一种基于电阻抗层析成像的触觉压力传感器与信号采集方法与流程

本发明属于传感器设计与测试领域，涉及一种新型的压力的传感器的设计与基于电阻抗层析成像的新型表面触觉的压力大小与位置测量方法。

背景技术：

压力是触觉的主要特征，以感兴趣对象上的压力或应力分布的测量为目标的触觉成像是触觉传感技术的重要组成，成像型触觉传感器也是触觉传感器的主要分类之一，如：参考文献[1]-[2]。针对压力感知和压力大小探测的触觉成像技术对于揭示机器人触觉传感技术中感知行为(抓举握力控制，手动引导灵巧操纵等)和行为感知(接触判别，接触点定位，感知物体形状等)的准确信息有重要的价值。

基于压力测量的触觉成像技术是触觉传感领域的研究热点，其主要利用阵列传感元件来实现接触区域压力分布的测量，这在机器人皮肤和手掌传感及手臂控制等方面具有重要意义。基于传感原理和方法的区别，表一给出了目前国内外共同研究的触觉传感技术及其对应的感应原理、材料、优缺点比较(参考文献[3]～[4])。

表一触觉传感技术的感应原理、材料、优点和缺点比较

现有的触觉成像技术采用感应区域布置压敏元件阵列式结构，这种阵列结构需要复杂的制造工艺并且对传感器外形设计施加限制，难以满足机器人皮肤表面复杂三维结构的压力测量。

参考文献：

[1]dahiyars,mettag,vallem,etal.tactilesensing—fromhumanstohumanoids[j].ieeetransactionsonrobotics,2010,26(1):1-20.

[2]tiwanami,redmondsj,lovellnh.areviewoftactilesensingtechnologieswithapplicationsinbiomedicalengineering[j].sensorsandactuators:aphysical,2012,179:17-31.

[3]silvera-tawild,ryed,soleimanim,etal.electricalimpedancetomographyforartificialsensitiveroboticskin:areview[j].ieeesensorsjournal,2015,15(4):2001-2016.

[4]邓刘刘,邓勇,张磊.智能机器人用触觉传感器应用现状[j].现代制造工程,2018.

技术实现要素：

本发明针对目前触觉成像技术采用感应区域布置阵列式结构的压敏元件的方式，难以满足机器人皮肤表面复杂三维结构的压力测量，并且传统压敏材料触觉成像传感器工艺复杂、成本高的问题，提供一种基于电阻抗成像原理并利用具有双层导电织物材料机电耦合效应的新型触觉传感器，基于电阻抗层析成像的压力传感器，进行压力的大小与位置测量，实现机器人触觉皮肤特性及触觉形态的高精度分布式传感。

本发明提供的一种基于电阻抗层析成像的触觉压力传感器，包括：位于上层的连接激励信号源的激励层，位于下层的边缘布置有电极阵列的探测层，位于激励层与探测层之间的绝缘层。所述的激励层的制备材料为涂有非极性聚合物的高导电织物，非极性聚合物的介电常数ε＝0～2，高导电织物的电导率在10²—10⁴s/cm范围内。所述的探测层的制备材料为涂有弱极性聚合物的低导电织物，弱极性聚合物的介电常数ε＝3～10，低导电织物的电导率为0.5—10s/cm范围内。所述的激励层与探测层由绝缘层实现零压力无接触状态。所述的探测层的边缘均匀布置有n个电极，n为大于8的正整数。在测量时，选择两个电极，一个作为接地点，另外一个作为测量点。

探测层的n个电极分别连接通道选择器的一个输入端，通道选择器的输出端连接电压测量设备。在激励层施加激励电流后，在施加压力前后，通道选择器以设定速率依次选通两个通道，测量两个电极间的电压信号。

基于上述的电阻抗层析成像的触觉压力传感器的信号采集方法，包括如下步骤：

测量过程：在某一压力的施加过程中，利用不同频率的多频正弦电流信号依次激励，以设定的固定速率依次选通(1,2)(1,3)…(1,n)(2,3)(2,4)…(2,n)(3,4)…(n-1,n)的通道，进行电压信号的测量，对每组电极测量得到电势结果ec1,ec2……ecn；

解耦过程：根据两电极间的电压差的计算公式建立线性方程，求解接触阻抗rp，探测层并联到电路中的阻抗rxy和cxy；

所述的传感器在测量时，设接触阻抗为rp，在探测层某一位置(x,y)接触时，探测层并联到电路中的阻抗为rxy和cxy，rxy为阻抗实部，cxy为阻抗虚部，则两个电极间的电压差ec如下：

其中，i是激励信号的电流，j表示信号的虚部，w是激励信号的角频率，w与激励信号频率f的关系为w＝2πf。

施加压力的大小求解过程：由于接触阻抗rp和施加作用力p之间存在反比例关系，表示为rp＝αp^γ，其中，α和γ是常数，由传感器的材料特性决定；通过在测量过程和解耦过程获取在施加压力的过程中rp的相对值变化，对阻抗rp和压力p进行拟合，解算压力p大小；

施加压力的位置求解过程：根据测量过程的电势结果，得到矩阵ψ，ψ中元素根据选取的电极i和j所测量的电势ec得到，计算如下：

计算对应传感器图像的灵敏度矩阵s，s反映了每一个像素点上的单位电导率变化引起的测量电压变化，对于像素点位置(x,y)，通过电极i和j测量，得到映射值si，j(x,y)如下：

式中，p(x,y)表示传感器图像形状关于像素点位置(x,y)的函数，e0i(x,y)表示无触压时电极i在位置(x,y)检测的电压，e0j(x,y)表示无触压时电极j在位置(x,y)检测的电压，电压ii、ij分别表示在电极i、j的激励电流；

计算灰度矩阵g＝s^-1ψ，根据g中最大值与梯度最大值确定压力的位置与接触区域。

本发明与现有技术相比，具有以下优势：(1)本发明的传感器设计是基于双层导电体的机电耦合效应，利用了电容与电阻抗的双模态的耦合测量方式，优化了压力大小与位置解耦的过程,，以减小压力位置变化对压力大小测量精度的影响。(2)本发明的测量是基于电阻抗成像技术的边缘检测，相对传统的分布式测量技术具有结构简单，传感器功耗低的特点。(3)本发明的数据可以进行图像重建，具有测量结果可视化的特点。本发明通过研制体积灵活、结构简单、可靠性高的触觉成像传感器及方法，提高了传感器灵敏度和压力估计的简易度。

附图说明

图1是本发明基于电阻抗层析成像的压力传感器设计及压力大小和位置测量的示意图；

图2是本发明设计的压力传感器的物理结构的一个示意图；

图3是本发明信号采集的示意图；

图4是本发明信号采集的等效电路图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。

本发明采用了电阻抗成像技术，通过设计一种基于双层导电织物机电耦合效应与提出相应的触觉成像方法，使得分布式的压力传感器结构复杂度减小，达到了高效低功耗的效果，具有结构简单，可靠性高，低功耗、柔韧性好且价格低廉的优势。

如图1所示，本发明的实现包括三大部分，首先是触觉压力传感器的设计，其次是利用设计的传感器进行信号采集，最后是对采集的多频电压信号进行处理，得到压力大小和位置。本发明的触觉压力传感器基于双层导电织物机电耦合效应，将触摸压力信号转变为可以测量的电压信号，可以进一步将测量的电压信号输入直接图像重建算法解决逆问题得到基于边界条件的电势分布，最终利用电势到压力映射，实现压力分布的图像可视化。下面依次说明各部分的实现。

如图2所示，为本发明的触觉压力传感器的一个物理结构示意，主要包括激励层、探测层和绝缘层。位于上层的激励层连接激励信号源，位于下层的探测层的边缘布置有电极阵列。

上层激励层的制备材料为涂有低介电常数的非极性高分子聚合物的高导电织物，非极性高分子聚合物的介电常数ε＝0～2，如聚吡咯，聚丙烯等，通过在非极性聚合物中掺杂炭黑颗粒等导电颗粒，调整激励层的电导率为10²—10⁴s/cm范围内。s/m为西门子每米。

下层探测层的制备材料为涂有弱极性的聚合物材料的低导电织物，弱极性聚合物的介电常数ε＝3～10，如聚苯胺，聚苯乙烯等，通过在弱极性的聚合物中参入如炭黑颗粒等导电颗粒，调整探测层的电导率为0.5—10s/cm范围内。探测层的边缘均匀布置有n个电极，n不少于8个，优选可设置为12个，本发明实施例中n为12。在测试过程中选取两个电极，其中一个接地，两个电极分别为测量电极和接地电极。

激励层与探测层由小型绝缘橡胶隔离实现零压力即无接触(高阻)状态。小型绝缘橡胶可用橡胶小球实现。橡胶小球采用掺杂导电颗粒的经过硫化后的天然橡胶，电导率为10²—10s/cm，弹性模量在10²—10⁵pa，具体根据不同的压力量程选定。橡胶小球的大小优选直径为1mm，根据具体测试对象一般限制在3mm以下。

触觉传感器是将机械压力信号转变为可以测量的电学信号。本发明是利用双层导电体的机电耦合效应，将触摸中的相互作用力转变为电学信号，基于电阻抗层析成像原理来推导其边界条件。下面说明利用所述的触觉压力传感器进行信号采集的实现。

如图3所示，结合图2所示的传感器结构，搭建测试系统，其中电源的正激励段连接传感器的激励层，探测层上分布着12个测量电极，探测层的12个电极分别与通道选择器的一个输入端连接，通道选择器的输出端连接电压测量设备。

经过通道选择器选择两个通道，如图4所示，所选择的两个通道对应的电极就是测量点1和2，当施加压力于触觉传感器时，激励层与探测层互相接触，它们之间的接触阻抗会在探测层产生相应的电场，此时，触觉传感器的等效电路模型如图4所示。图4中，测量点1和测量点2，其中一个作为接地点，另外一个作为测量点，进行测量点对信号地的电压的测量。

本发明实施例中，在激励层施加激励电流后，进行12个电极两两组对，在施加压力前后，以100hz的速率依次选通(1,2)(1,3)…(1,12)(2,3)(2,4)…(2,12)(3,4)…(11,12)的通道，进行电压信号的测试，在1秒内产生100组测试电压信号，形成12*(12-1)/2维的测试向量。

如图4所示，随着压力变化时候的接触阻抗表示为rp，在某一特定位置(x,y)接触时，探测层并联到电路中的阻抗为rxy和cxy，rxy为阻抗实部，cxy为阻抗虚部，设测量点1和2之间的电压差为ec，通过如下公式计算获得：

其中，i是激励信号的电流，j表示信号的虚部，w是电流激励信号的角频率，w与电流激励信号频率f的关系为w＝2πf。图1和图2中测量的电压vi即电压差ec。

基于电阻抗层析成像的原理，通过从激励层进行电流激励，在探测层的电极上遍历选择一对电极进行电压信号测量。根据测量的电压值，可以反演出接触区域的电势分布。在采集得到电压信号后，先要对采集的电压信号进行解耦，然后对解耦后的信号的压力的大小与位置进行重建。

对采集的多频电压信号进行解耦的步骤如下：

在某一压力的施加过程中，利用不同频率f1,f2……fn的多频正弦电流信号依次激励，测得每组电极测量的电势结果为ec1,ec2……ecn，n为正整数，则利用公式(1)建立线性方程：

其中，ec为测试到的电压信号，即ec1,ec2……ecn，i为已知的激励信号电流，w为已知激励信号的角频率，进而可以通过最小二乘法求解rp、rxy、cxy。然后对解耦后的信号的压力大小与位置进行重建，包括如下步骤1和2。

步骤1、进行压力值拟合。

接触压力的变化会引起接触阻抗的变化，也会引起接触面积的变化。接触层和探测层接触引起的机械相互作用可以简化为herz接触问题，即任何物体之间接触，接触面积通常与施加的压力成正比(参考文件[1])。另一方面，根据pouillet法则，物体电阻和其横截面成反比，推导出接触阻抗与接触面积成反比。因此，接触阻抗和施加作用力之间存在反比例关系，已有研究证明接触阻抗rp和压力p的关系可以表示为(参考文件[2])：

rp＝αp^γ(2)

其中，α和γ是常数，由传感器的材料特性决定，其可通过基于实验测量的线性拟合方法来获得。即接触压力p大小的变化，直接引起如公式(2)中的rp的变化。

通过使用不同频率的正弦电流激励信号进行测试，求解出在施加压力的阻抗测试过程中rp的相对值变化，解算压力p大小。

步骤2、依据电容变化的信息，进行施加压力的位置重建。

同时，点接触的位置，改变了在探测层的电势分布，将测得的电势ec形成矩阵ψ，结合与敏感场相关的灵敏度矩阵s，生成成像结果的灰度矩阵g，根据灰度矩阵，进行位置估算。

电势矩阵ψ是一个m＝n(n-1)/2维的向量，ψ中元素根据选取的电极i和j所测试的电势得到，n表示电极数，本发明实施例为12。某两个电极测量的电势为ec，则根据下式来计算电势矩阵ψ中元素

灵敏度矩阵s是大小为m*n的二维矩阵，反映了每一个像素点上的单位电导率变化可以引起的测量电压变化，s中元素计算公式如下：

式中，i,j表示测量电极序号，x,y表示成像图片中的像素点位置，si,j(x,y)表示序号为i,j的测量电极信息对成像点x,y的映射，p(x,y)表示传感器图像形状关于像素点位置(x,y)的函数，上述公式是对传感器图像的边界形状的积分，e0表示在触觉压力传感器不接触的时候电极测到的电压，e0i(x,y)表示无触压时电极i在位置(x,y)检测的电压，e0j(x,y)表示无触压时电极j在位置(x,y)检测的电压，i表示激励电流。成像图片对应传感器(探测层)的图像，位置(x,y)为探测层平面上的位置坐标。

灰度矩阵g表示一个与敏感场直接对应的像素点图像，设大小为g＝a*b，图像中的坐标x∈[1,a],y∈[1,b]。a、b表示传感器图像的横坐标最大值和纵坐标最大值。根据g＝s^-1ψ可以计算出g。由于g的坐标对应着触觉传感器的坐标，故根据g中最大值与梯度最大值确定压力的准确位置与接触区域。

通过上面过程，本发明基于电阻抗层析成像技术，利用双层导电体的机电耦合效应原理，将触摸中的相互作用力转变为边缘分布式电学信号，通过重建算法，计算得到压力的位置与大小，实现简单方便，准确率高。