CN118010200A - 曲面阵列式触觉传感器及其标定装置与标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及触觉传感器设备技术领域，具体为曲面阵列式触觉传感器及其标定装置与标定方法，其中曲面阵列式触觉传感器包括支撑底座、柔性电路板、橡胶套；柔性电路板包裹在支撑底座的外侧面上，柔性电路板上集成有多个压力测量芯片、多通道选择芯片；多个压力测量芯片通过多通道选择芯片与微控制器的一端电连接，微控制器的另一端与外部的上位机电连接；微控制器通过多通道选择芯片实现多个压力测量芯片的控制切换；橡胶套包裹在柔性电路板的外侧；外部的上位机上安装有数据处理模块。本发明采用一体化设计，多个压力测量芯片集成在一块柔性电路板上，各压力测量芯片相互独立，且分别与多通道选择芯片单独连接，便于信息的简单获取。

Description

曲面阵列式触觉传感器及其标定装置与标定方法

技术领域

本发明涉及触觉传感器设备技术领域，特别涉及一种曲面阵列式触觉传感器及其标定装置与标定方法。

背景技术

机器人是高端智能制造和高新技术的代表性装备，其在机械制造，航空航天，服务机器人等领域具有非常多的应用。其中作为机器人末端执行器的机械手更是扩展了机器人的工作范围，提升了机器人执行复杂任务的水平。比如机械手可以完成辅助宇航员完成空间站维护任务、完成工业制造中的工厂流水线操作以及在医疗手术中辅助医生完成精细手术操作等。

通过赋予机械手触觉感知可以增强其灵巧抓取操作能力。在一般的机器人抓取操作系统中，多采用视觉传感器完成目标识别，但在狭小和黑暗环境中会造成视觉受限，此时触觉传感器的引入可以提高对此类环境的任务执行成功率。并且触觉传感器也可以执行诸如物体形状区分，硬度识别等特殊任务。加强了机器人对环境的感知能力。

为了能扩展机械手的应用范围，需要为其设计曲面触觉传感器。此外，接触信息的检测还需要稳定的标定算法支撑。目前标定方式多针对于平面传感器设计，对曲面传感器的标定方式涉及不多。

发明内容

本发明提供了一种曲面阵列式触觉传感器及其标定装置与标定方法，以解决现有触觉传感器感知能力不佳的技术问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种曲面阵列式触觉传感器，包括支撑底座、柔性电路板、橡胶套；

柔性电路板包裹在支撑底座的外侧面上，柔性电路板上集成有多个压力测量芯片、多通道选择芯片；多个压力测量芯片通过多通道选择芯片与外部的微控制器的一端电连接，外部的微控制器的另一端与外部的上位机电连接；外部的微控制器通过多通道选择芯片实现多个压力测量芯片的控制切换；

橡胶套包裹在柔性电路板的外侧；

外部的上位机上安装有数据处理模块，数据处理模块用于对多个压力测量芯片测量的压力数据进行标定算法计算，得到实时按压点的位置和压力值。

进一步地，所述橡胶套的外侧面由半球面和圆柱面构成，多个压力测量芯片依据支撑底座的外侧面的面积大小分成两组，并分别安装在半球面和圆柱面内。

进一步地，所述压力测量芯片的数量为25个，25个压力测量芯片均选用MS5837压力测量芯片。

进一步地，所述数据处理模块包括曲面类型分类网络、半球面位置网络、半球面力值网络、圆柱面位置网络和圆柱面力值网络；

曲面类型分类网络用于对多个压力测量芯片所测得的压力数据进行分类，并依据分类的结果，将压力数据输入到与半球面对应的半球面位置网络和半球面力值网络中，或者将压力数据输入到与圆柱面对应的圆柱面位置网络和圆柱面力值网络中；

半球面位置网络、半球面力值网络均用于对压力数据进行标定计算，分别得到按压点在半球面上的按压位置和压力值；

圆柱面位置网络和圆柱面力值网络均用于对压力数据进行标定计算，分别得到按压点在圆柱面上的按压位置和压力值。

进一步地，所述曲面类型分类网络、半球面位置网络、半球面力值网络、圆柱面位置网络和圆柱面力值网络均采用神经网络。

本发明另一方面还提供一种曲面阵列式触觉传感器的标定装置，对以上所述的曲面阵列式触觉传感器进行标定，包括三轴运动系统、上旋转机构、下旋转机构、力传感器、压头；

三轴运动系统包括支撑板、三轴运动模块和电控柜；三轴运动模块安装在支撑板上；

上旋转机构安装在三轴运动模块的活动端上；

力传感器的一端与上旋转机构连接；

力传感器的另一端与压头连接；

曲面阵列式触觉传感器通过下旋转机构安装在支撑板上；

电控柜安装在三轴运动模块旁，电控柜与三轴运动模块电连接；外部的上位机分别与电控柜、上旋转机构、下旋转机构、力传感器电连接。

进一步地，所述三轴运动模块包括X轴运动组件、Y轴运动组件和Z轴运动组件；

X轴运动组件安装在Y轴运动组件的活动端上，Z轴运动组件安装在X轴运动组件的活动端上，上旋转机构安装在Z轴运动组件的活动端上。

进一步地，所述上旋转机构包括转接件一、旋转电机、转接件二；

旋转电机通过转接件一安装在Z轴运动组件的活动端上，转接件二通过旋转电机连接在转接件一上；

下旋转机构包括旋转底盘和转接件三；

转接件三通过旋转底盘连接到支撑板上，曲面阵列式触觉传感器通过转接件三安装在旋转底盘的活动端上。

本发明另一方面还提供一种曲面阵列式触觉传感器的标定方法，使用以上所述的标定装置进行标定，具体包括如下步骤：

步骤S1、搭建标定装置；

步骤S2、使用标定装置和曲面阵列式触觉传感器建立数据集；

步骤S3、建立初始的数据处理模块，利用数据集对初始的数据处理模块进行训练，得到训练后的数据处理模块；

步骤S4、利用训练后的数据处理模块作为最终的数据处理模块。

本发明的有益效果：

1、本发明采用一体化设计，易于维护更新，多个压力测量芯片均集成在柔性电路板上，各个压力测量芯片均与多通道选择芯片独立电连接，各个压力测量芯片可直接与微控制器进行通信，便于信息的简单获取；

2、本发明中的支撑底座和橡胶套均采用曲面式设计，曲面形式可依据具体灵巧手应用场景灵活改变，方便机械手对物体实施各种操作；

3、本发明中的各个压力测量芯片均匀分布在支撑底座和橡胶套之间，可使得安装在机械手上的曲面阵列式触觉传感器可以从多角度全方位感知与物体的接触状态；

4、由于本发明由多个压力测量芯片组成，基本不受强磁干扰，抗干扰能力强，且不受环境光影响，计算成本相对较低。

附图说明

图1为曲面阵列式触觉传感器的三维结构示意图；

图2为本发明中支撑底座的三维结构示意图；

图3为柔性电路板的三维结构示意图的放大图；

附图标记说明：

1、支撑底座；11、指尖部；12、中间部；121、圆孔；122、电路延伸孔；13、连接部；131、连接孔；

2、柔性电路板；21、压力测量芯片；22、多通道选择芯片；

3、橡胶套；31、半球面；32、圆柱面。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。在本发明的描述中，相关方位或位置关系为基于图1所示的方位或位置关系，其中，“上”、“下”是指图1的上下方向，以图1为例，垂直纸面向上为上，垂直纸面向下为下，垂直纸面向左为左，垂直纸面向右为右，垂直纸面向内为前，垂直纸面向外为后，左右方向为横向，上下方向为竖向。需要理解的是，这些方位术语仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，在本发明中的“第一”、“第二”等描述，仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或顺序。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

参照图1，本申请实施例提供了一种曲面阵列式触觉传感器，包括支撑底座1、柔性电路板2、橡胶套3；

支撑底座1包括指尖部11、中间部12和连接部13；指尖部11、中间部12和连接部13采用一体化设计，指尖部11通过中间部12设置在连接部13的上侧；中间部12上开设有多个圆孔121和一个电路延伸孔122，多个圆孔121用于橡胶的浇注，电路延伸孔122用于柔性电路板2的跨接；连接部13上开设有连接孔131，支撑底座1通过连接孔131与机械手连接。

柔性电路板2包裹在支撑底座1的外侧面上，柔性电路板2上集成有多个压力测量芯片21、多通道选择芯片22；多个压力测量芯片21通过多通道选择芯片22与外部的微控制器的一端电连接，外部的微控制器的另一端与外部的上位机电连接；外部的微控制器通过多通道选择芯片22实现多个压力测量芯片21的控制切换；微控制器依次获取多个压力测量芯片21的压力信息。

橡胶套3包裹在柔性电路板2的外侧；橡胶套3采用浇注的形式包裹在柔性电路板2的外侧；

外部的上位机上安装有数据处理模块，数据处理模块用于对多个压力测量芯片21测量的压力数据进行标定算法计算，得到实时按压点的位置和压力值。

在本实施例中，所述橡胶套3的外侧面由半球面31和圆柱面32构成，多个压力测量芯片21依据支撑底座1的外侧面的面积大小分成两组，并分别安装在半球面31和圆柱面32内。

在本实施例中，所述压力测量芯片的数量为25个，25个压力测量芯片均选用MS5837压力测量芯片。MS5837压力测量芯片作为一种压力传感器，可以感知柔性电路板2上浇注橡胶后的压力。

在本实施例中，所述数据处理模块包括曲面类型分类网络、半球面位置网络、半球面力值网络、圆柱面位置网络和圆柱面力值网络；

曲面类型分类网络用于对多个压力测量芯片所测得的压力数据进行分类，并依据分类的结果，将压力数据输入到与半球面31对应的半球面位置网络和半球面力值网络中，或者将压力数据输入到与圆柱面32对应的圆柱面位置网络和圆柱面力值网络中；

半球面位置网络、半球面力值网络均用于对压力数据进行标定计算，分别得到按压点在半球面31上的按压位置和压力值；

圆柱面位置网络和圆柱面力值网络均用于对压力数据进行标定计算，分别得到按压点在圆柱面32上的按压位置和压力值。

在本实施例中，所述曲面类型分类网络、半球面位置网络、半球面力值网络、圆柱面位置网络和圆柱面力值网络均采用神经网络。

曲面阵列式触觉传感器在开机启动后，微控制器实时采集当前所有压力测量芯片21的数据，然后利用数据传输线将数据传送到上位机的数据处理模块中，上位机的数据处理模块将采集的结果利用标定算法计算出当前实时按压点位置和按压力大小，并进行数据的多态化显示。

本发明另一方面还提供一种曲面阵列式触觉传感器的标定装置，对以上所述的曲面阵列式触觉传感器进行标定，包括三轴运动系统、上旋转机构、下旋转机构、力传感器、压头；

三轴运动系统包括支撑板、三轴运动模块和电控柜；三轴运动模块安装在支撑板上；

上旋转机构安装在三轴运动模块的活动端上；

力传感器的一端与上旋转机构连接；

力传感器的另一端与压头连接；

曲面阵列式触觉传感器通过下旋转机构安装在支撑板上；

电控柜安装在三轴运动模块旁，电控柜与三轴运动模块电连接；外部的上位机分别与电控柜、上旋转机构、下旋转机构、力传感器电连接。

在本实施例中，所述三轴运动模块包括X轴运动组件、Y轴运动组件和Z轴运动组件；

X轴运动组件安装在Y轴运动组件的活动端上，Z轴运动组件安装在X轴运动组件的活动端上，上旋转机构安装在Z轴运动组件的活动端上。X轴运动组件、Y轴运动组件和Z轴运动组件的控制方式为上位机与电控柜通信编程控制。可以根据自己的程序指令，准确运动到指定位置。

在本实施例中，所述上旋转机构包括转接件一、旋转电机、转接件二；

旋转电机通过转接件一安装在Z轴运动组件的活动端上，转接件二通过旋转电机连接在转接件一上；

下旋转机构包括旋转底盘和转接件三；

转接件三通过旋转底盘连接到支撑板上，曲面阵列式触觉传感器通过转接件三安装在旋转底盘的活动端上。

本发明中的标定装置采用自动化标定，相对传统的人工标定，自动化程度更高，同时标定的效率更高。

本发明另一方面还提供一种曲面阵列式触觉传感器的标定方法，使用以上所述的标定装置进行标定，具体包括如下步骤：

步骤S1、搭建标定装置；

步骤S2、使用标定装置和曲面阵列式触觉传感器建立数据集；

在本实施例中，步骤S2具体包含如下步骤：

步骤S21、利用标定装置对圆柱面32进行数据采集；

步骤S22、利用标定装置对半球面31进行数据采集；

步骤S3、建立初始的数据处理模块，利用数据集对初始的数据处理模块进行训练，得到训练后的数据处理模块；

数据处理模块包括曲面类型分类网络、半球面位置网络、半球面力值网络、圆柱面位置网络和圆柱面力值网络，且均采用神经网络。

数据处理模块共采用五个神经网络对数据进行预测。

五个网络的中间隐含层采用单/多隐含层形式，隐含层的个数可以依据复杂程度设定。

步骤S4、利用训练后的数据处理模块作为最终的数据处理模块。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。并且，本发明各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种曲面阵列式触觉传感器，其特征在于：包括支撑底座(1)、柔性电路板(2)、橡胶套(3)；

柔性电路板(2)包裹在支撑底座(1)的外侧面上，柔性电路板(2)上集成有多个压力测量芯片(21)、多通道选择芯片(22)；多个压力测量芯片(21)通过多通道选择芯片(22)与外部的微控制器的一端电连接，外部的微控制器的另一端与外部的上位机电连接；外部的微控制器通过多通道选择芯片(22)实现多个压力测量芯片(21)的控制切换；

橡胶套(3)包裹在柔性电路板(2)的外侧；

外部的上位机上安装有数据处理模块，数据处理模块用于对多个压力测量芯片(21)测量的压力数据进行标定算法计算，得到实时按压点的位置和压力值。

2.根据权利要求1所述的曲面阵列式触觉传感器，其特征在于，所述橡胶套(3)的外侧面由半球面(31)和圆柱面(32)构成，多个压力测量芯片(21)依据支撑底座(1)的外侧面面积大小分成两组，并分别安装在半球面(31)和圆柱面(32)内。

3.根据权利要求2所述的曲面阵列式触觉传感器，其特征在于，所述压力测量芯片的数量为25个，25个压力测量芯片均选用MS5837压力测量芯片。

4.根据权利要求2或3所述的曲面阵列式触觉传感器，其特征在于，所述数据处理模块包括曲面类型分类网络、半球面位置网络、半球面力值网络、圆柱面位置网络和圆柱面力值网络；

曲面类型分类网络用于对多个压力测量芯片所测得的压力数据进行分类，并依据分类的结果，将压力数据输入到与半球面(31)对应的半球面位置网络和半球面力值网络中，或者将压力数据输入到与圆柱面(32)对应的圆柱面位置网络和圆柱面力值网络中；

半球面位置网络、半球面力值网络均用于对压力数据进行标定计算，分别得到按压点在半球面(31)上的按压位置和压力值；

圆柱面位置网络和圆柱面力值网络均用于对压力数据进行标定计算，分别得到按压点在圆柱面(32)上的按压位置和压力值。

5.根据权利要求4所述的曲面阵列式触觉传感器，其特征在于，所述曲面类型分类网络、半球面位置网络、半球面力值网络、圆柱面位置网络和圆柱面力值网络均采用神经网络。

6.一种曲面阵列式触觉传感器的标定装置，其特征在于，用于对权利要求5所述的曲面阵列式触觉传感器进行标定，包括三轴运动系统、上旋转机构、下旋转机构、力传感器、压头；

三轴运动系统包括电控柜、支撑板和三轴运动模块；三轴运动模块安装在支撑板上；电控柜安装在三轴运动模块旁，电控柜与三轴运动模块电连接；

上旋转机构安装在三轴运动模块的活动端上；

力传感器的一端与上旋转机构连接，力传感器的另一端与压头连接；

曲面阵列式触觉传感器通过下旋转机构安装在支撑板上；

外部的上位机分别与电控柜、上旋转机构、下旋转机构、力传感器电连接。

7.根据权利要求6所述的标定装置，其特征在于，所述三轴运动模块包括X轴运动组件、Y轴运动组件和Z轴运动组件；

X轴运动组件安装在Y轴运动组件的活动端上，Z轴运动组件安装在X轴运动组件的活动端上，上旋转机构安装在Z轴运动组件的活动端上。

8.根据权利要求7所述的标定装置，其特征在于，所述上旋转机构包括转接件一、旋转电机、转接件二；

旋转电机通过转接件一安装在Z轴运动组件的活动端上，转接件二通过旋转电机连接在转接件一上；

下旋转机构包括旋转底盘和转接件三；

转接件三通过旋转底盘连接到支撑板上，曲面阵列式触觉传感器通过转接件三安装在旋转底盘的活动端上。

9.一种曲面阵列式触觉传感器的标定方法，其特征在于，使用权利要求6至8任一项所述的标定装置进行标定，具体包括如下步骤：

步骤S1、搭建标定装置；

步骤S2、使用标定装置和曲面阵列式触觉传感器建立数据集；

步骤S3、建立初始的数据处理模块，利用数据集对初始的数据处理模块进行训练，得到训练后的数据处理模块；

步骤S4、利用训练后的数据处理模块作为最终的数据处理模块。