一种基于柔性压阻材料的点阵式压力检测系统及检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了一种基于柔性压阻材料的点阵式压力检测系统及检测方法。
【背景技术】
[0002] 随着人们对机器人研究的不断深入，机器人触觉已经成为了一个热门研究课题。 触觉是一种与环境接触的基本感觉，尤其当环境不能完全确定和描述时，触觉信息尤为重 要。现在，触觉的研究热点之一是实现柔性触觉传感器阵列对压力分布的检测。目前，柔性 触觉传感器阵列实现压力分布检测主要有以下两种方法：
[0003] -种为低密度传感器阵列，单个传感器按几何规律排成简单阵列，或者按实际需 求分布在所需位置。这种传感器阵列响应时间短，成本低，但是测量的范围有限，只能检测 压力分布的大概位置，不能具体精确到某一点。因此这种传感器阵列实际使用精度较低。
[0004] -种为高密度集成传感器阵列，传感器单元之间的距离为毫米级甚至微米级。当 物体加载在该传感器阵列上时，根据每个传感器单元的反馈能够得到类似于计算机图像数 据的触觉数据，也可以称之为"触觉图像"。随后将物体加载后对应的触觉图像进行定义与 特征提取并存储在数据库中，当传感器再次获取触觉图像时便进行匹配，从而能够分析出 触碰物体所在位置。该方法较高的精度，但是计算量大，响应时间长，需要大量的实验与数 据进行定义分类，并且阵列制造复杂，成本较高。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中的不足，本发明提出了一种能够避免上述缺点，计算量小，响应时 间快，检测压力分布精度高，成本较低的基于柔性压阻材料的点阵式压力检测系统及检测 方法，本发明采用具有压阻特性的柔性薄膜传感器作为柔性传感器单元，利用柔性材料封 装多个传感器单元构成该压力检测系统的主体一一柔性压力传感器阵列。通过多个传感器 的输出电压值，采用三点定位算法，再根据封装材料的特性反演出传感器阵列区域上的压 力大小及压力点位置。
[0006] 本发明采用的技术方案如下：
[0007] 一种基于柔性压阻材料的点阵式压力检测系统，包括柔性压力传感器阵列，所述 的柔性压力传感器阵列中的柔性传感器单元与信号采集电路相连，所述的信号采集电路与 A/D转换电路相连，所述的A/D转换电路将转换后的信号发送给上位机进行处理。
[0008] 进一步的，所述的柔性传感器单元由电源供电。
[0009] 进一步的，所述柔性阵列运用聚二甲基硅氧烷(PDMS)对柔性传感器单元进行封 装。与柔性传感器单元与导线以及外部皆具有良好的绝缘性，能够防止外界接触物对该阵 列的电干扰。
[0010] 进一步的，所述的柔性压力传感器阵列为一个方形结构，多个柔性传感器单元按 照等边三角形阵列的方式封装在方形结构内，相邻的三个柔性传感器单元构成一个等边三 角形。
[0011] 进一步的，所述信号采集电路包含多个分路，每一个分路都通过导线与一个传感 器单元相连;信号采集电路每一路结构相同，包括与导线相连的低通滤波电路，与滤波电路 相连的运算放大电路，以及与运放电路相连的A/D转换电路。
[0012] 本发明检测系统的检测方法如下：
[0013] 步骤1.传感器阵列接通电源后，对阵列某一点施加压力；
[0014] 步骤2.信号采集电路采集柔性传感器单元的输出电压后进行放大与滤波，消除接 触阻抗影响；
[0015] 步骤3.A/D转换电路对处理后的电压信号进行A/D转换变为数字信号；
[0016] 步骤4.上位机采用三点定位算法对步骤3得到的数字信号进行处理，得到阵列所 受压力的大小以及压力点位置。
[0017] 三点定位算法步骤：
[0018] 步骤1.对比每个柔性传感器单元的电压值，根据每个传感器单元电压值的大小， 判断施加压力点是否落在了柔性传感器单元形成的三角形区域内，如果落在了三角形区域 内，则进入步骤2,如果没有落在三角形区域内，则该次测量无效；
[0019] 步骤2.将对应该三角形的三个柔性传感器单元的输出值带入下述方程中，
[0020]
[0021]
[0022]其中：KA，Kb，Κο分别为三个传感器单元的传感系数(预先标定测得），VA，V B，Vo为三 个传感器单元的输出电压，Sa，Sb，So为三个传感器单元离接触点距离，L为等边三角形边长， x，y为施加压力点坐标。
[0023] 通过上述的方程可以求得阵列所受压力的大小以及位置。
[0024]本发明的有益效果如下：
[0025] 本发明与现有技术对比，本发明能够应用于柔性点阵式触觉传感器的压力分布检 测，利用每个传感器单元之间的相互数据，能够精确检测压力的大小以及位置，并且结构简 单，精度高，同时计算量较少，响应速度快，易于传感器阵列的模块化，提高了单个传感器的 效率。
【附图说明】
[0026] 图1本发明的传感器阵列结构简图；
[0027]图2传感器侧面剖示图；
[0028]图3阵列形成的三角形区域图；
[0029]图4定位算法分析图；
[0030]图5本发明的整体结构图；
[0031]图6信号采集电路其中一路的信号采集电路图；
[0032]图中：1传感器单元，2柔性压力传感器阵列，3三角形检测区域，4信号采集电路，5 数据采集卡，6上位机，7电源。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图对本发明进行详细说明：
[0034]本发明的柔性点阵式压力检测系统主要包括柔性压力传感器阵列2、柔性压力传 感器阵列2包括柔性传感器单元1和封装柔性传感器单元1的柔性材料、连接电源与柔性传 感器单元的多股铜芯导线、信号采集电路4、进行A/D转换的16位数据采集卡5以及上位机6 的数据处理程序总共六个部分。
[0035]柔性阵列运用聚二甲基硅氧烷(PDMS)对柔性传感器单元进行封装。与柔性传感器 单元与导线以及外部皆具有良好的绝缘性，能够防止外界接触物对该阵列的电干扰。该阵 列尺寸为80mm*80mm*8mm，柔性传感器单元放置在边长20mm的等边三角形的顶点上，总共由 6个柔性传感器单元构成4个等边三角形检测区域3。
[0036]信号采集电路4包含多个分路，每一个分路都通过导线与一个传感器单元1相连。 信号采集电路4每一路结构相同，主要包括与导线相连的低通滤波电路，与滤波电路相连的 运算放大电路，以及与运放电路相连的进行A/D转换的USB数据采集卡。
[0037]柔性压力传感器阵列2和信号采集电路4由电源供电。
[0038] 采用本发明检测系统的检测方法如下：
[0039] 1.传感器阵列接通电源后，当在阵列某一点施加压力时，由于柔性传感器单元(柔 性薄膜传感器)的压阻效应，会导致柔性传感器单元输出电压发生改变。
[0040] 2.柔性传感器单元的输出电压进入采集电路进行放大与