一種基于柔性壓阻材料的點陣式壓力檢測系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于柔性壓阻材料的點陣式壓力檢測系統，包括柔性壓力傳感器陣列以及埋在柔性陣列中的柔性傳感器單元，所述的柔性傳感器單元與信號采集電路相連，所述的信號采集電路與A/D轉換電路相連，所述的A/D轉換電路將轉換后的信號發送給上位機進行處理。本實用新型與現有技術對比，本實用新型能夠應用于柔性點陣式觸覺傳感器的壓力分布檢測，利用每個傳感器單元之間的相互數據，能夠精確檢測壓力的大小以及位置，并且結構簡單，精度高，同時計算量較少，響應速度快，易于傳感器陣列的模塊化，提高了單個傳感器的效率。
【專利說明】
一種基于柔性壓阻材料的點陣式壓力檢測系統
技術領域
[0001] 本實用新型公開了一種基于柔性壓阻材料的點陣式壓力檢測系統。
【背景技術】
[0002] 隨著人們對機器人研究的不斷深入，機器人觸覺已經成為了一個熱門研究課題。 觸覺是一種與環境接觸的基本感覺，尤其當環境不能完全確定和描述時，觸覺信息尤為重 要。現在，觸覺的研究熱點之一是實現柔性觸覺傳感器陣列對壓力分布的檢測。目前，柔性 觸覺傳感器陣列實現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，單個傳感器按幾何規律排成簡單陣列，或者按實際需 求分布在所需位置。這種傳感器陣列響應時間短，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。因此這種傳感器陣列實際使用精度較低。
[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甚至微米級。當 物體加載在該傳感器陣列上時，根據每個傳感器單元的反饋能夠得到類似于計算機圖像數 據的觸覺數據，也可以稱之為"觸覺圖像"。隨后將物體加載后對應的觸覺圖像進行定義與 特征提取并存儲在數據庫中，當傳感器再次獲取觸覺圖像時便進行匹配，從而能夠分析出 觸碰物體所在位置。該方法較高的精度，但是計算量大，響應時間長，需要大量的實驗與數 據進行定義分類，并且陣列制造復雜，成本較高。 【實用新型內容】
[0005] 針對現有技術中的不足，本實用新型提出了一種能夠避免上述缺點，計算量小，響 應時間快，檢測壓力分布精度高，成本較低的基于柔性壓阻材料的點陣式壓力檢測系統及 檢測方法，本實用新型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 性材料封裝多個傳感器單元構成該壓力檢測系統的主體一一柔性壓力傳感器陣列。通過多 個傳感器的輸出電壓值，采用三點定位算法，再根據封裝材料的特性反演出傳感器陣列區 域上的壓力大小及壓力點位置。
[0006] 本實用新型采用的技術方案如下：
[0007] 一種基于柔性壓阻材料的點陣式壓力檢測系統，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采集電路相連，所述的信號采集電路與 A/D轉換電路相連，所述的A/D轉換電路將轉換后的信號發送給上位機進行處理。
[0008] 進一步的，所述的柔性傳感器單元由電源供電。
[0009] 進一步的，所述柔性陣列運用聚二甲基硅氧烷(PDMS)對柔性傳感器單元進行封 裝。與柔性傳感器單元與導線以及外部皆具有良好的絕緣性，能夠防止外界接觸物對該陣 列的電干擾。
[0010] 進一步的，所述的柔性壓力傳感器陣列為一個方形結構，多個柔性傳感器單元按 照等邊三角形陣列的方式封裝在方形結構內，相鄰的三個柔性傳感器單元構成一個等邊三 角形。
[0011] 進一步的，所述信號采集電路包含多個分路，每一個分路都通過導線與一個傳感 器單元相連;信號采集電路每一路結構相同，包括與導線相連的低通濾波電路，與濾波電路 相連的運算放大電路，以及與運放電路相連的A/D轉換電路。
[0012] 本實用新型的有益效果如下：
[0013] 本實用新型與現有技術對比，本實用新型能夠應用于柔性點陣式觸覺傳感器的壓 力分布檢測，利用每個傳感器單元之間的相互數據，能夠精確檢測壓力的大小以及位置，并 且結構簡單，精度高，同時計算量較少，響應速度快，易于傳感器陣列的模塊化，提高了單個 傳感器的效率。
【附圖說明】
[0014] 圖1本實用新型的傳感器陣列結構簡圖；
[0015] 圖2傳感器側面剖示圖；
[0016] 圖3陣列形成的三角形區域圖；
[0017]圖4定位算法分析圖；
[0018]圖5本實用新型的整體結構圖；
[0019]圖6信號采集電路其中一路的信號采集電路圖；
[0020]圖中：1傳感器單元，2柔性壓力傳感器陣列，3三角形檢測區域，4信號采集電路，5 數據采集卡，6上位機，7電源。
【具體實施方式】
[0021 ]下面結合附圖對本實用新型進行詳細說明：
[0022]本實用新型的柔性點陣式壓力檢測系統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線、信號采集電路4、進行A/D轉換的16位數據采集卡5以及上位 機6的數據處理程序總共六個部分。
[0023]柔性陣列運用聚二甲基硅氧烷(PDMS)對柔性傳感器單元進行封裝。與柔性傳感器 單元與導線以及外部皆具有良好的絕緣性，能夠防止外界接觸物對該陣列的電干擾。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上，總共由 6個柔性傳感器單元構成4個等邊三角形檢測區域3。
[0024]信號采集電路4包含多個分路，每一個分路都通過導線與一個傳感器單元1相連。 信號采集電路4每一路結構相同，主要包括與導線相連的低通濾波電路，與濾波電路相連的 運算放大電路，以及與運放電路相連的進行A/D轉換的USB數據采集卡。
[0025]柔性壓力傳感器陣列2和信號采集電路4由電源供電。
[0026] 采用本實用新型檢測系統的檢測方法如下：
[0027] 1.傳感器陣列接通電源后，當在陣列某一點施加壓力時，由于柔性傳感器單元(柔 性薄膜傳感器)的壓阻效應，會導致柔性傳感器單元輸出電壓發生改變。
[0028] 2.柔性傳感器單元的輸出電壓進入采集電路進行放大與濾波，消除接觸阻抗影 響，方便后續處理。
[0029] 3.放大后的電壓信號輸入到16位高精度數據采集卡進行A/D轉換變為數字信號。
[0030] 4.最后編寫上位機程序，根據數據采集卡輸入的數字信號推導出每個柔性傳感器 單元所受壓力大小，再利用三點定位算法，解方程后可以求得陣列所受壓力的大小以及位 置。
[0031 ]三點定位算法步驟：
[0032] 1.對比每個柔性傳感器單元的電壓值，根據每個傳感器單元電壓值的大小，判斷 出施加壓力點落在哪一個三角形區域或者陣列外部，當壓力點落在外部時，則該次測量無 效。
[0033] 2.當壓力點落在某一三角形內部時，將對應該三角形的三個柔性傳感器單元的輸 出值帶入方程中，解方程后可以求得陣列所受壓力的大小以及位置。該方程由該傳感器陣 列結構推導，表明了該傳感器陣列內某一點的應力值與施加壓力點大小與位置的關系。 [0034]具體分析以及計算過程如下：該陣列由傳感器單元，封裝傳感器單元的柔性材料 構成，傳感器單元按等邊三角形分布。
[0035]首先需要對傳感器陣列進行力學分析；圖2為傳感器陣列受力的截面示意圖。假定 柔性材料縣詢質和各向同件的，可以得出空間點（x，y，z)應力值表示為：
[0036]
[0037]式中：r表示該點與受力點的距離;Fx表示壓力在X軸方向的分量，h表示該點的深 度。從上式中可以得出，傳感器的輸出與所受壓力的豎直方向分力成正比，與傳感器離受力 點距離成反比，與傳感器的深度的平方成反比。
[0038]當觸碰點落在三角形區域內部時，便能獲得三個頂點上傳感器的輸出電壓值(VI， V2，V3)。假設F為接觸力大小，S表示接觸點與傳感器單元的距離。那么觸碰點位置就能通過 觸碰點離三個壓力傳感器單元的距離(S1、S2、S3)來表示。對于一個單獨的壓力傳感器其輸 出電壓值V與(F、S)有映射關系，但是一個V與無數個(F、S)對應。
[0039]假設在一次測量中已經得到了三個頂點的傳感器輸出電壓值Vl，V2，V3。假設受力 大小為F，則得到唯一數組(31，52,53)。取不同？值則得到不同的數組，數組卬，51，52,53)共 有無窮多組。如圖3如果該點即為觸碰點，則其一定為三個圓得公共交點。當F增大，圓半徑 (31，32,33)均增大，可^減小，圓半徑(31，32,33)均減小。但是只有一組卬，31，32,33)能滿 足等邊三角形內的幾何關系。此時便能由三個壓力傳感器輸出值(Vl、V2、V3)，確定接觸點 位置及施加力的大小。
[0040] 如圖4所示，以三角形一個點為原點，一條邊為X軸建立坐標系。為了方便接下來計 算，將前文推導的傳感器所受應力值公式簡化為，其中L為等邊三角形邊長，V為傳感 念: 器輸出電壓值，K為傳感器系數，F為接觸力大小，S為傳感器離接觸點距離。假設接觸點坐標 為P(X，Y)，那么存在以下關系：
[0041]
[0042]
[0043] Κα，Κβ，Κο分別為三個傳感器單元的傳感系數(預先標定測得），￥/^￥^￥〇為三個傳感 器單元的輸出電壓，Sa，Sb，Sc為三個傳感器單元離接觸點距離，L為等邊三角形邊長，X，y為 施加壓力點坐標。
[0044]在進行過傳感器標定實驗后，能夠得出每個傳感器的系數K，通過解方程便能得出 P點的坐標以及接觸力F值。
[0045]上述雖然結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本實用新 型保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領 域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范 圍以內。
【主權項】
1. 一種基于柔性壓阻材料的點陣式壓力檢測系統，其特征在于:包括柔性壓力傳感器 陣列以及埋在柔性陣列中的柔性傳感器單元，所述的柔性壓力傳感器陣列為一個方形結 構，多個柔性傳感器單元按照等邊三角形陣列的方式放置在方形結構內，相鄰的三個柔性 傳感器單元構成一個等邊三角形;所述的柔性傳感器單元與信號采集電路相連，所述的信 號采集電路與A/D轉換電路相連，所述的A/D轉換電路將轉換后的信號發送給上位機進行處 理。2. 如權利要求1所述的基于柔性壓阻材料的點陣式壓力檢測系統，其特征在于:所述柔 性壓力傳感器陣列采用聚二甲基硅氧烷對柔性傳感器單元進行封裝。3. 如權利要求1所述的基于柔性壓阻材料的點陣式壓力檢測系統，其特征在于:所述信 號采集電路包含多個分路，每一個分路都通過導線與一個傳感器單元相連;信號采集電路 每一路結構相同，包括與導線相連的低通濾波電路，與濾波電路相連的運算放大電路，以及 與運放電路相連的A/D轉換電路。4. 如權利要求1所述的基于柔性壓阻材料的點陣式壓力檢測系統，其特征在于:所述的 柔性傳感器單元采用柔性薄膜傳感器。
【文檔編號】G01L1/18GK205426392SQ201620269380
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月1日
【發明人】黃袁洋, 蔣奇
【申請人】山東大學