CN115582842A - 一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动化控制技术领域，更具体地说，本发明提供了一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统，包括电性连接的总控模块、检测模块、数据采集模块、数据通信模块和数据处理模块；所述检测模块包括多个柔性触觉传感器，柔性触觉传感器包括阵列电容‑电压电极；所述数据通信模块用于实现与单片机的实时通信，确保能在第一时间完成数据的通信；所述数据采集模块用于实现与单片机的通信，实时获取经由单片机发送的电容数字芯片检测到的柔性触觉传感器的电容数据；能够通过采集柔性触觉传感器的电容信号，通过机械手抓握控制方式来实现对物品的自动化抓取，解决了由人工操作带来的生产效率低下和安全性差的问题。

Description

一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统及方法

技术领域

本发明涉及自动化控制技术领域，更具体地说，是一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统及方法。

背景技术

工厂中工业机器设备通过对传感器的检测，可以完成抓、握、夹和推等灵巧操作，是新一代智能工业中重要的组成部分。在智能化工厂中，机械手机械臂是现代工业领域中应用最为广泛的自动化机械设备之一。

传统的工业生产过程中所有物品均由工人进行搬运，具有生产效率低下和生产安全性差的缺点。虽然传统的机械手进行自动化作业可以有效克服上述缺点。但是随着工业产品的精细化，许多中间产物具有柔软度高、细小化的特点，传统的机械手在进行夹取时存在夹取力度过轻导致夹取失败，又或者是夹取力度过大导致物品损坏的问题，具有高度非线性、不确定性和负载干扰大的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统，包括电性连接的总控模块、检测模块、数据采集模块、数据通信模块和数据处理模块；

所述总控模块包括单片机、电容数字转换芯片和多路复用器；

所述检测模块包括多个柔性触觉传感器，柔性触觉传感器包括阵列电容-电压电极；

所述电容数字转换芯片用于检测柔性触觉传感器的电容信号，所述电容数字转换芯片通过I2C通信线与单片机相连，所述多路复用器上的多路输入口与若干柔性触觉传感器的其中一端引脚相连，所述多路复用器的公共输入端与电容数字转换芯片的CIN1+引脚相连，且所述电容数字转换芯片的外部激励源EXC端口与柔性触觉传感器的另一个引脚相连；所述单片机与上位机通过USB串口通信线连接；所述仿真机械手上的舵机控制线与所述单片机的引脚相连接；多个所述柔性触觉传感器分别可拆卸安装在仿真机械手的手指指尖；

所述数据通信模块用于实现与单片机的实时通信，确保能在第一时间完成数据的通信；

所述数据采集模块用于实现与单片机的通信，实时获取经由单片机发送的电容数字芯片检测到的柔性触觉传感器的电容数据；

所述数据处理模块用于对数据采集模块所采集到的数据进行实时分析处理后得到电容数据和时间数据，并将电容数据和时间数据以可视化的方式通过上位机显示，同时在上位机的指定位置进行数据存储。

本申请再进一步的技术方案：所述数据处理模块将处理好的数据按照通道号分别以可视化的方式显示在上位机的屏幕上，同时在上位机的指定位置以Excel格式进行数据存储。

本申请再进一步的技术方案：包括用于控制仿生机械手手指转动角度变化的方法和用于控制舵机的正反转动速度的方法；

用于对仿生机械手手指转动角度变化的控制方法包括在仿生机械手舵机的控制电路中选取仿生机械手舵机的脉冲宽度调制波信号作为控制信号，通过单片机调节脉冲宽度调制波中占空比的方式实现；

用于控制舵机的正反转动速度的方法包括设定柔性触觉传感器的触觉压力阈值范围，建立当前电容数值与期望电容阈值的误差值与舵机脉冲宽度调制波占空比变化比例的反馈变化关系。

本发明还提供了如下技术方案：一种电容检测芯片检测柔性触觉传感器电容信号的方法，应用于所述一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统，所述方法通过多通道进行检测，包括以下步骤：

S1：当上电后，单片机和电容检测芯片自动进入初始化程序，单片机初始化串口通信，建立与上位机之间的串口通信联系；单片机初始化I2C通信，与电容检测芯片建立通信；

S2：完成通信初始化后，单片机对多路复用器进行选通，选通多路复用器的第一个多路输入通道作为初始检测通道；设置中断优先级和中断执行程序，为后续的多通道电容检测建立基础；

S3：控制单片机对电容检测芯片的内部寄存器进行设置，初始化电容检测芯片，依次设置电容检测芯片的电容转换通道、电容信号检测模式、电容信号转换时间、激励引脚设置和转换模式的寄存器；

S4：等待电容检测芯片对柔性触觉传感器进行检测，在完成一次检测后，电容检测芯片向单片机发送中断请求，单片机在接收到中断请求后一次性读取电容数字检测芯片的指定位置的三个地址连续的多个数据寄存器中的电容数据，并将数据寄存器中的电容数据进行整合，整合后的初步数据重新计算为指定格式的浮点数据，在将通道号加入到数据之前，完成数据整合后单片机控制多路复用器进行通道切换，切换为多路复用器的下一个输入通道，同时向上位机发送刚刚读取到的电容数据；依次往复，直至程序终止。

本申请再进一步的技术方案：所述柔性触觉传感器的阵列电容-电压电极中单个电容传感像素点的电容值在1-10pF数量级，将一个外部激励信号加到被测电容上，对被测的电容进行快速连续的充放电，随后利用电荷放大器对被测电容进行连续采样，获得与被测电容成比例的幅度、频率和占空比调制信号，调制信号再经过模拟信号到数字量的AD模数转换后计算出电容的容值。

本发明还提供了如下技术方案：一种仿生机械手基于PID算法对柔性触觉传感器的电容信号进行反馈控制方法，基于所述一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统，所述方法通过建立舵机旋转角度、电容传感器信号和应力大小三者之间的关系，实现仿生机械手对外部物体进行准确和稳定的抓握；PID算法的基本公式为：

；

以上公式中：Kp为比例系数、Ki为积分系数、Kd为微分系数，u（t）表示本次输出量，e（t）表示本次运算期望值和上次输出值之间的差值，本次运算期望值为舵机的转动速率，本次输出量是舵机在单位时间内PWM（脉冲宽度调制）波占空比的变化率所导致的舵机转动角速度的变化率；当控制量和预期设定值之间存在较大差距时，取消PID控制算法中积分系数Ki；当控制量和期望值之间的差距较小时，引入积分系数Ki；

仿生机械手对柔性触觉传感器的电容信号进行反馈控制的方法包括以下步骤：

S1：创建一个数据结构体，该结构体包含PID控制的主要参数；

S2：建立脉冲宽度调制波与舵机转动角度之间的关系；

S3：建立电容和应力之间的关系方程并将方程公式输入程序，将PID算法的输入值转换为电容数值；

S4：计算电容实际值和电容设定阈值之间的差值，通过差值的大小控制脉冲宽度调制波占空比的变化速度，从而控制舵机角度转动的快慢。

本申请再进一步的技术方案：仿生机械手对柔性触觉传感器的电容信号进行反馈控制的方法在每次启动执行后，以电容的初始值1pF作为模拟输入，使PID控制程序做一次运算，得到对应的脉冲宽度调制波占空比变化速度，使仿生机械手开始抓取；每次中断时读取最新的电容数值，输入程序中做下一次运算，如此往复达到稳定状态，实现对物体的稳定抓取。

本发明还提供了如下技术方案：一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统的使用方法，应用于一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统，所述方法包括：

S1：启动上位机，初始化参数至符合设定的通信要求；

S2：启动程序完成参数配置，且数据通信模块尝试通信无误后，程序将自动进入可视化程序；

S3：所述数据采集模块实时获取经由单片机发送的电容数字芯片检测到的柔性触觉传感器的电容数据和采集的系统时间；

S4：所述数据处理模块对数据采集模块所采集到的数据进行实时分析处理后得到电容数据和时间数据，并将电容数据和时间数据以可视化的方式通过上位机显示，同时在上位机的指定位置进行数据存储。

本申请再进一步的技术方案：步骤S3中数据采集模块的具体工作步骤包括：

S31：读取由单片机发来的从电容数字芯片上检测得到的电容数值，然后将浮点类型的电容数值转换为指定格式的科学计数法数值并将其显示在前面板的“实时数据”位置上，随后将科学计数法数值转换为指定宽度的字符串格式文本，完成对数据信号的预处理；

S32：在完成对读取的数据的预处理后，立刻获取当前的系统时间，并将当前的系统时间与启动检测时记录的系统时间进行差值计算，得到当前系统运行的相对时间并将其显示在前面板的“运行时间（s）”位置上；

S33：将程序运行的相对时间数据转换为指定长度的字符串，在转换完成后按照电容数据字符串在前，相对时间字符串数据在后的顺序，将两个字符串连接在一起获得一个捆绑数据字符串，随后将该字符串压入数据队列，完成实时数据的生成。

本申请再进一步的技术方案：所述步骤S4中数据处理模块的具体工作步骤包括：

S41：判断数据队列中是否存在数据元素，如果数据队列中没有数据元素则表明实时数据采集模块尚未从单片机中获取电容数据，此时实时数据处理模块进入等待状态，直至数据队列中开始出现数据元素为止；如果数据队列中有数据元素，则数据队列按照先进先出的原则，弹出最先进入数据队列的一个数据元素，即实时数据采集模块中生成的捆绑数据字符串；

S42：在获取数据元素后，按照实时数据采集模块中处理电容数据和时间数据的方式进行反向操作，将数据元素重新拆分为电容数据字符串和相对时间字符串；对电容数据字符串的第一个数据位进行检验获取电容数据对应通道号，依照通道号将电容数据和相对时间数据送入对应的通道处理程序；在通道处理程序中将电容数据和对应的相对时间数据重新从字符串状态转换为指定位数的浮点型数值格式；

S43：电容数据存入对应通道号的数据顺序队列中，相对时间数据存入对应通道号的时间顺序队列中，且数据顺序队列中的电容数据与时间顺序队列中的时间数据处于一一对应状态；

S44：将时间顺序队列中的时间数据作为横坐标数据，将电容顺序队列中的电容数据作为纵坐标数据，利用XY图绘制时间-电容图并将其显示在前面板上的对应位置，实现对电容数据的可视化；

S45：实时数据采集模块停止运行，依照前面板上时间-电容图上的坐标点顺序记录相应数值，然后将记录到的数值依照时间在前，电容数值在后的顺序依次写入数据表格中，最后将数据表格在指定的位置进行存储。

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明的总控模块、检测模块、数据采集模块、数据通信模块和数据处理模块，能够通过采集柔性触觉传感器的电容信号，通过机械手抓握控制方式来实现对物品的自动化抓取；同时柔性电容传感器是通过外部施加作用力来改变电容值大小，其类型通常为变极距型，即通过改变电容极板之间的距离来改变电容器件的电容值；通过灵敏度高的柔性电容传感器模仿人体触觉，采用PID算法对柔性触觉传感器的电容信号进行反馈控制来模拟人体触觉和运动系统的交互，提高了仿生机械手对物品抓取的准确性和减少仿生机械手抓取物品的时间，实现了机械手对目标物体的抓取、移动等一系列复杂操作；解决了传统由人工操作带来的生产效率低下和安全性差的问题；也解决了传统的机械手在进行夹取时存在夹取力度过轻导致夹取失败，又或者是夹取力度过大导致物品损坏的问题，具有高度非线性、不确定性和负载干扰大的缺点。

附图说明

图1为本发明提供的一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统的结构示意图；

图2为本发明提供的一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统中单片机控制的机械手自动抓取的结构示意图；

图3为本发明提供的一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统中单片机最小系统电路原理图；

图4为本发明提供的一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统中Mirco-Bmini串口烧录电路原理图；

图5为本发明提供的一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统中AD7746电容检测电路原理图；

图6为本发明提供的一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统中检测接口电路原理图；

图7为本发明提供的一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统中AD7746外部导出接线电路原理图；

图8为本发明提供的一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统中系统供电电路原理图；

图9为本发明提供的一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统中DC口母座5V供电电路原理图；

图10为本发明提供的一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统中USB通信线接口电路原理图；

图11为本发明提供的一种电容检测芯片检测柔性触觉传感器电容信号的方法通过多通道进行检测的流程图；

图12为本发明提供的一种仿生机械手基于PID算法对柔性触觉传感器的电容信号进行反馈控制的方法的PID反馈控制流程图；

图13为本发明提供的一种仿生机械手基于PID算法对柔性触觉传感器的电容信号进行反馈控制的方法的舵机角度与PWM波占空比关系图；

图14为本发明提供的一种仿生机械手基于PID算法对柔性触觉传感器的电容信号进行反馈控制的方法的PID反馈控制程序流程图；

图15为本发明提供的一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统的使用方法中基于程序开发环境的可视化程序前面板的示意图；

图16为本发明提供的一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统的使用方法中基于程序开发环境的可视化程序框架示意图；

图17为本发明提供的一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统的使用方法中基于程序开发环境的多通道电容可视化与存储方法流程图。

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，下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

请参阅图1-图10，在本实施例的一种情况中，一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统，包括电性连接的总控模块、检测模块、数据采集模块、数据通信模块和数据处理模块；

所述总控模块包括单片机、电容数字转换芯片和多路复用器；

所述检测模块包括多个柔性触觉传感器，柔性触觉传感器包括阵列电容-电压电极；

所述电容数字转换芯片用于检测柔性触觉传感器的电容信号，所述电容数字转换芯片通过I²C通信线与单片机相连，所述多路复用器上的多路输入口与若干柔性触觉传感器的其中一端引脚相连，所述多路复用器的公共输入端与电容数字转换芯片的CIN1+引脚相连，且所述电容数字转换芯片的外部激励源EXC端口与柔性触觉传感器的另一个引脚相连；所述单片机与上位机通过USB串口通信线连接；所述仿真机械手上的舵机控制线与所述单片机的引脚相连接；多个所述柔性触觉传感器分别可拆卸安装在仿真机械手的手指指尖；

所述数据通信模块用于实现与单片机的实时通信，确保能在第一时间完成数据的通信；

所述数据采集模块用于实现与单片机的通信，实时获取经由单片机发送的电容数字芯片检测到的柔性触觉传感器的电容数据；

所述数据处理模块用于对数据采集模块所采集到的数据进行实时分析处理后得到电容数据和时间数据，并将电容数据和时间数据以可视化的方式通过上位机显示，同时在上位机的指定位置进行数据存储。

在本实施例的另一种情况中，所述数据处理模块将处理好的数据按照通道号分别以可视化的方式显示在上位机的屏幕上，同时在上位机的指定位置以Excel格式进行数据存储。

硬件组成各部分连接方式如下：

所述仿生机械手上每个手指指尖部位与柔性触觉传感器（此处以阵列电容-电压电极为例）相贴合；所述仿生机械手的每个舵机通过单片机发送PID信号控制，与单片机的对应端口相连接；所述上位机通过USART串口通信线与单片机的串行输入输出端口相连；所述单片机的串行输入输出端口RXD，TXD端口通过USART串口通信线与上位机相连，所述单片机通过I²C通信线与电容数字转换芯片的对应通信端口连接；所述单片机的多路切换端口与多路复用器的多路切换端口相连，所述单片机的PID控制端口与仿生机械手舵机的PID端口相连；所述电容数字转换芯片（此处以AD7746芯片为例）通过I²C通信线与单片机对应端口相连接，所述电容数字转换芯片外部激励端EXCA端口与柔性触觉传感器的一端引脚相连，所述电容数字转换芯片的电容信号输入端CIN1+端口与多路复用器的多路输入公共口相连；所述多路复用器的多路输入公共口与电容数字转换芯片的电容输入端口CIN1+端口相连，所述多路复用器的多路输入口与柔性触觉传感器的另一个引脚相连；所述单片机与上位机通过USB串口通信相连。

在实际应用时，通过I²C通信协议，建立单片机和其他芯片的通信，建中断优先级和循环设定，实现快速静态-动态触觉信号更新。通过USART串口通信，实现单片机和上位机之间的通信，以便在上位机上运行基于LabVIEW编程的ARM嵌入式多路电容信号大小可视化软件系统，LabVIEW的图像化显示更易实现对多通道物理量的实时检测与监控。

在本实施例中，考虑到本发明采用柔性电容传感器的电容容值特性和采集灵敏度，选择具有24位高精度单路差分输入的AD7746电容数字转换芯片。AD7746优势在于其精度高达4fF，线性度达0.01%，转换速率从10Hz到100Hz之间可调，支持I²C通信协议进行通信实现对其寄存器的读写。

在本实施例中，根据机械手触觉模块的规模尺寸，选取对应的通路模拟开关芯片，例如CD4051BE等，构造多通道电容采集和识别系统。CD4051是一个八通道的多路复用器，其通道电阻约为1KΩ，通道切换时间约为180ns；而AD7746芯片的电容检测速率最快为100Hz，即10ms，即CD4051的通道切换时间远小于AD7746芯片单次电容检测所需时间，因此完全可以满足需求。

本发明的单片机优选STM32F103单片机，其采用高性能、低成本、低功耗的ARMCortex-M内核，具有一流的外设，如1μs的双12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI等等，在功耗和集成度方面也有不俗的表现，适合多种复杂场景下的应用，同时，STC89C52单片机也在选择范围之内。

本发明的电容数字转换芯片优选AD7746电容数字转换芯片，分辨率最低可达4Af，检测范围高达±4pF，转换速率从10Hz~100Hz范围内可调，具有高分辨率、高精度、高线性度等特点，适合多种复杂场景下对电容信号进行精确检测。

本发明的多路复用器优选CD4051多路复用器；本发明的单片机优选STM32F103单片机，其采用高性能低功耗的ARMCortex-M内核，适合多种复杂场景下的应，同时，STC89C52单片机也在选择范围之内。

本发明的上位机部分采用LabVIEW2020虚拟软件进行程序编写。

本发明的仿生机械手优选基于Keil的机械手。

本发明的柔性触觉传感器的数目优选为5个。

本实施例中控制系统的电路主要包含5个部分：控制单片机的最小系统部分（此处以STC59C52单片机最小系统为例）、AD7746电容检测电路、基于CH340的Mirco-B mini串口烧录电路、系统供电电路和检测接口电路。

其中控制单片机最小系统包括单片机、复位电路、晶振（时钟）电路、电源四个部分；AD7746电容检测电路主要包括AD7746电容数字检测芯片和STM32单片机；Mirco-B串口烧录电路主要包括CH340USB转串口芯片和配套电路；检测接口电路主要包括基于多个CD4051BE多路复用器的20通道的SMB接口电路。

实施例2

在本实施例的一种情况中，还包括用于控制仿生机械手手指转动角度变化的方法和用于控制舵机的正反转动速度的方法；

用于对仿生机械手手指转动角度变化的控制方法包括在仿生机械手舵机的控制电路中选取仿生机械手舵机的PWM（脉冲宽度调制）波信号作为控制信号，通过单片机调节PWM（脉冲宽度调制）波中占空比的方式实现；

用于控制舵机的正反转动速度的方法包括设定柔性触觉传感器的触觉压力阈值范围，建立当前电容数值与期望电容阈值的误差值与舵机PWM（脉冲宽度调制）波占空比变化比例的反馈变化关系。

在本实施例的一种情况中，在仿生机械手舵机的控制电路中选取仿生机械手舵机的PWM波信号作为控制信号，通过单片机调节PWM波中占空比的方式实现对仿生机械手手指转动角度变化的控制。依照柔性触觉传感器的电容-应力特点，设定适当的触觉压力阈值范围，建立当前电容数值与期望电容阈值的误差值与舵机PWM波占空比变化比例的反馈变化关系，进而控制舵机的正反转动速度。在此基础上，进一步优化PID反馈参数对系统稳定性、快速性和准确性的影响，优化基于柔性触觉传感器信号的仿生机械手闭环抓握控制系统。

实施例3

请参阅图11，在本实施例的一种情况中，一种电容检测芯片检测柔性触觉传感器电容信号的方法，所述方法通过多通道进行检测，包括以下步骤：

S1：当上电后，单片机和电容检测芯片自动进入初始化程序，单片机初始化USART串口通信，建立与上位机之间的串口通信联系，单片机初始化I²C通信，与电容检测芯片建立基于I²C的通信；

S2：完成通信初始化后，单片机对多路复用器进行选通，选通多路复用器的第一个多路输入通道作为初始检测通道；设置中断优先级和中断执行程序，为后续的多通道电容检测建立基础；

S3：控制单片机通过I²C通信方式对电容检测芯片的内部寄存器进行设置，初始化电容检测芯片，依次设置电容检测芯片的电容转换通道、电容信号检测模式、电容信号转换时间、激励引脚设置和转换模式的寄存器；

S4：等待电容检测芯片对柔性触觉传感器进行检测，在完成一次检测后，电容检测芯片向单片机发送中断请求，单片机在接收到中断请求后通过I²C通信线一次性读取电容数字检测芯片的指定位置的三个地址连续的多个数据寄存器中的电容数据，并将数据寄存器中的电容数据进行整合，整合后的初步数据重新计算为指定格式的浮点数据，在将通道号加入到数据之前，完成数据整合后单片机控制多路复用器进行通道切换，切换为多路复用器的下一个输入通道，同时通过USART串口通信向上位机发送刚刚读取到的电容数据；依次往复，直至程序终止。

在对柔性触觉传感器的电容信号进行具体测量时，柔性触觉传感器的可拉伸触觉电容模块中的阵列电容-电压电极中单个电容传感像素点的电容值在1-10pF数量级，且电容数值波动较大易受外界环境干扰。为解决电容信号微小，数值波动大且易受干扰的问题，可将一个外部激励信号加到被测电容上，对被测的电容进行快速连续的充放电，随后利用电荷放大器对被测电容进行连续采样，获得与被测电容成比例的幅度、频率和占空比调制信号，调制信号再经过模拟信号到数字量的AD模数转换后计算出电容的容值。

实施例4

请参阅图12-图14，在本实施例的一种情况中，一种仿生机械手基于PID算法对柔性触觉传感器的电容信号进行反馈控制方法，通过建立舵机旋转角度、电容传感器信号和应力大小三者之间的关系，实现仿生机械手对外部物体进行准确和稳定的抓握；PID算法的基本公式为：

；

上式中，Kp为比例系数、Ki为积分系数、Kd为微分系数，u（t）表示本次输出量，e（t）表示本次运算期望值和上次输出值之间的差值，本次运算期望值为舵机的转动速率，本次输出量是仿生机械手的输出力度，即单位时间内控制仿生机械手手指关节转动的舵机的转动角度，更进一步说是舵机在单位时间内PWM（脉冲宽度调制）波占空比的变化率所导致的舵机转动角速度的变化率。

由于在仿生机械手刚刚开始启动的时候，短时间内控制系统的输出值与期望获得的期望值之间存在较大的偏差，会导致系统振荡时间的加长，最终使得控制时长的增加。为了能够提高控制精度、减少控制时间，当控制量和预期设定值之间存在较大差距时，取消PID控制算法中积分系数Ki；当控制量和期望值之间的差距较小时，引入积分系数Ki。

仿生机械手对柔性触觉传感器的电容信号进行反馈控制的方法包括以下步骤：

S1：创建一个数据结构体，该结构体包含PID控制的主要参数；

S2：建立PWM波与舵机转动角度之间的关系；

S3：建立电容和应力之间的关系方程并将方程公式输入程序，将PID算法的输入值转换为电容数值，即PID算法是对传感器电容数值进行运算，通过运算传感器的电容值和设定的电容阈值之间的电容差值来进行控制，而不是对舵机PWM波占空比进行计算，该电容数值通过之前建立的电容应力关系方程就可以得到对应的应力值；

S4：然后，由于被控对象依旧是PWM波占空比的变化速率，通过算法运算，计算电容实际值和电容设定阈值之间的差值，通过差值的大小控制PWM波占空比的变化速度，由于本发明优选的电容数字转换芯片AD7746的检测范围为±4pF，且本发明优选的柔性微电容的实际电容范围是1pF至3pF范围内变化，而舵机的PWM波有效占空比为2.5%至12.5%，因此可以建立一个系数为2.5的一次函数关系，将每次计算出的电容数值乘以该系数，得到输出的PWM波占空比的变化速度，从而控制舵机角度转动的快慢。

在本实施例的另一种情况中，仿生机械手对柔性触觉传感器的电容信号进行反馈控制的方法还包括：

在每次启动执行后，以电容的初始值1pF作为模拟输入，使PID控制程序做一次运算，得到对应的PWM波占空比变化速度，使仿生机械手开始抓取；每次中断时读取最新的电容数值，输入程序中做下一次运算，如此往复达到稳定状态，实现对物体的稳定抓取。

在本实施例中，PID算法即比例积分微分控制算法，其工作原理思路为：每次系统运算的输出结果和系统的期望数值进行相减，得到剩余的偏差，在对剩余的偏差进行运算，使实际的输出结果逐渐逼近期望值。

实施例5

请参阅图15-17，在本实施例的一种情况中，一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统的使用方法，所述方法包括：

S1：启动上位机，运行基于LabVIEW的多通道电容可视化程序，由图中的初始化参数自动配置所需的环境变量，确保后续系统的运行状态；配置通信参数将依照前面板的参数设定进行配置，选择对应设备的通信接口并配置相应的波特率、数据位和停止位等通信格式，完成配置后程序将自动与外部设备建立串口通信；程序在完成通信配置后将自动划分10240字节作为串口数据接收的缓冲内存区域，保证数据不会因为空间不足的问题而导致出错；完成上述步骤后将进行试验通信以检验相关配置是否按要求完成，如果该过程出现问题则重新输入相关参数并重新进行试验通信，直至完全符合设定的通信要求；如果没有问题则表示参数设定和通信配置完毕，随后获取系统时间并记录，在前面板的指定位置显示程序开始运行的时间初始化参数至符合设定的通信要求；

S2：启动程序完成参数配置，且数据通信模块尝试通信无误后，程序将自动进入可视化程序；

S3：所述数据采集模块实时获取经由单片机发送的电容数字芯片检测到的柔性触觉传感器的电容数据和采集的系统时间；

S31：判断保存按钮是否按下，即前面板上的通道1到通道5的保存按钮和“一键存储”按键是否按下，如果检测到中间有按键按下，则触发中断进入数据存储程序；如果未检测到相关按键按下，则继续执行可视化程序；然后判断“停止”按钮是否按下：如果检测到该按键按下，则立刻终止上位机运行的程序；如果该按键未检测到按下，则继续执行实时数据采集模块；

S32：通过USART串口通信读取由单片机发来的从电容数字芯片上检测得到的电容数值，然后将浮点类型的电容数值转换为指定格式的科学计数法数值并将其显示在前面板的“实时数据”位置上，随后将科学计数法数值转换为指定宽度的字符串格式文本，完成对数据信号的预处理；

S33：在完成对USART串口通信读取的数据的预处理后，立刻获取当前的系统时间，并将当前的系统时间与启动检测时记录的系统时间进行差值计算，得到当前系统运行的相对时间并将其显示在前面板的“运行时间（s）”位置上；

S34：将程序运行的相对时间数据转换为指定长度的字符串，在转换完成后按照电容数据字符串在前，相对时间字符串数据在后的顺序，将两个字符串连接在一起获得一个捆绑数据字符串，随后将该字符串压入数据队列，完成实时数据的生成；

S4：所述数据处理模块对数据采集模块所采集到的数据进行实时分析处理后得到电容数据和时间数据，并将电容数据和时间数据以可视化的方式通过上位机显示，同时在上位机的指定位置进行数据存储。

S41：判断数据队列中是否存在数据元素，如果数据队列中没有数据元素则表明实时数据采集模块尚未从单片机中获取电容数据，此时实时数据处理模块进入等待状态，直至数据队列中开始出现数据元素为止；如果数据队列中有数据元素，则数据队列按照先进先出的原则，弹出最先进入数据队列的一个数据元素，即实时数据采集模块中生成的捆绑数据字符串；

S42：在获取数据元素后，按照实时数据采集模块中处理电容数据和时间数据的方式进行反向操作，将数据元素重新拆分为电容数据字符串和相对时间字符串；对电容数据字符串的第一个数据位进行检验获取电容数据对应通道号，依照通道号将电容数据和相对时间数据送入对应的通道处理程序；在通道处理程序中将电容数据和对应的相对时间数据重新从字符串状态转换为指定位数的浮点型数值格式；

S43：电容数据存入对应通道号的数据顺序队列中，相对时间数据存入对应通道号的时间顺序队列中，且数据顺序队列中的电容数据与时间顺序队列中的时间数据处于一一对应状态；

S44：将时间顺序队列中的时间数据作为横坐标数据，将电容顺序队列中的电容数据作为纵坐标数据，利用XY图绘制时间-电容图并将其显示在前面板上的对应位置，实现对电容数据的可视化；

S45：实时数据采集模块停止运行，依照前面板上时间-电容图上的坐标点顺序记录相应数值，然后将记录到的数值依照时间在前，电容数值在后的顺序依次写入数据表格中，最后将数据表格在指定的位置进行存储。

在本实施例中，所述上位机部分采用LabVIEW2020虚拟软件进行程序编写，软件采用模块化设计思想，选用基于多循环的生产者/消费者模式进行程序设计。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统，其特征在于，包括电性连接的总控模块、检测模块、数据采集模块、数据通信模块和数据处理模块；

所述总控模块包括单片机、电容数字转换芯片和多路复用器；

所述检测模块包括多个柔性触觉传感器，柔性触觉传感器包括阵列电容-电压电极；

所述电容数字转换芯片用于检测柔性触觉传感器的电容信号，所述电容数字转换芯片通过I²C通信线与单片机相连，所述多路复用器上的多路输入口与若干柔性触觉传感器的其中一端引脚相连，所述多路复用器的公共输入端与电容数字转换芯片的CIN1+引脚相连，且所述电容数字转换芯片的外部激励源EXC端口与柔性触觉传感器的另一个引脚相连；所述单片机与上位机通过USB串口通信线连接；所述仿真机械手上的舵机控制线与所述单片机的引脚相连接；多个所述柔性触觉传感器分别可拆卸安装在仿真机械手的手指指尖；

所述数据通信模块用于实现与单片机的实时通信，确保能在第一时间完成数据的通信；

所述数据采集模块用于实现与单片机的通信，实时获取经由单片机发送的电容数字芯片检测到的柔性触觉传感器的电容数据；

所述数据处理模块用于对数据采集模块所采集到的数据进行实时分析处理后得到电容数据和时间数据，并将电容数据和时间数据以可视化的方式通过上位机显示，同时在上位机的指定位置进行数据存储。

2.根据权利要求1所述一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统，其特征在于，所述数据处理模块将处理好的数据按照通道号分别以可视化的方式显示在上位机的屏幕上，同时在上位机的指定位置以Excel格式进行数据存储。

3.根据权利要求1所述一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统，其特征在于，包括用于控制仿生机械手手指转动角度变化的方法和用于控制舵机的正反转动速度的方法；

用于对仿生机械手手指转动角度变化的控制方法包括在仿生机械手舵机的控制电路中选取仿生机械手舵机的脉冲宽度调制波信号作为控制信号，通过单片机调节脉冲宽度调制波中占空比的方式实现；

用于控制舵机的正反转动速度的方法包括设定柔性触觉传感器的触觉压力阈值范围，建立当前电容数值与期望电容阈值的误差值与舵机脉冲宽度调制波占空比变化比例的反馈变化关系。

4.一种电容检测芯片检测柔性触觉传感器电容信号的方法，应用于权利要求1-3任意一项所述的一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统，其特征在于，所述方法通过多通道进行检测，包括以下步骤：

S1：当上电后，单片机和电容检测芯片自动进入初始化程序，单片机初始化串口通信，建立与上位机之间的串口通信联系；单片机初始化I²C通信，与电容检测芯片建立通信；

S2：完成通信初始化后，单片机对多路复用器进行选通，选通多路复用器的第一个多路输入通道作为初始检测通道；设置中断优先级和中断执行程序，为后续的多通道电容检测建立基础；

S3：控制单片机对电容检测芯片的内部寄存器进行设置，初始化电容检测芯片，依次设置电容检测芯片的电容转换通道、电容信号检测模式、电容信号转换时间、激励引脚设置和转换模式的寄存器；

S4：等待电容检测芯片对柔性触觉传感器进行检测，在完成一次检测后，电容检测芯片向单片机发送中断请求，单片机在接收到中断请求后一次性读取电容数字检测芯片的指定位置的三个地址连续的多个数据寄存器中的电容数据，并将数据寄存器中的电容数据进行整合，整合后的初步数据重新计算为指定格式的浮点数据，在将通道号加入到数据之前，完成数据整合后单片机控制多路复用器进行通道切换，切换为多路复用器的下一个输入通道，同时向上位机发送刚刚读取到的电容数据；依次往复，直至程序终止。

5.根据权利要求4所述一种电容检测芯片检测柔性触觉传感器电容信号的方法，其特征在于，所述柔性触觉传感器的阵列电容-电压电极中单个电容传感像素点的电容值在1-10pF数量级，将一个外部激励信号加到被测电容上，对被测的电容进行快速连续的充放电，随后利用电荷放大器对被测电容进行连续采样，获得与被测电容成比例的幅度、频率和占空比调制信号，调制信号再经过模拟信号到数字量的AD模数转换后计算出电容的容值。

6.一种仿生机械手基于PID算法对柔性触觉传感器的电容信号进行反馈控制方法，基于权利要求1-3任意一项所述的一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统，其特征在于，所述方法通过建立舵机旋转角度、电容传感器信号和应力大小三者之间的关系，实现仿生机械手对外部物体进行准确和稳定的抓握；PID算法的基本公式为：

；

以上公式中：Kp为比例系数、Ki为积分系数、Kd为微分系数，u（t）表示本次输出量，e（t）表示本次运算期望值和上次输出值之间的差值，本次运算期望值为舵机的转动速率，本次输出量是舵机在单位时间内PWM（脉冲宽度调制）波占空比的变化率所导致的舵机转动角速度的变化率；当控制量和预期设定值之间存在较大差距时，取消PID控制算法中积分系数Ki；当控制量和期望值之间的差距较小时，引入积分系数Ki；

仿生机械手对柔性触觉传感器的电容信号进行反馈控制的方法包括以下步骤：

S1：创建一个数据结构体，该结构体包含PID控制的主要参数；

S2：建立脉冲宽度调制波与舵机转动角度之间的关系；

S3：建立电容和应力之间的关系方程并将方程公式输入程序，将PID算法的输入值转换为电容数值；

S4：计算电容实际值和电容设定阈值之间的差值，通过差值的大小控制脉冲宽度调制波占空比的变化速度，从而控制舵机角度转动的快慢。

7.根据权利要求6所述一种仿生机械手基于PID算法对柔性触觉传感器的电容信号进行反馈控制方法，其特征在于，仿生机械手对柔性触觉传感器的电容信号进行反馈控制的方法在每次启动执行后，以电容的初始值1pF作为模拟输入，使PID控制程序做一次运算，得到对应的脉冲宽度调制波占空比变化速度，使仿生机械手开始抓取；每次中断时读取最新的电容数值，输入程序中做下一次运算，如此往复达到稳定状态，实现对物体的稳定抓取。

8.一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统的使用方法，应用于权利要求1-3任意一项所述的一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统，其特征在于，所述方法包括：

S1：启动上位机，初始化参数至符合设定的通信要求；

S2：启动程序完成参数配置，且数据通信模块尝试通信无误后，程序将自动进入可视化程序；

S3：所述数据采集模块实时获取经由单片机发送的电容数字芯片检测到的柔性触觉传感器的电容数据和采集的系统时间；

S4：所述数据处理模块对数据采集模块所采集到的数据进行实时分析处理后得到电容数据和时间数据，并将电容数据和时间数据以可视化的方式通过上位机显示，同时在上位机的指定位置进行数据存储。

9.根据权利要求8所述的一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统的使用方法，其特征在于，步骤S3中数据采集模块的具体工作步骤包括：

S31：读取由单片机发来的从电容数字芯片上检测得到的电容数值，然后将浮点类型的电容数值转换为指定格式的科学计数法数值并将其显示在前面板的“实时数据”位置上，随后将科学计数法数值转换为指定宽度的字符串格式文本，完成对数据信号的预处理；

S32：在完成对读取的数据的预处理后，立刻获取当前的系统时间，并将当前的系统时间与启动检测时记录的系统时间进行差值计算，得到当前系统运行的相对时间并将其显示在前面板的“运行时间（s）”位置上；

S33：将程序运行的相对时间数据转换为指定长度的字符串，在转换完成后按照电容数据字符串在前，相对时间字符串数据在后的顺序，将两个字符串连接在一起获得一个捆绑数据字符串，随后将该字符串压入数据队列，完成实时数据的生成。

10.根据权利要求9所述的一种具有柔性触觉传感器的机械手抓握控制系统的使用方法，其特征在于，所述步骤S4中数据处理模块的具体工作步骤包括：

S41：判断数据队列中是否存在数据元素，如果数据队列中没有数据元素则表明实时数据采集模块尚未从单片机中获取电容数据，此时实时数据处理模块进入等待状态，直至数据队列中开始出现数据元素为止；如果数据队列中有数据元素，则数据队列按照先进先出的原则，弹出最先进入数据队列的一个数据元素，即实时数据采集模块中生成的捆绑数据字符串；

S42：在获取数据元素后，按照实时数据采集模块中处理电容数据和时间数据的方式进行反向操作，将数据元素重新拆分为电容数据字符串和相对时间字符串；对电容数据字符串的第一个数据位进行检验获取电容数据对应通道号，依照通道号将电容数据和相对时间数据送入对应的通道处理程序；在通道处理程序中将电容数据和对应的相对时间数据重新从字符串状态转换为指定位数的浮点型数值格式；

S43：电容数据存入对应通道号的数据顺序队列中，相对时间数据存入对应通道号的时间顺序队列中，且数据顺序队列中的电容数据与时间顺序队列中的时间数据处于一一对应状态；

S44：将时间顺序队列中的时间数据作为横坐标数据，将电容顺序队列中的电容数据作为纵坐标数据，利用XY图绘制时间-电容图并将其显示在前面板上的对应位置，实现对电容数据的可视化；

S45：实时数据采集模块停止运行，依照前面板上时间-电容图上的坐标点顺序记录相应数值，然后将记录到的数值依照时间在前，电容数值在后的顺序依次写入数据表格中，最后将数据表格在指定的位置进行存储。

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