一種基于柔性壓阻材料的點(diǎn)陣式壓力檢測系統(tǒng)及檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明公開了一種基于柔性壓阻材料的點(diǎn)陣式壓力檢測系統(tǒng)及檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著人們對(duì)機(jī)器人研究的不斷深入，機(jī)器人觸覺已經(jīng)成為了一個(gè)熱門研究課題。 觸覺是一種與環(huán)境接觸的基本感覺，尤其當(dāng)環(huán)境不能完全確定和描述時(shí)，觸覺信息尤為重 要?，F(xiàn)在，觸覺的研究熱點(diǎn)之一是實(shí)現(xiàn)柔性觸覺傳感器陣列對(duì)壓力分布的檢測。目前，柔性 觸覺傳感器陣列實(shí)現(xiàn)壓力分布檢測主要有以下兩種方法：
[0003] -種為低密度傳感器陣列，單個(gè)傳感器按幾何規(guī)律排成簡單陣列，或者按實(shí)際需 求分布在所需位置。這種傳感器陣列響應(yīng)時(shí)間短，成本低，但是測量的范圍有限，只能檢測 壓力分布的大概位置，不能具體精確到某一點(diǎn)。因此這種傳感器陣列實(shí)際使用精度較低。
[0004] -種為高密度集成傳感器陣列，傳感器單元之間的距離為毫米級(jí)甚至微米級(jí)。當(dāng) 物體加載在該傳感器陣列上時(shí)，根據(jù)每個(gè)傳感器單元的反饋能夠得到類似于計(jì)算機(jī)圖像數(shù) 據(jù)的觸覺數(shù)據(jù)，也可以稱之為"觸覺圖像"。隨后將物體加載后對(duì)應(yīng)的觸覺圖像進(jìn)行定義與 特征提取并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)傳感器再次獲取觸覺圖像時(shí)便進(jìn)行匹配，從而能夠分析出 觸碰物體所在位置。該方法較高的精度，但是計(jì)算量大，響應(yīng)時(shí)間長，需要大量的實(shí)驗(yàn)與數(shù) 據(jù)進(jìn)行定義分類，并且陣列制造復(fù)雜，成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提出了一種能夠避免上述缺點(diǎn)，計(jì)算量小，響應(yīng)時(shí) 間快，檢測壓力分布精度高，成本較低的基于柔性壓阻材料的點(diǎn)陣式壓力檢測系統(tǒng)及檢測 方法，本發(fā)明采用具有壓阻特性的柔性薄膜傳感器作為柔性傳感器單元，利用柔性材料封 裝多個(gè)傳感器單元構(gòu)成該壓力檢測系統(tǒng)的主體一一柔性壓力傳感器陣列。通過多個(gè)傳感器 的輸出電壓值，采用三點(diǎn)定位算法，再根據(jù)封裝材料的特性反演出傳感器陣列區(qū)域上的壓 力大小及壓力點(diǎn)位置。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0007] 一種基于柔性壓阻材料的點(diǎn)陣式壓力檢測系統(tǒng)，包括柔性壓力傳感器陣列，所述 的柔性壓力傳感器陣列中的柔性傳感器單元與信號(hào)采集電路相連，所述的信號(hào)采集電路與 A/D轉(zhuǎn)換電路相連，所述的A/D轉(zhuǎn)換電路將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行處理。
[0008] 進(jìn)一步的，所述的柔性傳感器單元由電源供電。
[0009] 進(jìn)一步的，所述柔性陣列運(yùn)用聚二甲基硅氧烷(PDMS)對(duì)柔性傳感器單元進(jìn)行封 裝。與柔性傳感器單元與導(dǎo)線以及外部皆具有良好的絕緣性，能夠防止外界接觸物對(duì)該陣 列的電干擾。
[0010] 進(jìn)一步的，所述的柔性壓力傳感器陣列為一個(gè)方形結(jié)構(gòu)，多個(gè)柔性傳感器單元按 照等邊三角形陣列的方式封裝在方形結(jié)構(gòu)內(nèi)，相鄰的三個(gè)柔性傳感器單元構(gòu)成一個(gè)等邊三 角形。
[0011] 進(jìn)一步的，所述信號(hào)采集電路包含多個(gè)分路，每一個(gè)分路都通過導(dǎo)線與一個(gè)傳感 器單元相連;信號(hào)采集電路每一路結(jié)構(gòu)相同，包括與導(dǎo)線相連的低通濾波電路，與濾波電路 相連的運(yùn)算放大電路，以及與運(yùn)放電路相連的A/D轉(zhuǎn)換電路。
[0012] 本發(fā)明檢測系統(tǒng)的檢測方法如下：
[0013] 步驟1.傳感器陣列接通電源后，對(duì)陣列某一點(diǎn)施加壓力；
[0014] 步驟2.信號(hào)采集電路采集柔性傳感器單元的輸出電壓后進(jìn)行放大與濾波，消除接 觸阻抗影響；
[0015] 步驟3.A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)處理后的電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)；
[0016] 步驟4.上位機(jī)采用三點(diǎn)定位算法對(duì)步驟3得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，得到陣列所 受壓力的大小以及壓力點(diǎn)位置。
[0017] 三點(diǎn)定位算法步驟：
[0018] 步驟1.對(duì)比每個(gè)柔性傳感器單元的電壓值，根據(jù)每個(gè)傳感器單元電壓值的大小， 判斷施加壓力點(diǎn)是否落在了柔性傳感器單元形成的三角形區(qū)域內(nèi)，如果落在了三角形區(qū)域 內(nèi)，則進(jìn)入步驟2,如果沒有落在三角形區(qū)域內(nèi)，則該次測量無效；
[0019] 步驟2.將對(duì)應(yīng)該三角形的三個(gè)柔性傳感器單元的輸出值帶入下述方程中，
[0020]
[0021]
[0022]其中：KA，Kb，Κο分別為三個(gè)傳感器單元的傳感系數(shù)(預(yù)先標(biāo)定測得），VA，V B，Vo為三 個(gè)傳感器單元的輸出電壓，Sa，Sb，So為三個(gè)傳感器單元離接觸點(diǎn)距離，L為等邊三角形邊長， x，y為施加壓力點(diǎn)坐標(biāo)。
[0023] 通過上述的方程可以求得陣列所受壓力的大小以及位置。
[0024]本發(fā)明的有益效果如下：
[0025] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比，本發(fā)明能夠應(yīng)用于柔性點(diǎn)陣式觸覺傳感器的壓力分布檢 測，利用每個(gè)傳感器單元之間的相互數(shù)據(jù)，能夠精確檢測壓力的大小以及位置，并且結(jié)構(gòu)簡 單，精度高，同時(shí)計(jì)算量較少，響應(yīng)速度快，易于傳感器陣列的模塊化，提高了單個(gè)傳感器的 效率。
【附圖說明】
[0026] 圖1本發(fā)明的傳感器陣列結(jié)構(gòu)簡圖；
[0027]圖2傳感器側(cè)面剖示圖；
[0028]圖3陣列形成的三角形區(qū)域圖；
[0029]圖4定位算法分析圖；
[0030]圖5本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)圖；
[0031]圖6信號(hào)采集電路其中一路的信號(hào)采集電路圖；
[0032]圖中：1傳感器單元，2柔性壓力傳感器陣列，3三角形檢測區(qū)域，4信號(hào)采集電路，5 數(shù)據(jù)采集卡，6上位機(jī)，7電源。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明：
[0034]本發(fā)明的柔性點(diǎn)陣式壓力檢測系統(tǒng)主要包括柔性壓力傳感器陣列2、柔性壓力傳 感器陣列2包括柔性傳感器單元1和封裝柔性傳感器單元1的柔性材料、連接電源與柔性傳 感器單元的多股銅芯導(dǎo)線、信號(hào)采集電路4、進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的16位數(shù)據(jù)采集卡5以及上位機(jī)6 的數(shù)據(jù)處理程序總共六個(gè)部分。
[0035]柔性陣列運(yùn)用聚二甲基硅氧烷(PDMS)對(duì)柔性傳感器單元進(jìn)行封裝。與柔性傳感器 單元與導(dǎo)線以及外部皆具有良好的絕緣性，能夠防止外界接觸物對(duì)該陣列的電干擾。該陣 列尺寸為80mm*80mm*8mm，柔性傳感器單元放置在邊長20mm的等邊三角形的頂點(diǎn)上，總共由 6個(gè)柔性傳感器單元構(gòu)成4個(gè)等邊三角形檢測區(qū)域3。
[0036]信號(hào)采集電路4包含多個(gè)分路，每一個(gè)分路都通過導(dǎo)線與一個(gè)傳感器單元1相連。 信號(hào)采集電路4每一路結(jié)構(gòu)相同，主要包括與導(dǎo)線相連的低通濾波電路，與濾波電路相連的 運(yùn)算放大電路，以及與運(yùn)放電路相連的進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的USB數(shù)據(jù)采集卡。
[0037]柔性壓力傳感器陣列2和信號(hào)采集電路4由電源供電。
[0038] 采用本發(fā)明檢測系統(tǒng)的檢測方法如下：
[0039] 1.傳感器陣列接通電源后，當(dāng)在陣列某一點(diǎn)施加壓力時(shí)，由于柔性傳感器單元(柔 性薄膜傳感器)的壓阻效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致柔性傳感器單元輸出電壓發(fā)生改變。
[0040] 2.柔性傳感器單元的輸出電壓進(jìn)入采集電路進(jìn)行放大與