一种曲面阵列式触觉传感器及其工作方法和机械手技术

一种曲面阵列式触觉传感器及其工作方法和机械手，触觉传感器包括：指尖底座层、中间电路层、表面皮肤层；指尖底座层安装在机械手的手指上；中间电路层包括集成电路板和多个压强感知芯片，集成电路板安装在指尖底座层上，多个压强感知芯片布设在集成电路板上，所述集成电路板上布置有单片机和串口模块，串口模块连接单片机和上位机，每个压强感知芯片均与单片机独立电连接，单片机和上位机电连接；表面皮肤层包裹在中间电路层的表面。本发明专利技术提出了一种触觉传感器，将本发明专利技术安装在机械手上后，可提升机械手的抓握能力，且每个压强感知芯片均与单片机独立连接，便于信息获取，避免了各压强感知芯片间的信号串扰问题。强感知芯片间的信号串扰问题。强感知芯片间的信号串扰问题。

【技术实现步骤摘要】
一种曲面阵列式触觉传感器及其工作方法和机械手


[0001]本专利技术涉及传感器
，特别涉及一种曲面阵列式触觉传感器及其工作方法和机械手。

技术介绍

[0002]随着机器人技术的快速发展，机器人被广泛应用在航空航天，智能制造、工业生产、医疗健康和家庭服务等领域。其中机械手作为机器人与环境交互的重要媒介，可以帮助机器人完成类人操作，比如航空航天接插件组装操作、日常物品搬运和手术过程中的精细操作等等。同时机械手也可以作为义肢帮助残疾人处理一些基本的日常操作。
[0003]但由于现有机械手控制系统主要关注于如何完成抓握等常见模式应用，并没有太多考虑机械手的触觉特性，导致一些手部任务失败，比如无法拿稳一个水杯，用力过大导致脆弱物体被挤压变形等等。因此机械手触觉感知能力的引入将大大提高机械手的抓握操作能力以及扩展其使用范围。
[0004]现有触觉传感器主要基于压阻、压容和光学视觉的检测原理。压阻式触觉传感器制造简单，场景灵活，但具有材料滞后现象；压容式触觉传感器响应频率高，但是对电磁噪声敏感；基于光学视觉的触觉传感器利用计算机视觉技术获取接触特征，可以获得丰富的触觉信息，同时也带来了尺寸大，功耗高和计算成本高的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种曲面阵列式触觉传感器及其工作方法和机械手，以解决现有技术中的机械手抓握能力不足的问题。
[0006]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：本专利技术提供了一种曲面阵列式触觉传感器，包括指尖底座层、中间电路层、表面皮肤层；所述指尖底座层安装在机械手的手指上，用于安装所述中间电路层和所述表面皮肤层；所述中间电路层包括集成电路板、单片机和多个压强感知芯片，所述集成电路板安装在所述指尖底座层上，所述单片机和多个所述压强感知芯片均安装在所述集成电路板上，多个所述压强感知芯片用于监测表面皮肤层各受力点的压强值，多个所述压强感知芯片分别与所述单片机独立电连接，所述单片机与外部上位机电连接；所述表面皮肤层包裹在所述中间电路层的表面，用于保护所述中间电路层, 并且作为中间媒介将外界作用力传递到压强感知芯片上。
[0007]优选地，所述指尖底座层包括底座主体和多个角柱，所述底座主体仿人手指尖部设计，多个所述角柱对称设置在所述底座主体上，所述集成电路板安装在多个所述角柱之间；所述底座主体上开设有指尖接插口，用于连接所述机械手的指尖部位。
[0008]优选地，所述表面皮肤层选用连续橡胶皮肤层，所述连续橡胶皮肤层包裹在所述
中间电路层的表面；所述表面皮肤层仿人手指尖部的表层设计。
[0009]优选地，所述集成电路板由多块电路板组成，多个所述压强感知芯片阵列分布在多块所述电路板上。
[0010]优选地，所述单片机选用STM32芯片，所述STM32芯片上设置有IIC总线，所述压强感知芯片通过IIC总线与所述STM32芯片独立电连接。
[0011]优选地，所述压强感知芯片选用MPL115A2气压芯片，所述MPL115A2气压芯片通过所述IIC总线与所述STM32芯片独立电连接；所述MPL115A2气压芯片每次更新压强读数时，需由STM32芯片发起转换命令开始，在转换完成后，结果被存储到MPL115A2气压芯片中的压强和温度ADC输出寄存器中。利用如下公式能计算当前环境的压强补偿值P
comp
：P
comp
=a0+(b1+c12
·
T
adc
)
·
P
adc
+b2
·
T
adc
其中P
adc
和T
adc
分别代表MPL115A2气压芯片中10位压强ADC输出值和10位温度ADC输出值，a0代表压力偏移系数，b1代表压力敏感系数，b2代表温度偏移系数，c12代表温度敏感系数，a0、b1、b2和c12均是MPL115A2气压芯片内部出厂自带的校正系数，在MPL115A2气压芯片中的值是不变的，但不同的芯片中的校正系数不同。
[0012]当输入压强为50kPa时，P
comp
将产生一个值为0；当输入压强为115kPa时，P
comp
将产生一个满量程值为1023。则实际压强值P为：P = P
comp
·
(115
‑
50)/(1023
‑
0) + 50。
[0013]本专利技术一方面还提供一种机械手，包括以上任一项所述的曲面阵列式触觉传感器、以及机械手主体部件，所述触觉传感器安装在所述机械手主体部件的指尖部位上。
[0014]本专利技术另一方面还提供一种曲面阵列式触觉传感器的工作方法，包括如下步骤：步骤S10、压强感知芯片实时采集数据；步骤S20、单片机将压强感知芯片实时采集的数据计算转换后传送到上位机；步骤S30、上位机实时接收数据；步骤S40、通过上位机对实时数据进行多态化显示；步骤S50、重复步骤S10至步骤S40，直至上位机关闭串口通信。
[0015]优选地，所述步骤S10具体包含如下步骤：步骤S11、判断设备是否已经初始化，不是则进入步骤S12，是则跳至步骤S14；步骤S12、设备通电并进行设备初始化；步骤S13、读取压强感知芯片内部自带的校正系数a0,b1,b2,c12；步骤S14、使用压强感知芯片中的压强和温度部分模数转换器进行实时数据转换，并实时输出P
adc
和T
adc
；步骤S15、根据每次获取的P
adc
和T
adc
数据，计算每次所采集的数据所对应的压强补偿值P
comp
以及实际压强值P。
[0016]其中步骤S12和S13仅在初始阶段执行一次，后面无需反复执行；优选地，所述步骤S40具体包含如下步骤：步骤S41、判断是否已经配置串口，不是则进入步骤S42，是则跳至步骤S44；步骤S42、配置串口；步骤S43、将前三秒数据的均值作为默认的初始值；步骤S44、将每次实际接收的数据与初始值作差得到相对压强值；
步骤S45、将相对压强值采用三维柱状图进行实时动态数据展示。
[0017]其中步骤S42和步骤S43仅在初始阶段执行一次，后面无需反复执行；本专利技术的有益效果：1、曲面阵列式触觉传感器采用一体化设计，使得触觉传感器结构简单，易于制造、方便维护更换和指尖集成；2、本专利技术上的底座主体和表面皮肤层均采用仿人手指尖部曲面设计，曲面形式可根据应用需求灵活改变，便于机械手对物体更好实施手内操作任务。同时由于弹性皮肤层的连续性，可以在压强感知芯片稀疏部署的同时达到更高的空间分辨精度；3、不同于压阻、压容式原理等的触觉传感器，本触觉传感器传感选用独立的压强感知芯片，各压强感知芯片均可直接与单片机通信，方便信息获取，同时也避免了不同压强感知芯片之间可能存在的信号串扰问题。
附图说明
[0018]图1为底座主体的三维结构示意图；图2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种曲面阵列式触觉传感器，其特征在于：包括指尖底座层、中间电路层、表面皮肤层；所述指尖底座层安装在机械手的手指上，用于安装所述中间电路层和所述表面皮肤层；所述中间电路层包括集成电路板、单片机和多个压强感知芯片，所述集成电路板安装在所述指尖底座层上，所述单片机和多个所述压强感知芯片均安装在所述集成电路板上，多个所述压强感知芯片用于监测表面皮肤层各受力点的压强值，多个所述压强感知芯片分别与所述单片机独立电连接，所述单片机与外部上位机电连接；所述表面皮肤层包裹在所述中间电路层的表面，用于保护所述中间电路层。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，所述指尖底座层包括底座主体（1）和多个角柱（3），所述底座主体（1）仿人手指尖部设计，多个所述角柱（3）对称设置在所述底座主体（1）上，所述集成电路板安装在多个所述角柱（3）之间；所述底座主体（1）上开设有指尖接插口（2），用于连接所述机械手的指尖部位。3.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，所述表面皮肤层选用连续橡胶皮肤层，所述连续橡胶皮肤层包裹在所述中间电路层的表面；所述表面皮肤层仿人手指尖部的表层设计。4.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，所述集成电路板由多块电路板组成，多个所述压强感知芯片阵列分布在多块所述电路板上，所述单片机安装在其中一块所述电路板上。5.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，所述单片机选用STM32芯片，所述STM32芯片上设置有IIC总线，所述压强感知芯片通过IIC总线与所述STM32芯片独立电连接。6.根据权利要求5所述的曲面阵列式触觉传感器，其特征在于，所述压强感知芯片选用MPL115A2气压芯片，所述MPL115A2气压芯片通过所述IIC总线与所述STM32芯片独立电连接；所述MPL115A2气压芯片利用如下公式计算当前环境的压强补偿值P
comp
：P
comp
=a0+(b1+c12
·
T
adc
)
·
P
adc
+b2

【专利技术属性】
技术研发人员：陈文锐，刁强，王耀南，鲁靖文，刘武，李智勇，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：