CN113310607B - 一种柔性触觉传感阵列、制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性触觉传感阵列、制备方法及其应用，所述制备方法包括：将纳米碳黑、热塑性聚氨酯橡胶、NaCl粉末混合均匀得到导电粉末；将导电粉末置于模板中加热，使得该导电粉末由粉末状变为胶状，并在室温下冷却得到具有弹性的胶状薄膜；将所述胶状薄膜放入去离子水中浸泡，使得胶状薄膜中NaCl溶解在去离子水中，得到具有多孔结构的压阻薄膜，该压阻薄膜包括热塑性聚氨酯橡胶骨架和分散于该骨架内部及表面的纳米碳黑；将该压阻薄膜作为压阻敏感层，在该压阻敏感层上下表面设置柔性导电层后封装，得到所述柔性触觉传感阵列。本发明解决了传感器敏感性低、压阻性能差；仅基于单一的指标判断目标物体状态，准确性和可靠性差的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于触觉传感器技术领域，更具体地，涉及一种柔性触觉传感阵列、制备方法及其应用。
背景技术
智能机器人技术是当今发展最引人注目的高新技术之一，其基于计算机视觉、自然语言处理、深度学习等技术将多种传感器得到的信息进行融合，能够有效的适应变化的环境，具有很强的自适应、学习和自我决策能力。智能机器人已经逐步走入我们的日常生活，在工业、医疗、服务、物流等领域有着广泛的应用前景，用以代替人类执行各种任务。抓取物体是常见的智能机器人执行任务类型，保持抓取地稳定性非常重要。当机器人抓取物体时，如果抓取力过小，就会导致物体滑动甚至掉落；如果抓取力过大，则有可能导致物体损坏；此外在抓取过程中机器人的外部环境可能发生变化，这就要求机器人能够实时检测目标物体的状态，并根据环境的变化调整抓取力的大小。
触觉传感器因其柔性、易于贴合不规则表面，而在智能机器人领域显示出广阔的应用前景，其能够检测传感器与环境直接接触时的外部环境参数，如法向力、剪切力、滑动、拉伸应变、振动、硬度、纹理等物理参数，从而反应外部环境的状况，进而实现显示、传输和控制。研究具有高精度、高分辨率、高速响应且能够任意分布的柔性触觉传感器，是智能机器人研究的关键部分。触觉传感器帮助机器人实现类似于人类皮肤的触觉功能，且具有与人的皮肤相似的物理特性，可以覆盖在任意载体表面测量受力信息，从而感知目标对象的性质特征。
一方面，现有的电容式传感器存在难以阵列化，相邻电容传感单元会互相影响，存在导线寄生电容等问题；压电式传感器存在响应小，需外接放大电路的问题；光学式传感器则存在光路及采集电路复杂，整体体积庞大等的问题，而压阻薄膜式传感器制备原料价格低，工艺简单，使用等电势法进行数据采集时接线复杂度低，适合作为触觉传感器。但目前的压阻薄膜式传感器存在敏感性低、压阻性能差的问题。
另一方面，为了实现智能机器人抓取稳定，科研人员提出了基于柔性触觉传感器的滑移检测方法，通过将传感器贴附于机器人上与抓取物体直接接触来检测目标物体状态。目前，用于判断物体状态的方法主要有阈值机制和摩擦系数等。然而上述检测方法或是基于触觉传感器的复杂结构，或是基于多次实验的经验数据，滑移检测指标没有突出的显著性，且仅基于单一的指标判断目标物体状态，准确性和可靠性差，这导致难以实现在更多场景的广泛应用。因此，为了解决上述技术问题，亟需提出一种合理的技术方案。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种柔性触觉传感阵列、制备方法及其应用，其目的在于通过得到具有多孔结构的压阻薄膜，形成新的导电通路以及微孔变形使得孔壁接触处出现新的导电通路，使得传感器对压力更加敏感，具有更快响应。并通过同时利用两个判断指标对滑移检测进行判断，由此解决传感器敏感性低、压阻性能差；仅基于单一的指标判断目标物体状态，准确性和可靠性差的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种柔性触觉传感阵列的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纳米碳黑、热塑性聚氨酯橡胶、NaCl粉末混合均匀得到导电粉末；
(2)将导电粉末置于模板中加热，使得该导电粉末由粉末状变为胶状，并在室温下冷却得到具有弹性的胶状薄膜；
(3)将所述胶状薄膜放入去离子水中浸泡，使得胶状薄膜中NaCl溶解在去离子水中，得到具有多孔结构的压阻薄膜，该压阻薄膜包括热塑性聚氨酯橡胶骨架和分散于该骨架内部及表面的纳米碳黑；
(4)将该压阻薄膜作为压阻敏感层，在该压阻敏感层上下表面设置柔性导电层后封装，得到所述柔性触觉传感阵列。
优选地，所述纳米炭黑的平均粒径小于20nm，所述NaCl粉末的平均粒径小于100μm。
优选地，所述纳米碳黑、热塑性聚氨酯橡胶、NaCl粉末的质量比为(0.02-0.4):1:1。
优选地，步骤(2)中加热具体为在温度80-100℃下加热1-2小时，步骤(3)中浸泡具体为在150-250ml去离子水中浸1-2小时。
优选地，所述压阻薄膜的厚度为0.6-0.8mm；所述柔性导电层为交叉排列的2×N根柔性导线，柔性导线为银纤维与锦纶的复合导线，所述柔性导线的直径为0.02-0.05mm；所述封装具体为将3M双面胶和聚乙烯薄膜依次贴附于柔性导电层上得到封装层，该封装层厚度为0.13-0.18mm，所述柔性触觉传感阵列的厚度为0.8-1.0mm。
按照本发明的另一个方面，提供了一种通过所述制备方法制备得到的柔性触觉传感阵列，所述柔性触觉传感阵列包括多个触觉传感单元，所述触觉传感单元为柔性导线间交叉点的区域。
按照本发明的又一个方面，提供了一种所述柔性触觉传感阵列的应用，将其应用于机器人操作的滑移检测，该应用包括下列步骤：
(1)采集柔性触觉传感阵列中每个触觉传感单元的电压信号，将所述电压信号转换为与其相对应的压力，对所述压力进行一维离散小波变换处理，得到高频细节数据；
(2)将所述高频细节数据进行平方计算处理，得到局部振动剧烈程度值；
(3)将所述每个触觉传感单元的压力占总压力的比值作为元素构成压力分布向量，并对相邻采集时刻的压力分布向量进行相关系数计算处理，得到压力分布向量相关系数，用1减去压力分布向量相关系数得到的值作为压力分布变化程度值；
(4)重复步骤(1)-(3)，得到相邻时间段的局部振动剧烈程度值之比RatioDW、相邻时间段的压力分布变化程度值之比Ratiocoe，判断RatioDW是否大于一阈值，或Ratiocoe是否大于另一阈值，若是，检测结果为出现滑移。
优选地，所述步骤(1)包括下列子步骤：
(101)采集柔性触觉传感阵列中每个触觉传感单元的电压信号，将所述电压信号转换为与其相对应的压力，以柔性触觉传感阵列为平面建立二维坐标系，该二维坐标系中左下角触觉传感单元坐标为(1，1)，右上角触觉传感单元坐标为(N，N)；利用所述压力通过下式计算得到压力中心坐标(Xc,Yc)，
其中，Fi为每个触觉传感单元所受的压力，Fc为柔性触觉传感阵列所受的总压力；
(102)将压力中心坐标变换为一维数据得到压力中心值序列，对该压力中心值序列进行一维离散小波变换处理得到高频细节Dw1，H[n]，具体地，
其中，Center为压力中心值序列，h(a)为db小波分解的高通滤波器，K为滤波器长度，N为进行分解的数据总长度，所述一维离散小波变换对Center序列与滤波器h(a)做卷积并隔点取样，化简后得到Center[2n-a]为Center序列隔点取出的元素值；
所述步骤(2)中，所述局部振动剧烈程度值为：
Vcenter[n]＝Dw1，H[n]2。
优选地，所述步骤(3)中所述压力分布向量相关系数coe[n]通过下式计算得到：
其中，Fdis，0(i，1)为前一采集时刻的压力分布向量中的第i个元素，Fi，0为前一时刻第i个触觉传感单元所受的压力，FC0为前一时刻柔性触觉传感阵列所受的总压力，Fdis，1(i，1)为当前时刻的压力分布向量中的第i个元素,Fi，1为当前时刻第i个触觉传感单元所受的力，FC1为当前时刻柔性触觉传感阵列所受的总压力,Fdis，0为前一采集时刻的压力分布向量，Fdis，1为当前时刻的压力分布向量，coe[n]为压力分布向量相关系数，Cov为相邻采集时刻的压力分布向量的协方差，Var为相邻采集时刻的压力分布向量的方差；
所述压力分布变化程度值为：
Vdistribution[n]＝1-coe[n]。
优选地，所述步骤(4)包括下列子步骤：
(401)重复步骤(1)-(3)，得到在第一预设时间段内的多个局部振动剧烈程度值和多个压力分布变化程度值，将该多个局部振动剧烈程度值相加得到第一局部振动剧烈程度值，并将该多个压力分布变化程度值相加得到第一压力分布变化程度值；
(402)重复步骤(1)-(3)，得到与所述第一预设时间段相邻的第二预设时间段内的多个所述局部振动剧烈程度值和多个压力分布变化程度值，将该多个局部振动剧烈程度值相加得到第二局部振动剧烈程度值，并将该多个压力分布变化程度值相加得到第二压力分布变化程度值；
(403)将第二局部振动剧烈程度值与第一局部振动剧烈程度值相除得到RatioDW，将第二压力分布变化程度值与第一压力分布变化程度值相除得到Ratiocoe，将RatioDW和Ratiocoe平移到以柔性触觉传感阵列为平面建立的二维坐标系中的0轴后进行平方处理，具体地，RDw＝(RatioDw-1)2，Rcoe＝(Ratiocoe-1)2；
(404)判断RDw是否大于一阈值，或Rcoe是否大于另一阈值，若是，检测结果为出现滑移。本发明中所述一阈值和所述另一阈值可以均设置为2。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果。
(1)本发明提供的制备方法制备得到的柔性触觉传感阵列，通过将胶状薄膜进行浸泡得到多孔结构的压阻薄膜，该压阻薄膜包括热塑性聚氨酯橡胶骨架和位于该骨架内部的纳米碳黑。由于热塑性聚氨酯橡胶TPU是一种具有良好弹性的橡胶，其内部多孔形成后，在外部压力不过大的情况下可以轻易恢复；在多孔聚合物受压时，热塑性聚氨酯橡胶TPU变形导致多孔的骨架内部纳米碳黑CB颗粒形成新的导电通路以及微孔变形使得孔壁接触处出现新的导电通路，比原有的无多孔结构的导电聚合物多了一种导电通路形成方式，对压力更加敏感，具有更快响应。压阻敏感层自身具有复杂的微孔结构，能够提升传感器的压阻性能，从而使得柔性触觉传感阵列的动态响应速度快，迟滞小。
本发明提供的柔性触觉传感阵列的应用，在应用于机器人操作的滑移检测时，其方法数据处理过程简单，能够实现在线检测实时监测目标物体的状态，采用同时对两个指标进行判断，这两个指标即为相邻时间段的压力分布变化程度值之比和相邻时间段的局部振动剧烈程度值之比，提高了判断的准确性和可靠性，也进一步使得柔性触觉传感阵列在机器人操作的滑移检测时更为灵敏，为其能在更多场景的广泛应用上提供了保障。
(2)本发明中柔性触觉传感阵列通过改变纳米碳黑CB、热塑性聚氨酯橡胶TPU、NaCl的质量比，即可调节传感器的压阻性能。这是由于NaCl与TPU的质量比会影响内部多孔的产生，进而影响微孔的大小与分布密度，同时由于多孔引起的薄膜内部表面积增大，对CB需求量也增大；在CB的质量相对于TPU的质量而言逐渐增大的过程中，首先在未受力时测量电导率会出现该数值出现“基本为0-迅速上升-缓慢上升”的现象，引入NaCl后，CB需处于较高含量才可以保证有较高的传感灵敏度，但若CB含量过高则由于电导率过大，电阻无论受压力与否均比较低，若CB含量过低则由于CB含量不足导致灵敏度也不高。当NaCl所占质量比例较小时，在制备后无法使TPU内产生足够微孔，故优选地使NaCl与TPU粉末质量比为1:1，使得二者粉末体积相近，在混合后NaCl粉末均匀分散在TPU粉末中，热融并冷却后得到的薄膜中具有显著的多孔结构。由于NaCl的加入使得聚合物内部富含孔，内部表面积大大增加，为使薄膜在按压时出现比较明显的电阻变化，须使孔洞表面存在足够多的CB微粒，这就要求CB含量需要满足一定的条件。因此，本发明中优选地采用纳米碳黑、热塑性聚氨酯橡胶、NaCl粉末的质量比为(0.02-0.4):1:1。从而能够实现得到最佳的压阻性能，保证高的传感灵敏度。
(3)本发明提供的制备方法通过将纳米碳黑、热塑性聚氨酯橡胶、NaCl粉末混合后热融，制备过程简单易重复，可靠性高，多次制备所得样品性能差异小。本发明的制备方法所获得的柔性触觉传感阵列，易于扩展，能够根据实际使用需求将压阻敏感层切割成任意形状，且可以通过改变柔性导线层中柔性导线的数量，达到调节传感器阵列空间分辨率的作用。
(4)本发明的制备方法所获得的柔性触觉传感阵列，传感单元电阻较大，因而实际工作工程中产生的热量极少，且其在较低的工作电压(3.3V)就能稳定工作。本发明提供的柔性触觉传感阵列经测试，传感单元的电阻值在受压过程中在几百欧至上千欧范围内变化，工作电压(3.3V)下电流极小，热功率很低；电阻值测试通过电阻分压电路进行计算，根据欧姆定律选取合适的电阻，可以使测试时电压变化范围较大，不需要很高的电压对传感单元进行驱动。
(5)本发明的制备方法中所采用的材料譬如CB、TPU和NaCl等均无毒无害，既避免了对环境的污染，又保证了生产人员和使用者的安全。
(6)本发明的滑移检测方法数据处理过程简单，能够实现在线检测实时监测目标物体的状态。该检测方法无需构建数据训练集、训练模型等；以数据变化幅值的比值形式代替单纯的对幅值判断，对于嘈杂抓握场景有一定适应能力；另外该检测方法的计算复杂度低，提升采集效率则可降低检测时间间隔。
(7)本发明中采用将RatioDW和Ratiocoe平移到以柔性触觉传感阵列为平面建立的二维坐标系中的0轴后进行平方处理，这一步骤进一步优化了下列三种场景：在平稳抓握场景中，比值接近于1；在滑移后场景中，由于滑移后数值小，比值接近于0；在力改变而不发生滑移时，由于数据整体存在一定不稳定性，比值依然接近于1。在这三类场景中比值计算基本维持在(0～1)附近，做减一平方运算以后，主要放大滑移部分的比值，而消去不相干场景影响。
(8)本发明的滑移检测方法中区分目标物体稳定、滑移状态的特征指标显著，因而能够极早地检测目标物体状态的改变，实现滑移检测功能。本发明的滑移检测方法不局限于本发明的柔性触觉传感阵列，其他的基于电容、压电、应变原理的柔性触觉传感器阵列均可应用所述方法实现机器人操作滑移检测，即可以在其他阵列式压力传感器直接应用，这是因为本方法虽然主要对阵列式压力数据进行处理，但同样地可以对任何阵列式数据均相应地确定其相应阈值。
附图说明
图1是本发明一实施例中所制备的一种柔性触觉传感阵列的形状示意图；
图2中(a)-(f)是本发明一实施例中所提出的一种柔性触觉传感阵列的制备方法的流程图；
图3是本发明一实施例中所提出的一种应用于机器人操作的滑移检测方法的方法流程图；
图4是本发明一实施例中所应用的贴附柔性触觉传感阵列的机械手；
图5是本发明一实施例中对按照实施例2-7提供的方法制备得到的柔性触觉传感阵列进行电阻值测试的电阻-压力图。
图中附图标记为：
101-导电粉末、102-富有弹性的胶状薄膜、103-具有多孔结构的压阻薄膜、104-压阻敏感层、105-柔性导线层、106-柔性封装层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
本发明提供了一种柔性触觉传感阵列的制备方法，参照图2中的(a)～(f)所示，包括以下步骤：
(1)如图2中(a)所示，将NaCl颗粒置于研钵中研磨至小于100μm，然后按照1：5：5的质量比，依次取出1.6gCB、8gTPU、8gNaCl置于试管中，将试管放置在高速震荡器上以最高功率持续震荡5分钟使得粉末混合均匀，以此方式，获得CB、TPU、NaCl充分混合的导电粉末201。
(2)如图2中(b)所示，将导电粉末201置于亚克力模板中，通过先加热后冷却，制备富有弹性的胶状薄膜202。具体而言，首先依次采用丙酮、异丙醇和去离子水清洗玻璃片，并均匀喷洒RD-518氟素高效脱模剂于其表面，然后将玻璃片置于90℃烘箱中加热5分钟，获得表面平整光滑的硬质基底；然后使用激光切割机切割1mm厚的亚克力板，获得大小为60mm*60mm*1mm的亚克力模板，并将其放置在硬质基底的中心；然后将导电粉末201均匀的放置在亚克力模板中，并置于90℃烘箱中加热1小时，导电粉末201由粉末状变为胶状；然后取出模板并将其置于室温下冷却，直至胶状薄膜富有弹性，以此方式，获得富有弹性的胶状薄膜202。
(3)如图2中(c)所示，将富有弹性的胶状薄膜202浸泡在去离子水中2小时，使得NaCl粉末充分溶解在去离子水中，以此方式，获得具有多孔结构的压阻薄膜203。其中，所述压阻薄膜203的成分为CB和TPU，两者构成复杂的导电网络，其厚度为0.5mm。
(4)如图2中(d)所示，根据实际使用需求，将具有多孔结构的压阻薄膜203切割成所需形状，以此方式，获得具有特定形状的压阻敏感层204。其中，所述压阻敏感层的大小为30mm*30mm*0.5mm。
(5)如图2中(e)所示，将交叉排列的2*5根柔性导线放置在压阻敏感层204上下表面，从而得到具有导电功能的柔性导线层205。其中，所述柔性导线的材料为银纤维导电线与锦纶复合材料，直径为0.02mm，相邻柔性导线的间距为6mm；此时压阻敏感层204与柔性导线层205共同构成柔性触觉传感阵列的核心传感部分。
(6)如图2中(f)所示，将3M双面胶(468MP)和聚乙烯薄膜依次贴附于柔性导线层205表面，其构成柔性封装层206，从而制备得到所需的柔性触觉传感阵列，其结构参见图1。其中，所述柔性封装层206的厚度为0.13mm，所述柔性触觉传感阵列的厚度为0.8mm。
实施例2-7
实施例2-7按照实施例1中相同的方式制备柔性触觉传感阵列，不同之处在于，与实施例1的不同之处在于，纳米碳黑、热塑性聚氨酯橡胶、NaCl粉末的质量比不同，具体参见下表1。
表1 CB、TPU、NaCl的质量比表
| CB、TPU、NaCl的质量比 | |
| 实施例2 | 0.05:1:1 |
| 实施例3 | 0.1:1:1 |
| 实施例4 | 0.2:1:1 |
| 实施例5 | 0.3:1:1 |
| 实施例6 | 0.02:1:1 |
| 实施例7 | 0.4:1:1 |
对按照实施例2-7提供的方法制备得到的柔性触觉传感阵列进行电阻值测试，参见图5，可以看出，在CB的质量相对于TPU的质量而言逐渐增大的过程中，传感单元的电阻值逐渐减小，在0-5N的压力范围内，传感单元的灵敏度呈先增大后减小的趋势，并在CB:TPU:NaCl＝0.3:1:1时，传感单元的灵敏度达到最大值。
实施例8
本实施例提供一种所述柔性触觉传感阵列的应用，将其应用于机器人操作的滑移检测。参见图3，该检测包括下列步骤：
(1)采集柔性触觉传感阵列中每个触觉传感单元的电压信号，将所述电压信号转换为与其相对应的压力，对所述压力进行一维离散小波变换处理，得到高频细节数据。
具体地，所述步骤(1)包括下列子步骤：
(101)采集柔性触觉传感阵列中每个触觉传感单元的电压信号，将所述电压信号转换为与其相对应的压力，以柔性触觉传感阵列为平面建立二维坐标系，该二维坐标系中左下角触觉传感单元坐标为(1，1)，右上角触觉传感单元坐标为(N，N)；利用所述压力通过下式计算得到压力中心坐标(Xc,Yc)，
其中，Fi为每个触觉传感单元所受的压力，Fc为柔性触觉传感阵列所受的总压力；
本实施例中，采用4个相同的柔性触觉传感阵列，该柔性触觉传感阵列具有1×5个触觉传感单元，大小为6mm*30mm；将柔性触觉传感阵列依次贴附于五指机械手(RH56DF3-1R)的指尖(除大拇指)，参照图4(图中所示仅为一种较佳的传感器布局，其他布局方式均可适用下述方法)，并通过串口控制机械手抓取物体；此时传感阵列与目标物体发生接触，受力发生变形，进而引起压阻敏感层电阻值发生变化，实现压阻传感。基于串联电阻分压原理通过STM32F407ZGT6开发板实时采集柔性触觉传感阵列中每一个触觉传感单元的电压大小，并传输到控制器中进行数据处理。其中，所述串联电阻的阻值为10kΩ，所述STM32F407ZGT6开发板的采样频率为60Hz。
将指尖的柔性触觉传感阵列组合为一个虚拟的4×5柔性触觉传感阵列，建立二维坐标系：柔性触觉传感阵列为平面结构，左下角传感单元坐标为(1，1)，右上角传感单元坐标为(4，5)；所述压力中心坐标的计算方法如下，其中Center值用于一维离散小波变换：
(102)将压力中心坐标变换为一维数据得到压力中心值序列，对该压力中心值序列进行一维离散小波变换处理得到高频细节Dw1，H[n]，具体地，
其中，Center为压力中心值序列，h(a)为db小波分解的高通滤波器，K为滤波器长度，N为进行分解的数据总长度，所述一维离散小波变换对Center序列与滤波器h(a)做卷积并隔点取样，化简后得到Center[2n-a]为Center序列隔点取出的元素值。
(2)将所述高频细节数据进行平方计算处理，得到局部振动剧烈程度值；其中，所述局部振动剧烈程度值为：
Vcenter[n]＝Dw1，H[n]2。
(3)将所述每个触觉传感单元的压力占总压力的比值作为元素构成压力分布向量，并对相邻采集时刻的压力分布向量进行相关系数计算处理，得到压力分布向量相关系数，用1减去压力分布向量相关系数得到的值作为压力分布变化程度值；
所述步骤(3)中所述压力分布向量相关系数coe[n]通过下式计算得到：
其中，Fdis，0(i，1)为前一采集时刻的压力分布向量中的第i个元素，Fi，0为前一时刻第i个触觉传感单元所受的压力，FC0为前一时刻柔性触觉传感阵列所受的总压力，Fdis，1(i，1)为当前时刻的压力分布向量中的第i个元素,Fi，1为当前时刻第i个触觉传感单元所受的力，FC1为当前时刻柔性触觉传感阵列所受的总压力,Fdis，0为前一采集时刻的压力分布向量，Fdis，1为当前时刻的压力分布向量，coe[n]为压力分布向量相关系数，Cov为相邻采集时刻的压力分布向量的协方差，Var为相邻采集时刻的压力分布向量的方差；
本实施例中压力分布向量指的是该时刻每一个触觉单元所受压力占合力的比值作为元素构成的向量，其维度为20×1。
所述压力分布变化程度值为：
Vdistribution[n]＝1-coe[n]。
(4)重复步骤(1)-(3)，得到相邻时间段的局部振动剧烈程度值之比RatioDW、相邻时间段的压力分布变化程度值之比Ratiocoe，判断RatioDW是否大于一阈值，或Ratiocoe是否大于另一阈值，若是，检测结果为出现滑移。
具体地，所述步骤(4)包括下列子步骤：
(401)重复步骤(1)-(3)，得到在第一预设时间段内的多个局部振动剧烈程度值和多个压力分布变化程度值，将该多个局部振动剧烈程度值相加得到第一局部振动剧烈程度值，并将该多个压力分布变化程度值相加得到第一压力分布变化程度值；
(402)重复步骤(1)-(3)，得到与所述第一预设时间段相邻的第二预设时间段内的多个所述局部振动剧烈程度值和多个压力分布变化程度值，将该多个局部振动剧烈程度值相加得到第二局部振动剧烈程度值，并将该多个压力分布变化程度值相加得到第二压力分布变化程度值；
(403)将第二局部振动剧烈程度值与第一局部振动剧烈程度值相除得到RatioDW，将第二压力分布变化程度值与第一压力分布变化程度值相除得到Ratiocoe，将RatioDW和Ratiocoe平移到以柔性触觉传感阵列为平面建立的二维坐标系中的0轴后进行平方处理，
具体地：
Sum1，Dw＝∑VCenter[n]，Sum1，coe＝∑(1-coe[n])；
RDw＝(RatioDw-1)2，Rcoe＝(Ratiocoe-1)2。
(404)判断RDw是否大于一阈值，或Rcoe是否大于另一阈值，若是，检测结果为出现滑移。
本实施例中，所述第一预设时间段和第二预设时间段的时长为400ms；将局部振动剧烈程度指标的相对变化与压力分布变化程度指标的相对变化作为滑移检测方法的最终指标，目标物体状态稳定时RDw与Rcoe均接近零，目标物体发生滑移时RDw与Rcoe则会跃升到一个较大的幅值(超过2)。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种柔性触觉传感阵列的应用，其特征在于，将其应用于机器人操作的滑移检测，该应用包括下列步骤：
(1)采集柔性触觉传感阵列中每个触觉传感单元的电压信号，将所述电压信号转换为与其相对应的压力，对所述压力进行一维离散小波变换处理，得到高频细节数据；其中，所述柔性触觉传感阵列包括多个触觉传感单元，所述触觉传感单元为柔性导线间交叉点的区域；
(2)将所述高频细节数据进行平方计算处理，得到局部振动剧烈程度值；
(3)将所述每个触觉传感单元的压力占总压力的比值作为元素构成压力分布向量，并对相邻采集时刻的压力分布向量进行相关系数计算处理，得到压力分布向量相关系数，用1减去压力分布向量相关系数得到的值作为压力分布变化程度值；
(4)重复步骤(1)-(3)，得到相邻时间段的局部振动剧烈程度值之比RatioDW、相邻时间段的压力分布变化程度值之比Ratiocoe，判断RatioDW是否大于一阈值，或Ratiocoe是否大于另一阈值，若是，检测结果为出现滑移；
所述步骤(1)包括下列子步骤：
(101)采集柔性触觉传感阵列中每个触觉传感单元的电压信号，将所述电压信号转换为与其相对应的压力，以柔性触觉传感阵列为平面建立二维坐标系，该二维坐标系中左下角触觉传感单元坐标为(1，1)，右上角触觉传感单元坐标为(N，N)；利用所述压力通过下式计算得到压力中心坐标(Xc,Yc)，
其中，Fi为每个触觉传感单元所受的压力，Fc为柔性触觉传感阵列所受的总压力；
(102)将压力中心坐标变换为一维数据得到压力中心值序列，对该压力中心值序列进行一维离散小波变换处理得到高频细节Dw1，H[n]，具体地，
其中，Center为压力中心值序列，h(a)为db小波分解的高通滤波器，K为滤波器长度，N为进行分解的数据总长度，所述一维离散小波变换对Center序列与滤波器h(a)做卷积并隔点取样，化简后得到Center[2n-a]为Center序列隔点取出的元素值；
所述步骤(2)中，所述局部振动剧烈程度值为：
Vcenter[n]＝Dw1，H[n]2；所述步骤(3)中所述压力分布向量相关系数
coe[n]通过下式计算得到：
其中，Fdis，0(i，1)为前一采集时刻的压力分布向量中的第i个元素，Fi,0为前一时刻第i个触觉传感单元所受的压力，FC0为前一时刻柔性触觉传感阵列所受的总压力，Fdis，1(i，1)为当前时刻的压力分布向量中的第i个元素,Fi，1为当前时刻第i个触觉传感单元所受的力，FC1为当前时刻柔性触觉传感阵列所受的总压力,Fdis，0为前一采集时刻的压力分布向量，Fdis，1为当前时刻的压力分布向量，coe[n]为压力分布向量相关系数，Cov为相邻采集时刻的压力分布向量的协方差，Var为相邻采集时刻的压力分布向量的方差；
所述压力分布变化程度值为：
Vdistribution[n]＝1-coe[n]。
2.如权利要求1所述柔性触觉传感阵列的应用，其特征在于，所述步骤(4)包括下列子步骤：
(401)重复步骤(1)-(3)，得到在第一预设时间段内的多个局部振动剧烈程度值和多个压力分布变化程度值，将该多个局部振动剧烈程度值相加得到第一局部振动剧烈程度值，并将该多个压力分布变化程度值相加得到第一压力分布变化程度值；
(402)重复步骤(1)-(3)，得到与所述第一预设时间段相邻的第二预设时间段内的多个所述局部振动剧烈程度值和多个压力分布变化程度值，将该多个局部振动剧烈程度值相加得到第二局部振动剧烈程度值，并将该多个压力分布变化程度值相加得到第二压力分布变化程度值；
(403)将第二局部振动剧烈程度值与第一局部振动剧烈程度值相除得到RatioDW，将第二压力分布变化程度值与第一压力分布变化程度值相除得到Ratiocoe，将RatioDW和Ratiocoe平移到以柔性触觉传感阵列为平面建立的二维坐标系中的0轴后进行平方处理，具体地，RDw＝(RatioDw-1)2，Rcoe＝(Ratiocoe-1)2；
(404)判断RDw是否大于一阈值，或Rcoe是否大于另一阈值，若是，检测结果为出现滑移。
3.如权利要求1所述柔性触觉传感阵列的应用，其特征在于，所述触觉传感单元通过下列制备方法制备得到：
(S1)将纳米碳黑、热塑性聚氨酯橡胶、NaCl粉末混合均匀得到导电粉末；
(S2)将导电粉末置于模板中加热，使得该导电粉末由粉末状变为胶状，并在室温下冷却得到具有弹性的胶状薄膜；
(S3)将所述胶状薄膜放入去离子水中浸泡，使得胶状薄膜中NaCl溶解在去离子水中，得到具有多孔结构的压阻薄膜，该压阻薄膜包括热塑性聚氨酯橡胶骨架和分散于该骨架内部及表面的纳米碳黑；
(S4)将该压阻薄膜作为压阻敏感层，在该压阻敏感层上下表面设置柔性导电层后封装，得到所述柔性触觉传感阵列。
4.如权利要求3所述柔性触觉传感阵列的应用，其特征在于，所述纳米碳黑的平均粒径小于20nm，所述NaCl粉末的平均粒径小于100μm。
5.如权利要求3所述柔性触觉传感阵列的应用，其特征在于，所述纳米碳黑、热塑性聚氨酯橡胶、NaCl粉末的质量比为(0.02-0.4):1:1。
6.如权利要求3所述柔性触觉传感阵列的应用，其特征在于，步骤(S2)中加热具体为在温度80-100℃下加热1-2小时，步骤(S3)中浸泡具体为在150-250ml去离子水中浸1-2小时。
7.如权利要求3所述柔性触觉传感阵列的应用，其特征在于，所述压阻薄膜的厚度为0.6-0.8mm；所述柔性导电层为交叉排列的2×N根柔性导线，柔性导线为银纤维与锦纶的复合导线，所述柔性导线的直径为0.02-0.05mm；所述封装具体为将3M双面胶和聚乙烯薄膜依次贴附于柔性导电层上得到封装层，该封装层厚度为0.13-0.18mm，所述柔性触觉传感阵列的厚度为0.8-1.0mm。
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