CN113916420A - 一种阵列式触觉传感器的数据采集和分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阵列式触觉传感器的数据采集和分析方法，包括：同时向多路激励信号输入点施加m种不同频率的周期性激励信号；获取n个响应信号输出点上感应到的混合信号，所述混合信号为m种不同频率的激励信号经过所述离子介质耦合后在响应信号输出点上得到的信号；对响应信号输出点上获取的混合信号进行分析，得到m个不同频率的激励信号对n个响应信号输出点的影响信息，完成一次对触觉传感器数据的采集和分析。本发明在不减少获取的触觉数据量的前提下，可以成倍减少信号采集次数，提高触觉数据采集效率。
Description
技术领域
本申请属于触觉传感器技术领域，具体涉及一种阵列式触觉传感器的数据采集和分析方法。
背景技术
随着社会生活的进步，机器人与人之间的接触越来越密切，赋予机器人相应的视觉、触觉对实现机器人与人的协作有重要的意义。触觉传感器是用于机器人模仿触觉功能的传感器，它通过与测量对象直接接触的方式获取对象的特征，对于机器人理解周围环境和完成特定任务提供了极其重要的信息。
现有的触觉传感器大多数为阵列式触觉传感器，典型的压阻式阵列触觉传感器如图1所示，m条列信号线和n条行信号线通过阻抗介质耦合组成一个m*n的阵列，电容式阵列传感器也有类似的结构。当触觉传感器接触到被测对象时，介质因为形变而发生阻抗改变，获取阻抗的改变信息就相当于获取了触觉信息。在获取触觉信号时，现有的触觉传感器多采用相同的激励信号，一般为直流信号、方波信号或正弦信号，采用逐列扫描逐行读取的形式，即利用多路开关将信号源S产生的激励信号通过信号输入点分时接入阵列的m条列信号线C1～Cm，通过依次测量n条行信号线R1～Rn上输出的响应信号大小来获取阻抗变化信息，也就是触觉信息。因此，要完成整个阵列数据的获取需要进行m*n次测量，数据采集效率较低。
发明内容
本申请的目的在于提供一种阵列式触觉传感器的数据采集和分析方法，提高数据采集效率。
为实现上述目的，本申请所采取的技术方案为：
一种阵列式触觉传感器的数据采集和分析方法，所述阵列式触觉传感器包括多路激励信号输入点、多路响应信号输出点以及填充在所述激励信号输入点和响应信号输出点之间的离子介质；所述激励信号输入点有m个，且m>1；所述响应信号输出点有n个，且n>1；所述离子介质用于使激励信号输入点与响应信号输出点之间实现耦合；所述阵列式触觉传感器的数据采集和分析方法，包括：
同时向多路激励信号输入点施加m种不同频率的周期性激励信号；
获取n个响应信号输出点上感应到的混合信号，所述混合信号为m种不同频率的激励信号经过所述离子介质耦合后在响应信号输出点上得到的信号；
对响应信号输出点上获取的混合信号进行分析，得到m个不同频率的激励信号对n个响应信号输出点的影响信息，完成一次对触觉传感器数据的采集和分析，即实现了一个m*n传感器阵列的数据采集和分析。
以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。
作为优选，所述对响应信号输出点上获取的混合信号进行分析，包括：
若触觉传感器频率特性不随时间变化，则混合信号为平稳信号，采用离散傅里叶变换对混合信号进行分析，得到每个激励信号输入点对各行响应信号输出点的影响信息；若触觉传感器频率特性随时间变化，则混合信号为非平稳信号，采用时频分析方法对混合信号进行分析，得到每个激励信号输入点对各行响应信号输出点的影响随着时间变化的信息。
作为优选，所述离子介质为液态材料或具有固有弹性的固态介质材料。
作为优选，所述离子介质为水系电解液或有机电解液。
作为优选，所述获取n个响应信号输出点上感应到的混合信号，包括：
各响应信号输出点分别与单片机的不同引脚连接，由单片机获取每个响应信号输出点上产生的混合信号。
作为优选，所述激励信号输入点和响应信号输出点均采用电极。
本申请提供的阵列式触觉传感器的数据采集和分析方法，采用多频率信号多点同时激励的方式，实现了对触觉信息的高效数据采集。本申请的激励信号采用多种不同频率的信号，经过离子介质之后，响应信号输出点采集到的信号为多种频率混合的信号，信号的频率组成变化反映出不同激励信号与响应信号之间阻抗通路的变化。对从响应信号输出点采集到的多频率混合信号进行分析，可以得出每一种频率所对应的触觉数据信息。
本申请无须在数据采集时进行多路激励信号的切换，通过采集和分析每路响应信号输出点采集到的时间序列数据，可以得到多个激励信号对多个响应信号的响应特性，从而感知相应的触觉信号。与采用多路扫描激励方式相比，本申请可以在保证数据量不变的情况下减少采集次数，提高采集效率。
附图说明
图1为现有技术中阵列式触觉传感器数据采集的结构示意图；
图2为本申请的触觉传感器的数据采集方法的采集示意图；
图3为本申请具体实例中仿生手指结构；
图4为本申请具体实例仿生手指中触觉传感器的数据采集和分析方法的采集示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。
为了解决现有技术中阵列式触觉传感器逐列扫描逐行读取方式采集效率低的问题，本实施例提供一种阵列式触觉传感器的数据采集和分析方法，采用多路不同频率的信号作为触觉传感器的激励信号，通过对响应信号输出点上的混合频率信号进行采集，得到响应信号与不同激励信号之间耦合特性变化的信息。与现有的逐列扫描逐行读取方式相比，本申请在采集相同数据量的前提下，可减少扫描次数，从m*n次采集降低至n次采集，从而显著地提高数据采集的效率。
本实施例的触觉传感器包括多路激励信号输入点、多路响应信号输出点以及填充在所述激励信号输入点和响应信号输出点之间的离子介质。其中离子介质用于实现激励信号输入点与响应信号输出点之间的阻抗耦合，保证激励信号和响应信号之间的信号传递。
本实施例中的激励信号输入点有m个，且m>1。本实施例中的响应信号输出点有n个，且n>1。需要说明的是，本实施例中对激励信号输入点的个数以及响应信号输出点的个数上限不做严格限制，可以根据实际应用需求和数据采集CPU的处理数据能力进行设置。
如图2所示，本实施例的阵列式触觉传感器的数据采集和分析方法，包括以下步骤：
步骤1、同时向多路激励信号输入点施加m种不同频率的周期性激励信号(C1～Cm)。
为了便于后续对不同频率的激励信号的进行区分，本实施例中设置激励信号为正弦波激励信号。在其他实施例中根据需要可以对激励信号进行调整，例如采用方波、三角波等具有周期性的波形，如果采用非正弦波激励信号，为了避免谐波频率干扰，最好选用m种频率互不为谐波关系的激励信号。
步骤2、获取n个响应信号输出点上感应到的混合信号，所述混合信号为m种不同频率的激励信号经过所述离子介质耦合后在响应信号输出点上得到的信号。
当触觉传感器中的离子介质在外部施加不同的压力或者是触碰不同材质的材料时，其阻抗分布会发生变化，从而导致由激励信号至响应信号之间的等效阻抗会发生不同的变化。当不同频率的激励信号加到激励信号输入点上后，在每个响应信号输出点上会合成一个混合信号，这个混合信号包含了所有激励信号通过阻抗耦合产生在信号输出点上的响应。响应信号输出点上得到的信号频谱分布变化情况也就反映了激励信号输入点和响应信号输出点之间的离子介质阻抗分布变化情况。
需要说明的是，本实施例重点在于获取和分析激励信号经过离子介质后在响应信号输出点上产生的不同频率响应信号的情况，对于如何根据获取的信号频谱分布计算得到压力的变化以及判断出触碰材料的几何或物理特性不作为本实施例的重点，在此不再进行描述。
本实施例中的离子介质可以是液态离子材料或固态离子材料。其中，液态离子材料为液态形式，其可以是水系电解液或有机电解液。固态离子材料可以是具有一定弹性的离子凝胶、聚电解质或和离子复合材料。根据实际的应用场景选择合适的离子介质即可。
步骤3、对响应信号输出点上获取的混合信号进行分析，得到m个不同频率的激励信号对n个响应信号输出点的影响信息，完成一次对触觉传感器数据的采集和分析。
本实施例对n个响应信号输出点上获取的混合信号进行分析，得到与m个的激励信号对应的不同频率成分，相当于实现了一个m*n传感器阵列的数据采集和分析。
在现有的阵列式触觉传感器的数据采集方法中，一次采集仅仅分析出单个激励信号与单个响应信号之间的阻抗变化情况，需要进行逐列扫描逐行读取方式获取整个阵列对应的阻抗分布变化情况。本实施例中，通过对响应信号的一次数据采集和分析，可以得到m个激励信号与一个响应信号之间的阻抗分布变化情况，只要进行n次逐行读取就可以获取整个传感器阵列对应的阻抗分布变化情况。与现有的阵列式触觉传感器数据采集方式相比，本实施例效率提高了m倍。
在对所采集的混合信号进行分析时，若触觉传感器频率特性不随时间变化，则混合信号为平稳信号，采用离散傅里叶变换对混合信号进行分析，得到每个激励信号输入点对各行响应信号输出点的影响信息；若触觉传感器频率特性随时间变化，则混合信号为非平稳信号，采用Gabor变换或小波变换等时频分析方法对混合信号进行分析，得到每个激励信号输入点对各行响应信号输出点的影响随着时间变化的信息。
本实施例中设置采用单片机直接进行数据采集，并上传到PC机中进行分析和处理，降低了数据采集电路的复杂度和成本，提高了数据采集的可靠性。在其他实施例中根据实际需求也可以采用其他数据采集方式，例如PC机+数据采集卡的方式等。在本实施例的触觉传感器中，响应信号输出点上感应到的混合信号经过信号调理电路调理后，分别与单片机的A/D转换引脚连接，由单片机执行对混合信号的A/D转换程序，并将采集到的数据通过USB总线上传至PC机进行分析和处理。
本实施例中基于单片机进行数据采集的方式，考虑到单片机可用引脚数目的限制，优先适用于信号采集数量受限的场合，以便于在不进行扩展的情况下基于单片机内置的ADC(Analog-to-Digital Converter)模块，也可以使用外接的ADC模数转换芯片对每个响应信号输出点上产生的混合信号进行采集。
为了便于对本申请的数据采集和分析方法的理解，以下通过一个具体实例进一步说明。
本实施例为一个机器人仿生手指的阵列式触觉数据采集和分析系统，仿生手指结构如图3所示。该仿生手指具有ABS塑料做成的指骨，在指骨上安装柔性电路板，柔性电路板的不同位置分布有激励电极组(4个)和响应电极组(14个)，激励电极作为激励信号输入点，响应电极作为响应信号输出点，使用硅胶外壳作为仿生手指皮肤，包裹柔性电路板以及指骨，在仿生手指皮肤和指骨之间填充NaCl电解液作为离子介质，实现激励电极组和响应电极组之间的电耦合。当外部给硅胶外壳施加压力或者用不同材质的材料触碰硅胶外壳时，会引起内部电解液的电阻分布的变化，从而会使得信号采集电极上的信号电压产生变化。
需要说明的是，本实施例中激励信号输入点和响应信号输出点均采用电极，以便于柔性电路板上电子元器件布局，在其他实施例中还可以采用其他方式(例如直接布线等)实现激励信号输入点和响应信号输出点的布置。
具体地，本实施例仿生手指中触觉数据采集和分析系统如图4所示。本实施例中，利用直接数字合成技术(Direct Digital frequency Synthesis，简称DDS)产生4种不同频率的正弦波激励信号(F1、F2、F3、F4)，由于采用正弦信号，对信号频率之间的谐波关系不做要求，信号频率选为1kHz、2kHz、3kHz和4kHz。这些正弦波激励信号通过柔性板激励电极进入到电解液中，通过电解液耦合到各信号采集电极上，在每个电极上产生不同的混合信号，混合信号中含有4种不同频率成分。
当仿生手指触摸到外部物体时，手指皮肤发生形变，引起导电液阻抗发生变化，在每个信号采集电极上电压的不同频率成分也会发生改变。这些电压信号经过信号调理电路处理后，送入单片机进行A/D转换。由于每个信号采集电极上含有4种频率信息，14个电极上会得到56个触觉数据，实现一个4*14触觉阵列数据的获取。
单片机和PC机之间用USB数据线连接，将采集到的数据传输至PC机。在PC机端进行Gabor变换，得到各数据采集电极上获取信号的不同频率分量随时间的变化，从而可以知道各电极之间的阻抗变化情况。利用这些阻抗变换情况，可以进一步反过来分析引起阻抗分布变化的原因，例如接触到不同物体等。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种阵列式触觉传感器的数据采集和分析方法，其特征在于：所述阵列式触觉传感器包括多路激励信号输入点、多路响应信号输出点以及填充在所述激励信号输入点和响应信号输出点之间的离子介质；所述激励信号输入点有m个，且m>1；所述响应信号输出点有n个，且n>1；所述离子介质用于使激励信号输入点与响应信号输出点之间实现耦合；所述阵列式触觉传感器的数据采集和分析方法，包括：
同时向多路激励信号输入点施加m种不同频率的周期性激励信号；
获取n个响应信号输出点上感应到的混合信号，所述混合信号为m种不同频率的激励信号经过所述离子介质耦合后在响应信号输出点上得到的信号；
对响应信号输出点上获取的混合信号进行分析，得到m个不同频率的激励信号对n个响应信号输出点的影响信息，完成一次对触觉传感器数据的采集和分析，即实现了一个m*n传感器阵列的数据采集和分析。
2.如权利要求1所述的阵列式触觉传感器的数据采集和分析方法，其特征在于，所述对响应信号输出点上获取的混合信号进行分析，包括：
若触觉传感器频率特性不随时间变化，则混合信号为平稳信号，采用离散傅里叶变换对混合信号进行分析，得到每个激励信号输入点对各行响应信号输出点的影响信息；若触觉传感器频率特性随时间变化，则混合信号为非平稳信号，采用时频分析方法对混合信号进行分析，得到每个激励信号输入点对各行响应信号输出点的影响随着时间变化的信息。
3.如权利要求1所述的阵列式触觉传感器的数据采集和分析方法，其特征在于，所述离子介质为液态材料或具有固有弹性的固态介质材料。
4.如权利要求3所述的阵列式触觉传感器的数据采集和分析方法，其特征在于，所述离子介质为水系电解液或有机电解液。
5.如权利要求1所述的阵列式触觉传感器的数据采集和分析方法，其特征在于，所述获取n个响应信号输出点上感应到的混合信号，包括：
各响应信号输出点分别与单片机的不同引脚连接，由单片机获取每个响应信号输出点上产生的混合信号。
6.如权利要求1所述的阵列式触觉传感器的数据采集和分析方法，其特征在于，所述激励信号输入点和响应信号输出点均采用电极。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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