一種識別三維方向的觸覺傳感系統及其設計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及機器人觸覺傳感領域，尤其涉及一種識別三維方向的觸覺傳感系統及其設計方法。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著科學技術的發展和工業化自動水平的提高，智能化產品(如智能機器人)已經成為目前國內外學術前沿和研究重點。而觸覺傳感技術在智能機器人感知能力中起著不可替代的作用，是對視覺傳感技術的重要補充。觸覺傳感器可以判斷機器人是否接觸到外界物體或者測量被接觸物體的物理特征，因此，觸覺傳感技術更接近智能化的精髓，它相當于一條紐帶連接著感覺與行動，是智能化操作中必不可少的一部分。因此觸覺感知可以提高人機交互水平從而實現復雜環境下機器人的自主操作。
[0003]目前觸覺傳感技術大多用于物體形狀的識別，這遠遠落后于人的觸覺感知系統。由于一般的人機交互涉及到多維動力學，而觸覺陣列系統僅具有單向壓力感知能力，這意味它很容易識別二維方向，難以識別三維方向。但三維方向識別對人機交互非常重要，它能夠把人的意圖轉化成可被智能識別的信息。在本發明中，將使用單點式觸覺傳感器，貼在球體模型表面，用來研究三維方向的識別。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題在于針對現有技術中觸覺陣列系統僅具有單向壓力感知能力，難以識別三維方向壓力的缺陷，提供一種能夠準確的、迅速的識別三維方向的觸覺傳感系統及其設計方法。
[0005]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0006]本發明提供一種識別三維方向的觸覺傳感系統的設計方法，包括以下步驟:
[0007]S1、建立三維模型，并用3D打印機打印出該三維模型；
[0008]S2、在三維模型的表面設置多片壓力傳感器，內部設置有微處理器，并將各個壓力傳感器與微處理器的對應引腳相連，進行數據采集；
[0009]S3、微處理器與外部處理端通過無線方式進行觸覺傳感數據的傳輸；
[0010]S4、外部處理端接收到觸覺傳感數據后，對其進行編程處理。
[0011]進一步地，本發明的步驟SI中建立三維模型的具體方法包括:
[0012]S11、選取一個基準面，畫出二維草圖，包括一個半圓、一條曲線和一個正方形，然后用旋轉凸臺命令，以軸線為中心旋轉，得到三維立體圖；
[0013]S12、使用抽殼命令，將球體內部挖空；
[0014]S13、使用拉伸切除命令，根據壓力傳感器的數量，將球體切出多個用于安裝傳感器的孔，并在球體的圓柱形底座上設置多個用于安裝固定螺絲的螺絲孔。
[0015]進一步地，本發明的步驟SI中建立三維模型的具體方法還包括:
[0016]S14、選取一個基準面，畫出一個正方形的二維草圖，然后用旋轉凸臺命令，以軸線為中心旋轉，得到三維立體圖，即長方體底座；
[0017]S14、選取一個基準面，畫出一個正方形的二維草圖，然后使用拉伸凸臺命令，將正方形拉伸一定的高度，得到三維立體圖，即長方體底座；
[0018]S15、在長方體底座的中間設置多個用于安裝螺絲的螺絲孔。
[0019]進一步地，本發明的步驟S4中電腦對數據進行處理的方法具體為:
[0020]打開MATLAB運行界面，設置好通信串口和波特率以及采集數據的組數，點擊“start”按鈕開始采集數據，同時對傳感器某一正方向施力幾秒鐘后，數據采集完畢，并且自動存到MATLAB中；然后點擊“resultant_force”按鈕可以在運行界面上看到傳感器的受力情況；點擊“RBF_train”按鈕可以看到處理數據后的殘差；點擊“Recognit1n”按鈕，可以看到東、西、南、北、下幾個方向上受力的組數，從而驗證三維方向受力的準確度。
[0021]本發明提供一種識別三維方向的觸覺傳感系統，包括內空球體，所述內空球體根據權利要求1-4所述的設計方法得到，所述內空球體上設置有多個孔，每個孔上安裝有一個壓力傳感器，所述內空球體的內部設置有微處理器，所述微處理器通過引線與所述壓力傳感器相連；
[0022]所述微處理器還連接有無線通信模塊，所述無線通信模塊將所述壓力傳感器采集到的觸覺傳感數據發送給外部處理端，并通過所述外部處理端上的操作界面對接收到的壓力數據進行處理。
[0023]進一步地，本發明的所述內空球體的厚度為8_。
[0024]進一步地，本發明的所述內空球體底部還設置有支撐底座。
[0025]進一步地，本發明的所述壓力傳感器有20片以上。
[0026]進一步地，本發明的所述壓力傳感器使用FSR傳感器。
[0027]進一步地，本發明的所述無線通信模塊使用藍牙通信的方式。
[0028]本發明產生的有益效果是:本發明的識別三維方向的觸覺傳感系統，通過建立三維模型，并用3D打印機打印出該三維模型，然后在其表面設置多個壓力傳感器，進而通過藍牙將壓力傳感器采集到的數據傳送給電腦接收端進行處理;該系統能夠準確的采集三維方向上的觸覺壓力信息，采集精度高、響應速度快，且能夠重復采集，不受外界音頻及諧波的影響。
【附圖說明】
[0029]下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中:
[0030]圖1是本發明實施例的識別三維方向的觸覺傳感系統的設計方法的方法流程圖；
[0031]圖2是本發明實施例的識別三維方向的觸覺傳感系統的結構示意圖；
[0032]圖3是本發明實施例的識別三維方向的觸覺傳感系統的原理框圖；
[0033]圖4是本發明實施例的識別三維方向的觸覺傳感系統的串口通信模塊原理圖；
[0034]圖5是本發明實施例的識別三維方向的觸覺傳感系統的串行通信數據格式圖；
[0035]圖6是本發明實施例的識別三維方向的觸覺傳感系統的微處理器的FSR材料的壓力與電導、電阻的關系曲線圖；
[0036]圖7是本發明實施例的識別三維方向的觸覺傳感系統的數據采集和處理的界面；
[0037]圖中，1-內空球體，2-壓力傳感器，3-微處理器，4-無線通信模塊，5-外部處理端。
【具體實施方式】
[0038]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0039]如圖1所示，本發明實施例的識別三維方向的觸覺傳感系統的設計方法，包括以下步驟:
[0040]S1、建立三維模型，并用3D打印機打印出該三維模型；
[0041]Sll、選取一個基準面，畫出二維草圖，包括一個半圓、一條曲線和一個正方形，然后用旋轉凸臺命令，以軸線為中心旋轉，得到三維立體圖；
[0042]S12、使用抽殼命令，將球體內部挖空；
[0043]S13、使用拉伸切除命令，根據壓力傳感器的數量，將球體切出多個用于安裝傳感器的孔，并在球體的圓柱形底座上設置多個用于安裝固定螺絲的螺絲孔。
[0044]S14、選取一個基準面，畫出一個正方形的二維草圖，然后使用拉伸凸臺命令，將正方形拉伸一定的高度，得到三維立體圖，即長方體底座；
[0045]S15、在長方體底座的中間設置多個用于安裝螺絲的螺絲孔。
[0046]S2、在三維模型的表面設置多片壓力傳感器，內部設置有微處理器，并將各個壓力傳感器與微處理器的對應引腳相連，進行數據采集；
[0047]S3、微處理器與外部處理端通過無線方式進行觸覺傳感數據的傳輸；
[0048]S4、外部處理端接收到觸覺傳感數據后，對其進行編程處理。
[0049]在本發明的另一個實施例中，具體步驟為:
[0050](I)用So I idworks軟件建模，并用3D打印機打印出三維模型；
[0051 ] 1、球體建模:
[0052]第一步:選取一基準面，畫出二維草圖:一半圓、一曲線和一個正方形，然后用旋轉凸臺命令，以軸線為中心旋轉，得到三維立體圖；
[0053]第二步:使用抽殼命令，將球體內部挖空，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:選取一基準面，畫出二維草圖:邊長為18cm的正方形。然后使用拉伸凸臺命令，將正方形拉伸lcm，得到三維立體圖，S卩180x180x10mm的長方體；
[0057]第二步:在長方體180x180面的中間挖3個螺絲孔，用于安裝螺絲，將其固定在球體上。
[0058](2)將20片FSR傳感器貼在三維模型表面；
[0059](3)將傳感器引線與MK60N512VLQ100(K60)微處理器的對應引腳相連，實現數據的米集；
[0060](4)將藍牙模塊的發送端與K60芯片對應的的藍牙相連，接收端與電腦相連，實現數據的傳輸；
[0061 ] (5)電腦接收數據后，用MATLAB編程對數據進行處理。
[0062]使用IAR軟件編程對K60芯片進行讀寫控制，用MATLAB軟件編寫控制界面。具體實現數據的處理步驟為:給系統供電后，打開MATLAB運行界面，設置好通信串口和波特率以及采集數據的組數，點擊” start”按鈕，這時候K60芯片就開始采集數據，同時我們也將對傳感器某一正方向施力，幾秒鐘后，數據采集完畢，并且自動存到MATLAB中；然后我們點擊“resultant_force”按鈕可以在運行界面上看到傳感器的受力情況;點擊“RBF_train”按鈕可以看到處理數據后的殘差等；點擊“Recognit1n”按鈕，可以看到東、西、南、北、下幾個方向上受力的組數，從而可以驗證三維方向受力的準確度。
[0063]如圖2所示，本發明實施例的識別三維方向的觸覺傳感系統，包括內空球體I，內空球體I根據本發明的設計方法得到，內空球體I上設置有多個孔，每個孔上安裝有一個壓力傳感器2，內空球體I的內部設置有微處理器3，微處理器3通過引線與壓力傳感器2相連；
[0064]如圖3所示，微處理器3還連接有無線通信模塊4，無線通信模塊4將壓力傳感器2采集到的觸覺傳感數據發送給外部處理端5，并通過外部處理端5上的操作界面對接收到的壓力數據進行處理。
[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點:
[0067](I )FSR材料價格低廉，薄層厚度為0.0508mm，重量輕，可以適應廣范圍的應用要求。
[0068](2)對表面的正壓力十分敏感，其