一种柔性传感器、标定方法及接触曲面法线方向测量方法与流程

1.本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种柔性传感器、标定方法及接触曲面法线方向测量方法。


背景技术：

2.目前，现有爬壁机器人多数只能攀爬平面或者固定曲率的表面，针对爬壁机器人变曲率曲面顺应的研究并不多见，大多通过结构被动地顺应曲面变化，例如，采用磁吸附的爬壁机器人可以利用履带结构获取一定程度的曲面变化顺应能力。但通过机构被动顺位曲面，缺乏预判与主动调控能力，且可顺应曲率变化范围较小。
3.现如今视觉传感器、接近传感器等非接触传感器在各领域的广泛实使用，这类非接触传感器通过反馈控制来实现曲面感知能力，如广东工业大学提出超声传感器阵列与吸附腔阵列组合的方式来主动感知吸附腔与待吸附表面的相对位姿，从而实现不同表面间的吸附与转移运动。然而，这类传感器较难集成且存在视觉遮挡，对应用环境的光照等存在较高要求，且该方法无法实现对曲面法向的实时感知。
4.另外，接触传感器可利用可感知力/力矩的柔性接触传感器来获得接触曲面的法向信息是一大研究热点，但多数研究者所研究的柔性触觉传感器通常仅可感知三维力信息，如何实现柔性接触传感器的六维力感知，进而利用此信息计算得到接触曲面的法线方向是一大研究难点。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种柔性传感器、标定方法及接触曲面法线方向测量方法，以解决现有技术中接触传感器无法顺应变曲率曲面，并对接触曲面的实时法向感知的技术问题。
6.为解决上述问题，本发明提供一种柔性传感器，所述柔性传感器包括柔性基底和应变片，
7.所述应变片以圆形阵列方式均匀分布于所述柔性基底的底平面上，且相邻所述应变片处于不同姿态，以实现对所述柔性传感器各方向变形的响应；
8.还包括与所述应变片电性连接的数据采集电路，当柔性传感器吸附在不同曲面时，所述应变片随接触曲面的弯曲曲率弯曲，并且所述应变片的电阻发生变化，所述数据采集电路用于测量所述柔性传感器的应变片的电阻值ri。
9.优选的，所述柔性基底由柔性材料浇铸形成，所述应变片内嵌在所述柔性基底上。
10.优选的，所述柔性基底设置为半球体形，且半球体形的直径为48-52mm。
11.优选的，所述应变片的数量为至少6片，且所述应变片距离所述柔性基底的半球平面的高度为7-9mm。
12.优选的，所述柔性基底由ecoflex材料浇铸而成。
13.本发明的第二目的在于提供一种柔性传感器的标定方法，采用上述所述的柔性传感器，所述标定方法包括：
14.步骤s
100
:构建六输入、六输出的神经网络模型；
15.所述神经网络模型以柔性传感器的应变片输出的电阻变化作为输入变量，以所述柔性传感器的柔性基底的半球底面中心处所受六维力作为输出变量；
16.步骤s
200
:标定样本数据集；
17.采集至少包括1000组所述应变片输出的电阻变化和所述柔性基底的半球底面中心处所受六维力作为相对应的输入、输出数据，形成标定样本数据集；
18.步骤s
300
:利用所述标定样本数据集对所述神经网络模型进行训练，确定神经网络的各个参数，以得到确定的神经网络模型；
19.步骤s
400
:建立应变片的电阻变化与所述柔性基底的半球底面中心所受六维力之间的对应映射关系，完成所述柔性传感器的标定。
20.优选的，在步骤s
400
中，所述建立应变片的电阻变化与所述柔性基底的半球底面中心所受六维力之间的对应映射关系，具体包括：
21.步骤s
401
：利用标准刚性六维力传感器作为对照传感器，在给定受力情况下获得所述柔性传感器的应变片的响应输出电阻；
22.步骤s
402
：将所述柔性传感器的柔性基底的半球底面中心处所受六维力(f
x
,fy,fz,m
x
,my,mz)作为输出变量，将所述柔性传感器的应变片输出的电阻变化(r1,r2,r3,r4,r5,r6)作为输入变量，对所述柔性传感器施加不同受力，获取至少1000组相对应的输入变量数据与输出变量数据作为样本训练数据集；
23.步骤s
403
：以所述柔性传感器的柔性基底的半球底面圆心处为原点建立笛卡尔坐标系，将所述至少1000组相对应的输入变量数据与输出变量数据输入到所述神经网络模型中进行学习，获得所述柔性传感器的半球底面中心处所受六维力与应变片阻值ri之间的映射关系：
24.(f
x
,fy,fz,m
x
,my,mz)＝f(r1,r2,r3,r4,r5,r6)
25.其中：f
x
,fy,fz分别为x、y、z轴方向的力，m
x
,my,mz分别为绕x、y、z轴的力矩，r1,r2,r3,r4,r5,r6分别为该受力情况下应变片的阻值大小，f()表示(f
x
,fy,fz,m
x
,my,mz)与(r1,r2,r3,r4,r5,r6)之间的映射关系；
26.步骤s
404
：对所述柔性传感器进行标定后，通过测量所述柔性传感器的应变片的电阻，利用训练所得的神经网络模型预测获得所述柔性传感器的半球底面中心处所受的六维力。
27.本发明的第三目的在于提供一种接触曲面法线方向的测量方法，采用上述所述的柔性传感器，所述测量方法包括：
28.步骤t
100
:当柔性传感器与曲面接触并受力发生形变时，通过数据采集电路测得所述柔性传感器的应变片电阻值ri；
29.步骤t
200
:根据所述柔性传感器的半球底面中心处所受的六维力与应变片阻值ri之间所建立的函数关系(f
x
,fy,fz,m
x
,my,mz)＝f(r1,r2,r3,r4,r5,r6)，计算得到所述柔性传感器的半球底面中心处所受六维力信息；
30.步骤t
300
:利用所测六维力信息，计算得到接触曲面接触处的法线方向。
31.优选的，在步骤t
300
中，所述计算得到接触曲面接触处的法线方向的具体计算过程包括：
32.步骤t
301
：求取所述柔性传感器的半球底面法线方向所受合力和接触点h在r轴上的坐标rh的计算公式；
33.当接触曲面的曲率半径大于所述柔性传感器的曲率半径时，接触面采用平面α近似，未施加力时为平面α1，施加力后平面移动至α2，未受力时接触点为p，施加力f后柔性传感器发生变形，接触点移动至h点，则有：
[0034][0035][0036]
rh＝rsinθ-d
t
cosθ＝g(f
x
，fy，fz，m
x
，my，mz)
[0037]
其中，fz为所述柔性传感器的半球底面法线方向所受合力，fr为f
x
与fy的合力，rh为h点在r轴上的坐标值，θ为接触面法线方向与所述柔性传感器的半球底面法线方向之间夹角,dn为所述柔性传感器沿接触面的法向变形，d
t
为所述柔性传感器沿接触面的切向变形，e为所述柔性传感器的杨氏模量。
[0038]
步骤t
302
：利用有限元仿真，模拟所述柔性传感器的不同受力变形情况，获得至少1000组相对应的所述柔性传感器的半球底面中心处所受六维力(f
x
，fy，fz，m
x
，my，mz)和接触点h在r轴上的坐标rh；
[0039]
步骤t
303
：将所述至少1000组数据作为训练样本数据集，利用神经网络对其进行学习，拟合得到关系式：
[0040]
rh＝g(f
x
，fy，fz，m
x
，my，mz)
[0041]
步骤t
304
：利用所测得的六维力信息，计算得到接触曲面的法线方向与所述柔性传感器的半球底面法线方向之间的夹角θ，实现对接触曲面的法线方向的测量。
[0042]
优选的，在步骤t
302
当中，所述模拟柔性传感器的不同受力变形情况具体包括：改变柔性传感器的变形程度dn和d
t
。
[0043]
本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：
[0044]
通过柔性基底实现对接触表面的紧密贴合，利用内嵌应变片实现对接触位置所受的六维力进行感知，内嵌应变片具有一定的顺应能力，可适应柔性传感器贴合曲面时的变形，通过测量其输出电阻的变化以获取接触处的力/力矩信息，再对此感测信息进行处理获得接触位置的法向信息。当柔性传感器吸附不同在不同曲面时，应变片可以随接触曲面的弯曲曲率弯曲，随之应变片电阻发生变化。
[0045]
利用神经网络对传感器的半球型底面中心处所受六维力和内嵌应变片电阻之间的关系进行拟合，实现柔性传感器的标定。再结合有限元仿真与神经网络获得受力与接触点变形之间的映射关系，进而利用所测力/力矩信息和即可计算得到接触处的法线方向，实现对未知曲面的法向感知。
[0046]
本发明中的柔性传感器能够紧密贴合接触表面，顺应不平整的接触曲面，同时其可以实现对接触曲面的实时法向感知，可用于实现曲面匹配与对齐，顺应变曲率曲面。
附图说明
[0047]
图1是本发明实施例中柔性传感器制备过程中所需模具的示意图；
[0048]
图2是本发明实施例中具有曲面法线方向感知能力的柔性六维力传感器的示意图；
[0049]
图3是本发明实施例中接触曲面法线通过计算过程中柔性传感器受力情况的示意图；
[0050]
图4是本发明实施例中柔性传感器的标定方法的流程示意图；
[0051]
图5是本发明实施例中接触曲面法线方向的测量方法的流程示意图。
[0052]
附图标记说明：
[0053]
1-柔性基底；2-应变片。
具体实施方式
[0054]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
[0055]
如图1-3所示，本发明实施例中提供了一种柔性传感器，它具有曲面法线方向感知能力，所述柔性传感器包括柔性基底1、应变片2和数据采集电路，其中：
[0056]
柔性基底1由柔性材料浇铸形成，用于保证柔性传感器可被动顺应接触表面，实现对接触表面的紧密贴合；同时，柔性材料还可起到保护应变片2的作用。
[0057]
应变片2以圆形阵列方式均匀内嵌于柔性基底1上，且相邻应变片2处于不同姿态，以实现对柔性传感器各方向变形的响应。
[0058]
数据采集电路与应变片2电性连接，当柔性传感器吸附在不同曲面时，应变片2可随接触曲面的弯曲曲率弯曲，并且应变片2的电阻发生变化，此时数据采集电路用于测量柔性传感器的应变片2的电阻值ri。
[0059]
需要进一步说明的是，请参考如图1所示，应变片2在柔性基底1进行浇铸之前，采取按设计的布局方式固定于模具的相应位置，在柔性传感器的柔性基底1高温凝固过程中，及时调整应变片2的位置，以保证其处于理想位置，从而实现应变片2的内嵌。
[0060]
具体地，在本发明的实施例当中，柔性基底1由柔性材料浇铸形成，应变片2内嵌在柔性基底1上。
[0061]
具体地，请参阅图1所示，在本发明的实施例当中，柔性基底1设置为半球体形，且半球体形的直径为48-52mm。作为本发明实施例中的最佳优选方式，半球体形的直径为50mm。
[0062]
由此，柔性传感器为直径等于50mm的半球体形，这样既可保证传感器紧密贴合任意形状的接触面，半球型又能将柔性传感器所受外力更好地传递至内嵌设置对的应变片2上，保证其感知柔性传感器的受力变形情况，该尺寸可根据实际应用情况进行调整。
[0063]
需要进一步说明的是，上述浇注柔性基底1的材料包括但不限于ecoflex材料，ecoflex材料是一款化石基生物可降解和可堆肥塑料，为很多生物可降解和生物基塑料的重要基础原料。
[0064]
请参阅图2所示，在本发明的实施例当中，应变片2以圆形阵列方式内嵌于柔性基底1上，应变片2的数量为至少6片，且应变片2距离柔性基底1的半球平面的高度为7-9mm。
[0065]
由此，柔性传感器包含6片或以上应变片2，作为本发明实施例中的最佳优选方式，应变片2选取为bhf2k-3aa型号，从而实现对六维力的感知。
[0066]
另外，在本发明的实施例当中，应变片2距离柔性基底1的半球平面约8mm，相邻的应变片2以不同姿态内嵌于柔性基底1(平行或垂直于柔性基底1的半球平面)，从而保证柔性传感器可实现对各方向所受力导致的变形的响应。
[0067]
请参阅图4所示，本发明实施例还提供了一种柔性传感器的标定方法，采用上述所述的柔性传感器，所述标定方法包括：
[0068]
步骤s
100
:构建六输入、六输出的神经网络模型；
[0069]
所述神经网络模型以柔性传感器的应变片2输出的电阻变化作为输入变量，以柔性传感器的柔性基底1的半球底面中心处所受六维力作为输出变量；
[0070]
步骤s
200
:标定样本数据集；
[0071]
采集至少包括1000组应变片2输出的电阻变化和柔性基底1的半球底面中心处所受六维力作为相对应的输入、输出数据，形成标定样本数据集；
[0072]
步骤s
300
:利用所述标定样本数据集对神经网络模型进行训练，确定神经网络的各个参数，以得到确定的神经网络模型；
[0073]
步骤s
400
:建立应变片2的电阻变化与柔性基底1的半球底面中心所受六维力之间的对应映射关系，完成所述柔性传感器的标定。
[0074]
具体地，在本发明的实施例当中，在步骤s
400
中，所述建立应变片2的电阻变化与所述柔性基底1的半球底面中心所受六维力之间的对应映射关系，具体包括：
[0075]
步骤s
401
：利用标准刚性六维力传感器作为对照传感器，在给定受力情况下获得所述柔性传感器的应变片2的响应输出电阻；
[0076]
步骤s
402
：将所述柔性传感器的柔性基底1的半球底面中心处所受六维力(f
x
,fy,fz,m
x
,my,mz)作为输出变量，将所述柔性传感器的应变片2输出的电阻变化(r1,r2,r3,r4,r5,r6)作为输入变量，对所述柔性传感器施加不同受力，获取至少1000组相对应的输入变量数据与输出变量数据作为样本训练数据集；
[0077]
步骤s
403
：以柔性传感器的柔性基底1的半球底面圆心处为原点建立笛卡尔坐标系，将所述至少1000组相对应的输入变量数据与输出变量数据输入到所述神经网络模型中进行学习，获得所述柔性传感器的半球底面中心处所受六维力与应变片阻值ri之间的映射关系：
[0078]
(f
x
,fy,fz,m
x
,my,mz)＝f(r1,r2,r3,r4,r5,r6)
[0079]
其中：f
x
,fy,fz分别为x、y、z轴方向的力，m
x
,my,mz分别为绕x、y、z轴的力矩，r1,r2,r3,r4,r5,r6分别为该受力情况下应变片的阻值大小，f()表示(f
x
,fy,fz,m
x
,my,mz)与(r1,r2,r3,r4,r5,r6)之间的映射关系；
[0080]
步骤s
404
：对所述柔性传感器进行标定后，通过测量所述柔性传感器的应变片2的电阻，利用训练所得的神经网络模型预测获得所述柔性传感器的半球底面中心处所受的六维力。
[0081]
需要说明的是，在本发明的实施例当中构建六输入六输出的神经网络模型，所述神经网络模型包括但不限于psobp神经网络模型，通过上述标定方法对柔性传感器进行标定后，通过测量所得柔性传感器的应变片2的电阻，即可利用训练所得的神经网络模型预测获得所述柔性传感器半球底面中心处所受的六维力。
[0082]
请参阅图5所示，在本发明的实施例当中还提供了一种接触曲面法线方向的测量
方法，采用上述所述的柔性传感器，所述测量方法包括：
[0083]
步骤t
100
:当柔性传感器与曲面接触并受力发生形变时，通过数据采集电路测得所述柔性传感器的应变片电阻值ri；
[0084]
步骤t
200
:根据所述柔性传感器的半球底面中心处所受的六维力与应变片阻值ri之间所建立的函数关系(f
x
,fy,fz,m
x
,my,mz)＝f(r1,r2,r3,r4,r5,r6)，计算得到所述柔性传感器的半球底面中心处所受六维力信息；
[0085]
步骤t
300
:利用所测六维力信息，计算得到接触曲面接触处的法线方向。
[0086]
由此，所述接触曲面的法线方向计算方法，通过数据采集电路可测得传感器的应变片2的电阻值，根据上述所建立的函数关系(f
x
,fy,fz,m
x
,my,mz)＝f(r1,r2,r3,r4,r5,r6)可得到此时柔性传感器半球底面中心处所受的六维力，进而利用所测六维力信息计算得到接触曲面接触处的法线方向。
[0087]
具体计算过程如下：
[0088]
当接触曲面曲率半径大于柔性传感器(半径为r)的曲率半径时，接触面采用平面近似(未施加力时为平面α1，施加力后平面移动至α2)，未受力时接触点为p，受力f后柔性传感器发生变形接触点移动至h点，其中f可分解为f
x
、fy、fz。采用如下公式可反解得到θ。
[0089][0090][0091]
rh＝rsinθ-d
t
cosθ
[0092]
其中，fz为传感器半球底面法线方向所受合力，fr为f
x
与fy的合力(即水平面上所受合力，fr的方向为r轴)，rh为h点在r轴上的坐标值；θ为接触面法线方向与本发明所述柔性传感器的半球底面法线方向之间夹角,dn为柔性传感器沿接触面的法向变形(垂直于面α1、α2)，d
t
为切向变形(平行于面α1、α2)，e为柔性传感器杨氏模量。
[0093]
请参阅图3所示，在本发明的实施例当中，利用有限元仿真模拟柔性传感器不同受力变形情况。
[0094]
具体而言，即通过改变柔性传感器的变形程度dn和d
t
，模拟不同受力情况，进而获得共1000组相对应的传感器半球底面中心处所受六维力(f
x
，fy，fz，m
x
，my，mz)和接触点h在r轴上的坐标rh。
[0095]
将该1000组数据作为训练样本数据集，利用神经网络(包括但不限于bp神经网络)对其进行学习，可拟合得到关系式：
[0096]
rh＝g(f
x
，fy，fz，m
x
，my，mz)
[0097]
通过上述有限元仿真及神经网络算法，拟合可实现利用所测传感器半球底面中心处六维力信息，计算得到h点在r轴上的坐标：
[0098][0099][0100]
rh＝g(f
x
，fy，fz，m
x
，my，mz)＝rsinθ-d
t
cosθ
[0101]
综上，利用所测得的六维力信息(转换为fz、fr和rh)，即可计算得到接触面法线方向与本发明所述柔性传感器的半球底面法线方向之间夹角θ，实现对接触曲面法线方向的测量。
[0102]
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。