触须传感器的输出电压；

基于所述输出电压计算所述被动式触须传感器触碰到待识别物体时受到的合力；

根据所述合力计算接触面切线与X轴方向的夹角；所述接触面切线为所述被动式触须传感器与所述待识别物体接触面的切线；

根据所述夹角计算所述被动式触须传感器的触须末端的位置；

根据所述触须末端的位置识别所述待识别物体的形状。

可选地，所述被动式触须传感器包括左侧悬梁臂、右侧悬梁臂、中心连接块以及触须；所述左侧悬梁臂和所述右侧悬梁臂分别设置在所述中心连接块的左侧和右侧，所述触须设置在所述中心连接块上；所述左侧悬梁臂上设置有第一压敏电阻和第二压敏电阻，所述右侧悬梁臂上设置有第三压敏电阻和第四压敏电阻。

可选地，所述被动式触须传感器的输出电压的计算公式如下：

其中，Vout表示被动式触须传感器的输出电压，Vcc表示供电电压，R₁、R₂、R₃、R₄表示四个压敏电阻的阻值，M表示触须根部对中心块施加的弯矩，w表示悬梁臂的抗弯界面模量，k′表示系数，σ₂表示第二压敏电阻的所受应力，σ₃表示第三压敏电阻的所受应力。

可选地，所述触须末端的位置的计算公式如下：

其中，x表示触须末端位置的x坐标，y表示触须末端位置的y坐标，θ_b为接触表面切线与X轴方向的夹角，F表示被动式触须传感器触碰到待识别物体时受到的合力，θ表示触须的截面转角，θ_d′表示合力F与X轴的夹角，E表示触须的弹性模量，I表示触须横截面对中心轴的惯性矩。

可选地，所述根据所述触须末端的位置识别所述待识别物体的形状，具体安保科：

将所述触须末端的位置连接起来复现所述待识别物体的表面形状。

本发明还提供了一种基于被动式触须传感器的形状识别系统，包括：

输出电压确定模块，用于确定被动式触须传感器的输出电压；

合力计算模块，用于基于所述输出电压计算所述被动式触须传感器触碰到待识别物体时受到的合力；

夹角计算模块，用于根据所述合力计算接触面切线与X轴方向的夹角；所述接触面切线为所述被动式触须传感器与所述待识别物体接触面的切线；

末端位置计算模块，用于根据所述夹角计算所述被动式触须传感器的触须末端的位置；

识别模块，用于根据所述触须末端的位置识别所述待识别物体的形状。

可选地，所述被动式触须传感器包括左侧悬梁臂、右侧悬梁臂、中心连接块以及触须；所述左侧悬梁臂和所述右侧悬梁臂分别设置在所述中心连接块的左侧和右侧，所述触须设置在所述中心连接块上；所述左侧悬梁臂上设置有第一压敏电阻和第二压敏电阻，所述右侧悬梁臂上设置有第三压敏电阻和第四压敏电阻。

可选地，所述被动式触须传感器的输出电压的计算公式如下：

其中，Vout表示被动式触须传感器的输出电压，Vcc表示供电电压，R₁、R₂、R₃、R₄表示四个压敏电阻的阻值，M表示触须根部对中心块施加的弯矩，w表示悬梁臂的抗弯界面模量，k′表示系数，σ₂表示第二压敏电阻的所受应力，σ₃表示第三压敏电阻的所受应力。

可选地，所述触须末端的位置的计算公式如下：

其中，x表示触须末端位置的x坐标，y表示触须末端位置的y坐标，θ_b为接触表面切线与X轴方向的夹角，F表示被动式触须传感器触碰到待识别物体时受到的合力，θ表示触须的截面转角，θ_d′表示合力F与X轴的夹角，E表示触须的弹性模量，I表示触须横截面对中心轴的惯性矩。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种基于被动式触须传感器的形状识别方法及系统。该方法包括：确定被动式触须传感器的输出电压；基于所述输出电压计算所述被动式触须传感器触碰到待识别物体时受到的合力；根据所述合力计算接触面切线与X轴方向的夹角；所述接触面切线为所述被动式触须传感器与所述待识别物体接触面的切线；根据所述夹角计算所述被动式触须传感器的触须末端的位置；根据所述触须末端的位置识别所述待识别物体的形状。采用上述方法能够使得被动式小型触须传感系统完成精度较高的形状识别任务，解决了被动式触须传感系统形状识别鲁棒性差的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于被动式触须传感器的形状识别方法的流程图；

图2为本发明触须运动过程中受力图；

图3为本发明触须力学模型；

图4为本发明触须传感器受力图；

图5为本发明中心块受力图；

图6为本发明左侧单根悬臂梁受力图；

图7为本发明电桥电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于被动式触须传感器的形状识别方法及系统，用以提高形状识别的精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种基于被动式触须传感器的形状识别方法包括以下步骤：

步骤101：确定被动式触须传感器的输出电压。被动式触须传感器包括左侧悬梁臂、右侧悬梁臂、中心连接块以及触须；所述左侧悬梁臂和所述右侧悬梁臂分别设置在所述中心连接块的左侧和右侧，所述触须设置在所述中心连接块上；所述左侧悬梁臂上设置有第一压敏电阻和第二压敏电阻，所述右侧悬梁臂上设置有第三压敏电阻和第四压敏电阻。

步骤102：基于所述输出电压计算所述被动式触须传感器触碰到待识别物体时受到的合力。

步骤103：根据所述合力计算接触面切线与X轴方向的夹角；所述接触面切线为所述被动式触须传感器与所述待识别物体接触面的切线。

步骤104：根据所述夹角计算所述被动式触须传感器的触须末端的位置。

步骤105：根据所述触须末端的位置识别所述待识别物体的形状。

下面对本方法的原理进行详细介绍：

1、对触须进行建模得到末端位置(x，y)与其所受合力F的关系。

当触须传感器划过某种形状的物体时的形变和受力方向如图2所示。

和

分别为在对应位置处受到的支持力，τ₁和τ₂分别为在对应位置处受到的弯矩，f₁和f₂分别为在对应位置处受到的摩擦力。将触须弯曲问题简化为图3所示的力学模型。其中θ_b为接触表面切线与X轴方向的夹角，θ_d＝arctanμ(已知)，μ为接触表面的摩擦系数，F为所受合力(支持力F_N和摩擦力μF_N合成后的值)。为了便于计算，本发明将触须末端所受合力F分解，则有如下等式(以下推导均使用转换后的符号)：

F_N′＝Fcosθ_d′ (2)

μ′F_N′＝Fsinθ_d′ (3)

触须弯曲时任意位置k的曲率与该位置弯矩T_w间的关系为(k位置相对触须根部的X方向偏移为x_k，Y方向偏移为y_k)：

其中E为触须的弹性模量，I为触须横截面对中心轴的惯性矩。

由图3可知k点的弯矩T_w为(触须末端受力位置相对触须根部的X方向偏移为x_b，Y方向偏移为y_b)

T_w＝-[μ′F_N′(x_b-x_k)+F_N′(y_b-y_k)] (5)

代入(4)式得

微分经整理得：

两端乘以dθ并积分得：

由边界条件可以确定

触须末端在图3中所建立坐标系中的坐标x和y可以表示为：

其中θ_b与F关系为：

θ表示触须的截面转角，θ_d′表示合力F与X轴的夹角。

2、计算传感器输出与触须末端所受合力F的关系。

触须传感器接触物体时的受力情况如图4所示(经过力的合成及分解处理后)，中心块受力如图5所示，左侧单根悬臂梁的受力情况如图6所示。连接块长度为2a，感知梁长度为L。触须末端受力为别为μ′F_N′和F_N′，方向如图4中所示。FH₁为中心块左侧受到的拉力；M₁为中心块左侧受到的弯矩，

为中心块左侧受到的支持力，M为触须根部对中心块施加的弯矩；FH₂为中心块右侧受到的拉力，M₂为中心块右侧受到的弯矩，

为中心块右侧受到的支持力。图中标注的FH₁、

均为标注点所受到拉力和支持力，相同符号表示大小相同，力的方向如图中标注方向所示；M_A为左侧单根悬臂梁左侧受到的弯矩。

根据图4和图5，由平衡条件∑ M＝0，∑ F＝0有：

FH₁+FH₂＝Fx＝μ′F_N′ (11)

Fv₁+Fv₂＝F_y＝F_N′ (12)

M₁+M₂＝M＝μ′F_N′·x+F_N′·y (13)

在图6中，选取A点为研究对象，由∑ M＝0可得

对于悬臂梁上的任意一点z的力矩(点z距离A点的距离为z)，由∑ M＝0可得，

由此可以求得任意一点z的转角θ_z和挠度ν_z为

式中：E₁为硅悬臂梁的弹性模量；I₁为梁横截面对中心轴的惯性矩。

由连续性条件可知，悬臂梁末端的挠度和中心块边沿的垂直位移相等，即ν_L＝a(θ_L)，可推出：

联立(9)，(10)，(15)和(16)式可得

式中

由传感器实物图可知，四个压敏电阻均分布于悬臂梁末端，故

和

分别取为0，L，L，0。则由式(12)可知四个压敏电阻位置处的弯矩

和

分别为：

四个压敏电阻的所受应力σ₁，σ₂，σ₃和σ₄如下式所示(此处忽略水平力μ′F_N′和竖直力F_N′作用下的伸长量)：

式中，

(系数)；w为梁的抗弯截面模量，w＝bt²/6，b为悬臂梁的宽度，t为悬臂梁的厚度。

对于压敏电阻，电阻变化量与所受的横向应力和纵向应力相关。因横向应力很小，故此处忽略。则压敏电阻的阻值变化为：

ΔR/R＝π(σ_v-σ_t)≈πσ₁ (30)

式中：R为压敏电阻阻值；ΔR为阻值变化量；π为剪切压阻系数分量；σ_v为纵向应力；σ_t为横向应力(横向应力很小，故此处忽略)。

触须传感器电桥电路原理图如图7所示。

则电桥电路输出如下：

R₁，R₂，R₃和R₄为电阻的阻值，V_out为输出电压，V_cc为供电电压。

3、联立式(8)，(9)，(10)和式(13)，(27)，(28)，(31)即可根据当前时刻传感器输出计算出触须与表面接触点的位置(x，y)。

推导过程：

式(10)中，θ_d′可由θ_b表示(见式(1))，故式(10)仅含有θ_b和F两个变量。给出一系列F的值，针对式(10)利用二分法近似求解对应的θ_b。通过给定的F和求得的θ_b，利用多项式拟合法拟合出一条曲线θ_b＝f(F)；

式(8)，(9)中，x和y仅与θ_b和F两个变量相关，通过将第一步中θ_b＝f(F)带入，可以分别得到x和y与F的关系，即x＝g(F)和y＝h(F)；

将第二步中得到的两个关系式及(1)，(13)，(20)，(21)，(27)，(28)带入(31)可得：

上述表达式仅包含F和V_out两个未知量，故在V_out已知的情况下，可以通过该表达式求得F。

通过第三步中求出的F，代入x＝g(F)和y＝h(F)即可求得(x,y)。

根据触须划过表面过程中不同时刻的传感器输出计算对应时刻的触须末端位置，将这些位置平滑连接起来即可实现对接触表面形状的复现。

采用上述方法能够使得被动式小型触须传感系统完成精度较高的形状识别任务，解决了被动式触须传感系统形状识别鲁棒性差的问题。

本发明还提供了一种基于被动式触须传感器的形状识别系统，包括：

输出电压确定模块，用于确定被动式触须传感器的输出电压。

合力计算模块，用于基于所述输出电压计算所述被动式触须传感器触碰到待识别物体时受到的合力。

夹角计算模块，用于根据所述合力计算接触面切线与X轴方向的夹角；所述接触面切线为所述被动式触须传感器与所述待识别物体接触面的切线。

末端位置计算模块，用于根据所述夹角计算所述被动式触须传感器的触须末端的位置。

识别模块，用于根据所述触须末端的位置识别所述待识别物体的形状。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种基于被动式触须传感器的形状识别方法，其特征在于，包括：

确定被动式触须传感器的输出电压；

基于所述输出电压计算所述被动式触须传感器触碰到待识别物体时受到的合力；

根据所述合力计算接触面切线与X轴方向的夹角；所述接触面切线为所述被动式触须传感器与所述待识别物体接触面的切线；

根据所述夹角计算所述被动式触须传感器的触须末端的位置；

根据所述触须末端的位置识别所述待识别物体的形状；

其中，所述被动式触须传感器包括左侧悬梁臂、右侧悬梁臂、中心连接块以及触须；所述左侧悬梁臂和所述右侧悬梁臂分别设置在所述中心连接块的左侧和右侧，所述触须设置在所述中心连接块上；所述左侧悬梁臂上设置有第一压敏电阻和第二压敏电阻，所述右侧悬梁臂上设置有第三压敏电阻和第四压敏电阻；

所述触须末端的位置的计算公式如下：

其中，x表示触须末端位置的x坐标，y表示触须末端位置的y坐标，θ_b为接触表面切线与X轴方向的夹角，F表示被动式触须传感器触碰到待识别物体时受到的合力，θ表示触须的截面转角，θ_d′表示合力F与X轴的夹角，E表示触须的弹性模量，I表示触须横截面对中心轴的惯性矩。

2.根据权利要求1所述的基于被动式触须传感器的形状识别方法，其特征在于，所述被动式触须传感器的输出电压的计算公式如下：

其中，Vout表示被动式触须传感器的输出电压，Vcc表示供电电压，R₁、R₂、R₃、R₄表示四个压敏电阻的阻值，M表示触须根部对中心块施加的弯矩，w表示悬梁臂的抗弯界面模量，k′表示系数，σ₂表示第二压敏电阻的所受应力，σ₃表示第三压敏电阻的所受应力。

3.根据权利要求1所述的基于被动式触须传感器的形状识别方法，其特征在于，所述根据所述触须末端的位置识别所述待识别物体的形状，具体包括：

将所述触须末端的位置连接起来复现所述待识别物体的表面形状。

4.一种基于被动式触须传感器的形状识别系统，其特征在于，包括：

输出电压确定模块，用于确定被动式触须传感器的输出电压；

合力计算模块，用于基于所述输出电压计算所述被动式触须传感器触碰到待识别物体时受到的合力；

夹角计算模块，用于根据所述合力计算接触面切线与X轴方向的夹角；所述接触面切线为所述被动式触须传感器与所述待识别物体接触面的切线；

末端位置计算模块，用于根据所述夹角计算所述被动式触须传感器的触须末端的位置；

识别模块，用于根据所述触须末端的位置识别所述待识别物体的形状；

其中，所述被动式触须传感器包括左侧悬梁臂、右侧悬梁臂、中心连接块以及触须；所述左侧悬梁臂和所述右侧悬梁臂分别设置在所述中心连接块的左侧和右侧，所述触须设置在所述中心连接块上；所述左侧悬梁臂上设置有第一压敏电阻和第二压敏电阻，所述右侧悬梁臂上设置有第三压敏电阻和第四压敏电阻；

所述触须末端的位置的计算公式如下：

其中，x表示触须末端位置的x坐标，y表示触须末端位置的y坐标，θ_b为接触表面切线与X轴方向的夹角，F表示被动式触须传感器触碰到待识别物体时受到的合力，θ表示触须的截面转角，θ_d′表示合力F与X轴的夹角，E表示触须的弹性模量，I表示触须横截面对中心轴的惯性矩。

5.根据权利要求4所述的基于被动式触须传感器的形状识别系统，其特征在于，所述被动式触须传感器的输出电压的计算公式如下：

其中，Vout表示被动式触须传感器的输出电压，Vcc表示供电电压，R₁、R₂、R₃、R₄表示四个压敏电阻的阻值，M表示触须根部对中心块施加的弯矩，w表示悬梁臂的抗弯界面模量，k′表示系数，σ₂表示第二压敏电阻的所受应力，σ₃表示第三压敏电阻的所受应力。

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