CN114577238A - 一种基于电阻抗成像的一体化触觉传感器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电阻抗成像的一体式触觉传感器及其应用，是设置有一边长为L的矩形绝缘槽，并在矩形绝缘槽内的四周均匀设置有N个相同的电极，并依次编号；在矩形绝缘槽内填充有柔性导电材料，并在柔性导电材料上表面覆盖有矩形绝缘盖，以形成一体化触觉传感器。本发明为非阵列式触觉传感器，采用了整块柔性导电材料，能够大面积覆盖在不规则三维物体表面以实现触摸位置与接触力大小检测，能降低制作工艺复杂度与制作成本。
Description
技术领域
本发明属于传感技术领域，具体的说是一种基于电阻抗成像的一体化触觉传感器及其应用。
背景技术
柔性触觉传感器能够无缝地集成到任何三维物体表面用于检测环境的激励，研制大面积柔性低成本的触觉传感对推广机器人的应用至关重要。传统的阵列传感器由于内部分布有刚性元件和导线，大大降低了触觉传感器的灵活性与延展性，同时增加了制作成本，从而限制了触觉传感器的推广应用。
专利(CNCN214666901)发明了柔性电容式触觉传感阵列。传感器主要包括：若干个柔性电容式触觉传感单元，所述柔性电容式触觉传感单元包括导体和衬底，所述导体设置在所述衬底内，所述导体为编织结构；若干个柔性电容式触觉传感单元中的导体编织在一起与衬底共同组成所述柔性电容式触觉传感阵列，能实现丰富的功能，比如识别触觉方向、触觉力度等。但是这种传感器的结构复杂，而且成本高昂。专利(CN201710250913)发明了一种基于恒定电场的机器人触觉传感器及接触位置的检测方法，传感器包括上下依次设置的上柔性层、网状隔层和下柔性层。这种触觉传感器虽然结构简单，但是功能单一，只能实现位置触摸的检测，无法进行接触力大小的检测。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种基于电阻抗成像的一体化触觉传感器及其应用，以期能够大面积覆盖在不规则三维物体表面以实现触摸位置与接触力大小检测，从而能降低触觉传感器制作工艺复杂度与制作成本。
本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
本发明一种基于电阻抗成像的一体化触觉传感器的特点在于，设置有一边长为L的矩形绝缘槽，并在所述矩形绝缘槽内的四周均匀设置有N个相同的电极，并依次编号；在所述矩形绝缘槽内填充有柔性导电材料，并在所述柔性导电材料上表面覆盖有矩形绝缘盖，以形成所述一体化触觉传感器。
本发明一种基于所述的一体化触觉传感器的接触力位置检测方法的特点在于，包括以下步骤：
步骤S0：将所述一体触觉传感器安装于待测物体的表面，并以一体触觉传感器的中心位置作为坐标原点，以平行所述一体触觉传感器的一边作为x轴，以x轴垂直方向为y轴，建立平面坐标系；
步骤S1：将N个电极进行编号后记为{e1，e2，…，ei，…，eN}，其中，ei为第i个电极；
步骤S2：定义迭代计数变量i和j，并初始化i＝1；
步骤S3：将i+1赋值给j；
步骤S4：在所述一体触觉传感器内第i个电极ei和第j个电极ej上注入恒定频率和大小的电流信号；
步骤S5：测量第i个电极ei和第j个电极ej之间的电压u(i，j)；
步骤S6：将j+1赋值给j，若j>N，则跳转到步骤S7；否则，跳转到步骤S4；
步骤S7：将i+1赋值给i，若i>N，则跳转到步骤S8；否则，跳转到步骤S3；
步骤S8：结束循环，并得到所有测量电压，记为V＝{u(1，2)，u(1，3)，…，u(1，N)，u(2，3)，u(2，4)，…，u(2，N)，…，u(N-1，N)}；
步骤S9：采集在无触摸时所述一体触觉传感器的电压数据V0＝{u0(1，2)，u0(1，3)，…，u0(1，N)，u0(2，3)，u0(2，4)，…，u0(2，N)，…，u0(N-1，N)}并作为参考电压数据，其中，u0(N-1，N)表示无触摸时第N-1个电极eN-1和第N个电极eN之间的电压；
步骤S11：对所述一体触觉传感器进行触摸按压，并采集在触摸时的电压数据VI＝{uI(1，2)，uI(1，3)，…，uI(1，N)，uI(2，3)，uI(2，4)，…，uI(2，N)，…，uI(N-1，N)}，其中，uI(N-1，N)表示触摸时第N-1个电极eN-1和第N个电极eN之间的电压；
步骤S12：利用NOSER电阻抗成像算法对采集到电压数据V0和VI进行成像，获得像素为M×M的电导分布图像P；
步骤S13：利用式(1)计算电导分布图像图像P的触摸坐标(xc,yc)：
式(1)中，[P]pi是电导率图像P在第pi个像素处的电导率值，xpi是电导率图像P中第pi个像素的横坐标值；ypi是电导率图像P中第pi个像素的纵坐标值；
步骤S14：利用式(2)计算电导分布图像图像P在触摸处的电导率峰值Pc：
Pc＝max([P]pi) (2)。
本发明一种基于所述的一体化触觉传感器的接触力检测方法的特点在于，包括以下步骤：
步骤a：将一体化触觉传感器均匀划分为K×K个区域；
步骤b：将K×K个区域进行编号后记为{area1，area2，…，areak，…，areaK×K}，其中areak为第k个区域；
步骤c：初始化k＝1；
步骤d：在第k个区域areak依次施加一系列压力F＝{f1，f2，…，fs，…，fS}，并用电阻抗成像方法获得对应的按压的位置(Xc，Yc)k＝{(xc,yc)1,k，(xc,yc)2,k，…，(xc,yc)s,k，…，(xc,yc)S,k}，和电导率峰值Peakk＝{Pc,1,k，Pc,2,k，…，Pc,s,k，…，Pc,S,k}，其中，fs表示第s次施加的压力，(xc,yc)s,k表示对第k个区域areak施加第s次压力fs下对应的按压的位置，Pc,s,k表示对第k个区域areak施加第s次压力fs下对应的电导率峰值；S表示施加次数；
步骤e：建立第k个区域areak的压力F与电导率峰值Peak的拟合关系式；
步骤f：将k+1赋值给k，若k>K×K，则表示得到一体化触觉传感器的压力F与电导率峰值Peak的拟合关系，并跳转到步骤g，否则，跳转到步骤d；
步骤g：在对一体化触觉传感器的任意位置施加压力fr，并利用电阻抗成像方法进行成像，从而获取触摸的位置(xc,yc)r和电导率峰值Pc,r；
步骤h：根据触摸位置(xc,yc)r得到所属的区域area*；
步骤i：根据所属的区域area*对应的压力F与电导率峰值Peak的拟合关系，得到施加压力fr的估计值。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明采用一体式的传感器结构，制作工艺简单，而且传感器内部无任何微结构与布线，信号提取简单，触觉传感器的时间分辨率高。
2、本发明的触觉传感器所需材料成本低廉，具有柔性，能够覆盖在不规则三维物体表面进行感知。
3、本发明采用分区域拟合的方法，实现了非阵列式大面积触觉传感器的接触力大小检测，丰富了目前市面上非阵列式大面积触觉传感器的功能。
附图说明
图1为本发明实施例的一体式触觉传感器结构图；
图2为本发明实施例的一体式触觉传感器受压时的示意图；
图3为本发明实施例的一体式触觉传感器受压时的成像图；
图4为本发明实施例的一体式触觉传感器区域划分示意图；
图5为本发明实施例的一体式触觉传感器区域划分受力与峰值电导率拟合示意图；
图中标号：1-柔性材料；2-矩形绝缘盖；3-电极；4-导线；5-矩形绝缘槽；6-电流源；7-电压表。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
本实施例中，一种基于电阻抗成像的一体化触觉传感器，如图1所示，设置有一边长为L的矩形绝缘槽5，并在矩形绝缘槽内的四周均匀设置有N个相同的电极3，并依次编号；由此采用一体式的传感器结构，制作工艺简单，而且传感器内部无任何微结构与布线，传感器的四周边缘安装电极并连接有引出线，信号提取简单。
在本实施例中，在矩形绝缘槽内5填充有柔性导电材料1，并在柔性导电材料1上表面覆盖有矩形绝缘盖2，以形成一体化触觉传感器。该触觉传感器所需材料成本低廉，具有柔性，能够覆盖在不规则三维物体表面进行感知。
本实施例中，一种基于一体化触觉传感器的接触力位置检测方法包括以下步骤：
步骤S0：如图4所示，将一体触觉传感器安装于待测物体的表面，并以一体触觉传感器的中心位置作为坐标原点，以平行一体触觉传感器的一边作为x轴，以x轴垂直方向为y轴，建立平面坐标系；
步骤S1：如图2所示，将N个电极进行编号后记为{e1，e2，…，ei，…，eN}，其中，ei为第i个电极；
步骤S2：定义迭代计数变量i和j，并初始化i＝1；
步骤S3：将i+1赋值给j；
步骤S4：在一体触觉传感器内第i个电极ei和第j个电极ej上通过电流源7注入恒定频率和大小的电流信号；
步骤S5：通过电压表6测量第i个电极ei和第j个电极ej之间的电压u(i，j)；
步骤S6：将j+1赋值给j，若j>N，则跳转到步骤S7；否则，跳转到步骤S4；
步骤S7：将i+1赋值给i，若i>N，则跳转到步骤S8；否则，跳转到步骤S3；
步骤S8：结束循环，并得到所有测量电压，记为V＝{u(1，2)，u(1，3)，…，u(1，N)，u(2，3)，u(2，4)，…，u(2，N)，…，u(N-1，N)}；
步骤S9：采集在无触摸时一体触觉传感器的电压数据V0＝{u0(1，2)，u0(1，3)，…，u0(1，N)，u0(2，3)，u0(2，4)，…，u0(2，N)，…，u0(N-1，N)}并作为参考电压数据，其中，u0(N-1，N)表示无触摸时第N-1个电极eN-1和第N个电极eN之间的电压；
步骤S11：对一体触觉传感器进行触摸按压，并采集在触摸时的电压数据VI＝{uI(1，2)，uI(1，3)，…，uI(1，N)，uI(2，3)，uI(2，4)，…，uI(2，N)，…，uI(N-1，N)}，其中，uI(N-1，N)表示触摸时第N-1个电极eN-1和第N个电极eN之间的电压；
步骤S12：如图3中的1所示，利用NOSER电阻抗成像算法对采集到电压数据V0和VI进行成像，获得像素为M×M的电导分布图像P；
步骤S13：利用式(1)计算电导分布图像图像P的触摸坐标(xc,yc)：
式(1)中，[P]pi是电导率图像P在第pi个像素处的电导率值，xpi是电导率图像P中第pi个像素的横坐标值；ypi是电导率图像P中第pi个像素的纵坐标值；
步骤S14：如图3中的2所示，利用式(2)计算电导分布图像图像P在触摸处的电导率峰值Pc：
Pc＝max([P]pi) (2)
本实施例中，一种基于一体化触觉传感器的接触力检测方法包括以下步骤：
步骤a：如图4所示，将一体化触觉传感器均匀划分为K×K个区域；
步骤b：将K×K个区域进行编号后记为{area1，area2，…，areak，…，areaK×K}，其中areak为第k个区域；
步骤c：初始化k＝1；
步骤d：在第k个区域areak依次施加一系列压力F＝{f1，f2，…，fs，…，fS}，并用电阻抗成像方法获得对应的按压的位置(Xc，Yc)k＝{(xc,yc)1,k，(xc,yc)2,k，…，(xc,yc)s,k，…，(xc,yc)S,k}，和电导率峰值Peakk＝{Pc,1,k，Pc,2,k，…，Pc,s,k，…，Pc,S,k}，其中，fs表示第s次施加的压力，(xc,yc)s,k表示对第k个区域areak施加第s次压力fs下对应的按压的位置，Pc,s,k表示对第k个区域areak施加第s次压力fs下对应的电导率峰值；S表示施加次数；
步骤e：建立第k个区域areak的压力F与电导率峰值Peak的拟合关系式；
步骤f：将k+1赋值给k，若k>K×K，则表示得到一体化触觉传感器的压力F与电导率峰值Peak的拟合关系，如图5所示，并跳转到步骤g，否则，跳转到步骤d；
步骤g：在对一体化触觉传感器的任意位置施加压力fr，并利用电阻抗成像方法进行成像，从而获取触摸的位置(xc,yc)r和电导率峰值Pc,r；
步骤h：根据触摸位置(xc,yc)r得到所属的区域area*；
步骤i：根据所属的区域area*对应的压力F与电导率峰值Peak的拟合关系是，得到施加压力fr的估计值。
综上所述，本发明提供的一种基于电阻抗成像的一体式触觉传感器包括一体化的内部柔性导电材料与外部柔性绝缘层。内部柔性导电层由一整块的均匀导电材料组成，其边缘与导电电极紧密贴合。外部柔性绝缘层主要用于将内部导电材料与外界接触隔绝，结构简单成本低，所采用的材料为柔性导电材料，能够大面积地包覆在复杂三维物体表面来检测接触力的位置与大小，具有结构十分简单，无内部布线，制作容易，成本低，实时性能好等特点。
Claims (3)
1.一种基于电阻抗成像的一体化触觉传感器，其特征在于，设置有一边长为L的矩形绝缘槽，并在所述矩形绝缘槽内的四周均匀设置有N个相同的电极，并依次编号；在所述矩形绝缘槽内填充有柔性导电材料，并在所述柔性导电材料上表面覆盖有矩形绝缘盖，以形成所述一体化触觉传感器。
2.一种基于权利要求1所述的一体化触觉传感器的接触力位置检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S0：将所述一体触觉传感器安装于待测物体的表面，并以一体触觉传感器的中心位置作为坐标原点，以平行所述一体触觉传感器的一边作为x轴，以x轴垂直方向为y轴，建立平面坐标系；
步骤S1：将N个电极进行编号后记为{e1，e2，…，ei，…，eN}，其中，ei为第i个电极；
步骤S2：定义迭代计数变量i和j，并初始化i＝1；
步骤S3：将i+1赋值给j；
步骤S4：在所述一体触觉传感器内第i个电极ei和第j个电极ej上注入恒定频率和大小的电流信号；
步骤S5：测量第i个电极ei和第j个电极ej之间的电压u(i，j)；
步骤S6：将j+1赋值给j，若j>N，则跳转到步骤S7；否则，跳转到步骤S4；
步骤S7：将i+1赋值给i，若i>N，则跳转到步骤S8；否则，跳转到步骤S3；
步骤S8：结束循环，并得到所有测量电压，记为V＝{u(1，2)，u(1，3)，…，u(1，N)，u(2，3)，u(2，4)，…，u(2，N)，…，u(N-1，N)}；
步骤S9：采集在无触摸时所述一体触觉传感器的电压数据V0＝{u0(1，2)，u0(1，3)，…，u0(1，N)，u0(2，3)，u0(2，4)，…，u0(2，N)，…，u0(N-1，N)}并作为参考电压数据，其中，u0(N-1，N)表示无触摸时第N-1个电极eN-1和第N个电极eN之间的电压；
步骤S11：对所述一体触觉传感器进行触摸按压，并采集在触摸时的电压数据VI＝{uI(1，2)，uI(1，3)，…，uI(1，N)，uI(2，3)，uI(2，4)，…，uI(2，N)，…，uI(N-1，N)}，其中，uI(N-1，N)表示触摸时第N-1个电极eN-1和第N个电极eN之间的电压；
步骤S12：利用NOSER电阻抗成像算法对采集到电压数据V0和VI进行成像，获得像素为M×M的电导分布图像P；
步骤S13：利用式(1)计算电导分布图像图像P的触摸坐标(xc,yc)：
式(1)中，[P]pi是电导率图像P在第pi个像素处的电导率值，xpi是电导率图像P中第pi个像素的横坐标值；ypi是电导率图像P中第pi个像素的纵坐标值；
步骤S14：利用式(2)计算电导分布图像图像P在触摸处的电导率峰值Pc：
Pc＝max([P]pi) (2)。
3.一种基于权利要求1所述的一体化触觉传感器的接触力检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a：将一体化触觉传感器均匀划分为K×K个区域；
步骤b：将K×K个区域进行编号后记为{area1，area2，…，areak，…，areaK×K}，其中areak为第k个区域；
步骤c：初始化k＝1；
步骤d：在第k个区域areak依次施加一系列压力F＝{f1，f2，…，fs，…，fS}，并用电阻抗成像方法获得对应的按压的位置(Xc，Yc)k＝{(xc,yc)1,k，(xc,yc)2,k，…，(xc,yc)s,k，…，(xc,yc)S,k}，和电导率峰值Peakk＝{Pc,1,k，Pc,2,k，…，Pc,s,k，…，Pc,S,k}，其中，fs表示第s次施加的压力，(xc,yc)s,k表示对第k个区域areak施加第s次压力fs下对应的按压的位置，Pc,s,k表示对第k个区域areak施加第s次压力fs下对应的电导率峰值；S表示施加次数；
步骤e：建立第k个区域areak的压力F与电导率峰值Peak的拟合关系式；
步骤f：将k+1赋值给k，若k>K×K，则表示得到一体化触觉传感器的压力F与电导率峰值Peak的拟合关系，并跳转到步骤g，否则，跳转到步骤d；
步骤g：在对一体化触觉传感器的任意位置施加压力fr，并利用电阻抗成像方法进行成像，从而获取触摸的位置(xc,yc)r和电导率峰值Pc,r；
步骤h：根据触摸位置(xc,yc)r得到所属的区域area*；
步骤i：根据所属的区域area*对应的压力F与电导率峰值Peak的拟合关系，得到施加压力fr的估计值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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