一種識(shí)別三維方向的觸覺(jué)傳感系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)器人觸覺(jué)傳感領(lǐng)域，尤其涉及一種識(shí)別三維方向的觸覺(jué)傳感系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)化自動(dòng)水平的提高，智能化產(chǎn)品(如智能機(jī)器人)已經(jīng)成為目前國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)前沿和研究重點(diǎn)。而觸覺(jué)傳感技術(shù)在智能機(jī)器人感知能力中起著不可替代的作用，是對(duì)視覺(jué)傳感技術(shù)的重要補(bǔ)充。觸覺(jué)傳感器可以判斷機(jī)器人是否接觸到外界物體或者測(cè)量被接觸物體的物理特征，因此，觸覺(jué)傳感技術(shù)更接近智能化的精髓，它相當(dāng)于一條紐帶連接著感覺(jué)與行動(dòng)，是智能化操作中必不可少的一部分。因此觸覺(jué)感知可以提高人機(jī)交互水平從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人的自主操作。
[0003]目前觸覺(jué)傳感技術(shù)大多用于物體形狀的識(shí)別，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于人的觸覺(jué)感知系統(tǒng)。由于一般的人機(jī)交互涉及到多維動(dòng)力學(xué)，而觸覺(jué)陣列系統(tǒng)僅具有單向壓力感知能力，這意味它很容易識(shí)別二維方向，難以識(shí)別三維方向。但三維方向識(shí)別對(duì)人機(jī)交互非常重要，它能夠把人的意圖轉(zhuǎn)化成可被智能識(shí)別的信息。在本發(fā)明中，將使用單點(diǎn)式觸覺(jué)傳感器，貼在球體模型表面，用來(lái)研究三維方向的識(shí)別。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中觸覺(jué)陣列系統(tǒng)僅具有單向壓力感知能力，難以識(shí)別三維方向壓力的缺陷，提供一種能夠準(zhǔn)確的、迅速的識(shí)別三維方向的觸覺(jué)傳感系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:
[0006]本發(fā)明提供一種識(shí)別三維方向的觸覺(jué)傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟:
[0007]S1、建立三維模型，并用3D打印機(jī)打印出該三維模型；
[0008]S2、在三維模型的表面設(shè)置多片壓力傳感器，內(nèi)部設(shè)置有微處理器，并將各個(gè)壓力傳感器與微處理器的對(duì)應(yīng)引腳相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；
[0009]S3、微處理器與外部處理端通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行觸覺(jué)傳感數(shù)據(jù)的傳輸；
[0010]S4、外部處理端接收到觸覺(jué)傳感數(shù)據(jù)后，對(duì)其進(jìn)行編程處理。
[0011]進(jìn)一步地，本發(fā)明的步驟SI中建立三維模型的具體方法包括:
[0012]S11、選取一個(gè)基準(zhǔn)面，畫(huà)出二維草圖，包括一個(gè)半圓、一條曲線(xiàn)和一個(gè)正方形，然后用旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)命令，以軸線(xiàn)為中心旋轉(zhuǎn)，得到三維立體圖；
[0013]S12、使用抽殼命令，將球體內(nèi)部挖空；
[0014]S13、使用拉伸切除命令，根據(jù)壓力傳感器的數(shù)量，將球體切出多個(gè)用于安裝傳感器的孔，并在球體的圓柱形底座上設(shè)置多個(gè)用于安裝固定螺絲的螺絲孔。
[0015]進(jìn)一步地，本發(fā)明的步驟SI中建立三維模型的具體方法還包括:
[0016]S14、選取一個(gè)基準(zhǔn)面，畫(huà)出一個(gè)正方形的二維草圖，然后用旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)命令，以軸線(xiàn)為中心旋轉(zhuǎn)，得到三維立體圖，即長(zhǎng)方體底座；
[0017]S14、選取一個(gè)基準(zhǔn)面，畫(huà)出一個(gè)正方形的二維草圖，然后使用拉伸凸臺(tái)命令，將正方形拉伸一定的高度，得到三維立體圖，即長(zhǎng)方體底座；
[0018]S15、在長(zhǎng)方體底座的中間設(shè)置多個(gè)用于安裝螺絲的螺絲孔。
[0019]進(jìn)一步地，本發(fā)明的步驟S4中電腦對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法具體為:
[0020]打開(kāi)MATLAB運(yùn)行界面，設(shè)置好通信串口和波特率以及采集數(shù)據(jù)的組數(shù)，點(diǎn)擊“start”按鈕開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)傳感器某一正方向施力幾秒鐘后，數(shù)據(jù)采集完畢，并且自動(dòng)存到MATLAB中；然后點(diǎn)擊“resultant_force”按鈕可以在運(yùn)行界面上看到傳感器的受力情況；點(diǎn)擊“RBF_train”按鈕可以看到處理數(shù)據(jù)后的殘差；點(diǎn)擊“Recognit1n”按鈕，可以看到東、西、南、北、下幾個(gè)方向上受力的組數(shù)，從而驗(yàn)證三維方向受力的準(zhǔn)確度。
[0021]本發(fā)明提供一種識(shí)別三維方向的觸覺(jué)傳感系統(tǒng)，包括內(nèi)空球體，所述內(nèi)空球體根據(jù)權(quán)利要求1-4所述的設(shè)計(jì)方法得到，所述內(nèi)空球體上設(shè)置有多個(gè)孔，每個(gè)孔上安裝有一個(gè)壓力傳感器，所述內(nèi)空球體的內(nèi)部設(shè)置有微處理器，所述微處理器通過(guò)引線(xiàn)與所述壓力傳感器相連；
[0022]所述微處理器還連接有無(wú)線(xiàn)通信模塊，所述無(wú)線(xiàn)通信模塊將所述壓力傳感器采集到的觸覺(jué)傳感數(shù)據(jù)發(fā)送給外部處理端，并通過(guò)所述外部處理端上的操作界面對(duì)接收到的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
[0023]進(jìn)一步地，本發(fā)明的所述內(nèi)空球體的厚度為8_。
[0024]進(jìn)一步地，本發(fā)明的所述內(nèi)空球體底部還設(shè)置有支撐底座。
[0025]進(jìn)一步地，本發(fā)明的所述壓力傳感器有20片以上。
[0026]進(jìn)一步地，本發(fā)明的所述壓力傳感器使用FSR傳感器。
[0027]進(jìn)一步地，本發(fā)明的所述無(wú)線(xiàn)通信模塊使用藍(lán)牙通信的方式。
[0028]本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:本發(fā)明的識(shí)別三維方向的觸覺(jué)傳感系統(tǒng)，通過(guò)建立三維模型，并用3D打印機(jī)打印出該三維模型，然后在其表面設(shè)置多個(gè)壓力傳感器，進(jìn)而通過(guò)藍(lán)牙將壓力傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳送給電腦接收端進(jìn)行處理;該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的采集三維方向上的觸覺(jué)壓力信息，采集精度高、響應(yīng)速度快，且能夠重復(fù)采集，不受外界音頻及諧波的影響。
【附圖說(shuō)明】
[0029]下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中:
[0030]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的識(shí)別三維方向的觸覺(jué)傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法的方法流程圖；
[0031]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的識(shí)別三維方向的觸覺(jué)傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的識(shí)別三維方向的觸覺(jué)傳感系統(tǒng)的原理框圖；
[0033]圖4是本發(fā)明實(shí)施例的識(shí)別三維方向的觸覺(jué)傳感系統(tǒng)的串口通信模塊原理圖；
[0034]圖5是本發(fā)明實(shí)施例的識(shí)別三維方向的觸覺(jué)傳感系統(tǒng)的串行通信數(shù)據(jù)格式圖；
[0035]圖6是本發(fā)明實(shí)施例的識(shí)別三維方向的觸覺(jué)傳感系統(tǒng)的微處理器的FSR材料的壓力與電導(dǎo)、電阻的關(guān)系曲線(xiàn)圖；
[0036]圖7是本發(fā)明實(shí)施例的識(shí)別三維方向的觸覺(jué)傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理的界面；
[0037]圖中，1-內(nèi)空球體，2-壓力傳感器，3-微處理器，4-無(wú)線(xiàn)通信模塊，5-外部處理端。
【具體實(shí)施方式】
[0038]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0039]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的識(shí)別三維方向的觸覺(jué)傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟:
[0040]S1、建立三維模型，并用3D打印機(jī)打印出該三維模型；
[0041]Sll、選取一個(gè)基準(zhǔn)面，畫(huà)出二維草圖，包括一個(gè)半圓、一條曲線(xiàn)和一個(gè)正方形，然后用旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)命令，以軸線(xiàn)為中心旋轉(zhuǎn)，得到三維立體圖；
[0042]S12、使用抽殼命令，將球體內(nèi)部挖空；
[0043]S13、使用拉伸切除命令，根據(jù)壓力傳感器的數(shù)量，將球體切出多個(gè)用于安裝傳感器的孔，并在球體的圓柱形底座上設(shè)置多個(gè)用于安裝固定螺絲的螺絲孔。
[0044]S14、選取一個(gè)基準(zhǔn)面，畫(huà)出一個(gè)正方形的二維草圖，然后使用拉伸凸臺(tái)命令，將正方形拉伸一定的高度，得到三維立體圖，即長(zhǎng)方體底座；
[0045]S15、在長(zhǎng)方體底座的中間設(shè)置多個(gè)用于安裝螺絲的螺絲孔。
[0046]S2、在三維模型的表面設(shè)置多片壓力傳感器，內(nèi)部設(shè)置有微處理器，并將各個(gè)壓力傳感器與微處理器的對(duì)應(yīng)引腳相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；
[0047]S3、微處理器與外部處理端通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行觸覺(jué)傳感數(shù)據(jù)的傳輸；
[0048]S4、外部處理端接收到觸覺(jué)傳感數(shù)據(jù)后，對(duì)其進(jìn)行編程處理。
[0049]在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，具體步驟為:
[0050](I)用So I idworks軟件建模，并用3D打印機(jī)打印出三維模型；
[0051 ] 1、球體建模:
[0052]第一步:選取一基準(zhǔn)面，畫(huà)出二維草圖:一半圓、一曲線(xiàn)和一個(gè)正方形，然后用旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)命令，以軸線(xiàn)為中心旋轉(zhuǎn)，得到三維立體圖；
[0053]第二步:使用抽殼命令，將球體內(nèi)部挖空，使得球體的厚度為8mm;
[0054]第三步:使用拉伸切除命令將球體切除20個(gè)孔(用于插入傳感器)，并且按照一定尺寸在圓柱形底座上挖3個(gè)螺絲孔，用于安裝螺絲，將其固定在底板上。
[0055]2、底座建模:
[0056]第一步:選取一基準(zhǔn)面，畫(huà)出二維草圖:邊長(zhǎng)為18cm的正方形。然后使用拉伸凸臺(tái)命令，將正方形拉伸lcm，得到三維立體圖，S卩180x180x10mm的長(zhǎng)方體；
[0057]第二步:在長(zhǎng)方體180x180面的中間挖3個(gè)螺絲孔，用于安裝螺絲，將其固定在球體上。
[0058](2)將20片F(xiàn)SR傳感器貼在三維模型表面；
[0059](3)將傳感器引線(xiàn)與MK60N512VLQ100(K60)微處理器的對(duì)應(yīng)引腳相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的米集；
[0060](4)將藍(lán)牙模塊的發(fā)送端與K60芯片對(duì)應(yīng)的的藍(lán)牙相連，接收端與電腦相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；
[0061 ] (5)電腦接收數(shù)據(jù)后，用MATLAB編程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
[0062]使用IAR軟件編程對(duì)K60芯片進(jìn)行讀寫(xiě)控制，用MATLAB軟件編寫(xiě)控制界面。具體實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理步驟為:給系統(tǒng)供電后，打開(kāi)MATLAB運(yùn)行界面，設(shè)置好通信串口和波特率以及采集數(shù)據(jù)的組數(shù)，點(diǎn)擊” start”按鈕，這時(shí)候K60芯片就開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，同時(shí)我們也將對(duì)傳感器某一正方向施力，幾秒鐘后，數(shù)據(jù)采集完畢，并且自動(dòng)存到MATLAB中；然后我們點(diǎn)擊“resultant_force”按鈕可以在運(yùn)行界面上看到傳感器的受力情況;點(diǎn)擊“RBF_train”按鈕可以看到處理數(shù)據(jù)后的殘差等；點(diǎn)擊“Recognit1n”按鈕，可以看到東、西、南、北、下幾個(gè)方向上受力的組數(shù)，從而可以驗(yàn)證三維方向受力的準(zhǔn)確度。
[0063]如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例的識(shí)別三維方向的觸覺(jué)傳感系統(tǒng)，包括內(nèi)空球體I，內(nèi)空球體I根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法得到，內(nèi)空球體I上設(shè)置有多個(gè)孔，每個(gè)孔上安裝有一個(gè)壓力傳感器2，內(nèi)空球體I的內(nèi)部設(shè)置有微處理器3，微處理器3通過(guò)引線(xiàn)與壓力傳感器2相連；
[0064]如圖3所示，微處理器3還連接有無(wú)線(xiàn)通信模塊4，無(wú)線(xiàn)通信模塊4將壓力傳感器2采集到的觸覺(jué)傳感數(shù)據(jù)發(fā)送給外部處理端5，并通過(guò)外部處理端5上的操作界面對(duì)接收到的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
[0065]FSR壓力傳感器:
[0066]FSR是一種聚合體薄膜力敏電阻材料，這種材料制作的傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0067](I )FSR材料價(jià)格低廉，薄層厚度為0.0508mm，重量輕，可以適應(yīng)廣范圍的應(yīng)用要求。
[0068](2)對(duì)表面的正壓力十分敏感，其