本发明公开了一种多点触觉力传感器及在规则沟槽表面提取特征信息的方法。传感器由半球状凸起层、敏感材料层和电极层堆叠而成；电极层上表面的电极为五电极结构，由在同一圆周上四个均匀分布的梭形电极和位于中心的公共电极构成。根据触觉力传感器在规则沟槽表面滑动时产生的信号的特征，设计了相应的多点传感单元的排布方式：五个传感单元构成十字形阵型，位于同一直线上的相邻两个传感单元中心距不相等。通过规则沟槽表面特征信息提取方法，解决了在缺乏视觉反馈的情况下，传感器的运动速度、规则沟槽表面的放置角度及其几何周期等信息的获取问题；其步骤简单，对传感器和被测表面之间相对位置关系的限制较少，易于实现。
1.一种多点触觉力传感器，其特征在于：从上至下依次由半球状凸起层(6)、敏感材料层(7)和电极层(8)堆叠而成；
半球状凸起层(6)：半球状凸起层(6)由PDMS浇筑而成，按3×3阵型进行排布；
敏感材料层(7)：敏感材料为导电橡胶，其排布与半球状凸起层(6)相对应；敏感材料周围由RTV硅胶进行固定；
电极层(8)上表面的电极为呈圆形的五电极结构，排布与半球状凸起层(6)相对应，五电极结构在同一圆周上由四个均匀分布的梭形电极和位于中心的公共电极构成；
触觉力传感器中至少有五个单元按下述方式进行排布：五个传感单元构成十字形阵型，第一单元(1)、第五单元(5)和第二单元(2)处于同一直线a上，第一单元(1)和第五单元(5)的中心距离是l1，第二单元(2)和第五单元(5)的中心距离是l2，中心距离l1不等于中心距离l2，第三单元(3)、第五单元(5)和第四单元(4)处于同一直线b上，直线b和直线a互相垂直，第三单元(3)和第五单元(5)的中心距离是l3，第四单元(4)和第五单元(5)的中心距离是l4，中心距离l3不等于中心距离l4。
2.用于权利要求1所述的一种多点触觉力传感器在规则沟槽表面提取特征信息的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)使多点触觉力传感器与沟槽表面相互接触，并沿平行于直线a或者b的方向进行滑动；
2)根据任意传感单元对应的四个力学输出信号的变化模式，判断滑动是否已经发生；
3)在步骤2)中确定滑动发生后，记录在时间段T内五个传感单元的输出信号；
4)基于第一单元(1)、第五单元(5)和第二单元(2)或第三单元(3)、第五单元(5)和第四单元(4)的输出信号，构建离散互相关函数，计算时间段T内传感器的滑动速度；
5)根据计算得到的滑动速度，以及第一单元(1)、第五单元(5)和第二单元(2)或第三单元(3)、第五单元(5)和第四单元(4)的输出信号，构建离散互相关函数以及直线b或直线a上的传感单元组排布方式及其运动轨迹之间几何关系的代数表达式，计算得到沟槽走向与直线b或直线a之间的夹角θ；
6)根据步骤4)和步骤5)的计算结果，以及任意传感单元输出信号的频域信息，构建任意传感单元运动轨迹与规则沟槽之间几何关系的代数表达式，计算得到规则沟槽表面的几何周期GP。
3.根据权利要求2所述的一种多点触觉力传感器在规则沟槽表面提取特征信息的方法，其特征在于，步骤2)中所述任意传感单元对应的四个力学输出信号的变化模式，是依照任意传感单元，在其对应的四个梭形电极上输出的电信号集合是否同时包含表征法向力上升以及法向力下降的电信号元素来判断滑移是否发生。
4.根据权利要求2所述的一种多点触觉力传感器在规则沟槽表面提取特征信息的方法，其特征在于，步骤4)中所述构建离散互相关函数的过程为：I)任意两个传感单元在时间段T内输出的电信号序列的离散互相关函数Rij(r)为：式中：N是T时间段内任意电极输出电信号序列的长度，ssqi代表单元i输出的电信号序列，n是对应序列的序号，r是序号差，并要求生成ssqi和ssqj的电极处于各自五电极结构中相同的位置，下标i为传感单元序号，取值为1-5，下标j为传感单元序号，此处取值为1-5；
II)多点触觉力传感器在规则沟槽表面的滑动速度v为
式中：rmaxi是传感单元i和第五传感单元(5)所生成的离散互相关函数Ri5(r)的最大值点，ti是相位时差。
5.根据权利要求4所述的一种多点触觉力传感器在规则沟槽表面提取特征信息的方法，其特征在于，步骤5)中所述直线b或直线a上的传感单元组排布方式及其运动轨迹之间几何关系的代数表达式为：当运动方向与直线a平行时，k＝3；否则k＝1
6.根据权利要求4所述的一种多点触觉力传感器在规则沟槽表面提取特征信息的方法，其特征在于，步骤6)中所述的任意传感单元运动轨迹与规则沟槽之间几何关系的代数表达式为：式中：GP代表规则沟槽表面的几何周期，smaxi是传感单元i输出电信号序列ssqi作离散傅里叶变换后的模长最大值点，fi是smaxi所对应的特征频率。
多点触觉力传感器及在规则沟槽表面提取特征信息的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及触觉力传感器及特征信息提取方法，尤其是涉及一种多点触觉力传感器及在规则沟槽表面提取特征信息的方法。
背景技术
[0002] 随着机器人在服务领域的不断发展，越来越多的机器人需要在非结构化环境下进行工作，对未知物体的稳定抓取问题也随之浮现：因对抓取对象缺乏必要的信息，机器人不可能以开环控制的方式实现抓取动作。以法向力为例，较小的法向力将会使得重物在抓取过程中发生滑移现象，而过大的法向力又会对柔性或脆性的物体造成损坏。常见的一种解决方案是给机械手添加滑觉传感器，以检测初始滑移现象的有无来判断是否应该增大法向力。但这样的做法使得物体始终处于非平衡稳定状态；一旦施加外力，物体极易从机械手中脱落。另一种解决方法则是先对物体表面进行特征信息提取，与现有的数据库进行对比后选择一套合适方案实现物体的抓取。相比于传统的视觉识别，基于触觉信号的识别方法在鲁棒性和经济性上均占有一定的优势。就目前而言，大多数触觉力传感器的动态性能已能满足对规则沟槽表面特征信息的识别要求。但后续检测系统对采样数据的处理方法基本仅依赖于频谱分析法。因此在检测过程中对机械手的滑动速度以及沟槽表面的空间位置均有一定的要求，降低了识别工作的可行性。故而对于运动速度和沟槽表面摆放角度的检测，是增强针对规则沟槽表面特征信息的提取方法实用性的重要因素。
发明内容
[0003] 为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种多点触觉力传感器及在规则沟槽表面提取特征信息的方法，可对检测过程中传感器的滑动速度、以及沟槽表面的摆放角度及其几何周期进行识别。
[0004] 本发明采用的技术方案如下：
[0005] 一、一种多点触觉力传感器
[0006] 本发明的多点触觉力传感器，从上至下依次由半球状凸起层、敏感材料层和电极层(8)堆叠而成；
[0007] 半球状凸起层：半球状凸起层由PDMS浇筑而成，按3×3阵型进行排布；
[0008] 敏感材料层：敏感材料为导电橡胶，其排布与半球状凸起层相对应；敏感材料周围由RTV硅胶进行固定；
[0009] 电极层上表面的电极为呈圆形的五电极结构，排布与半球状凸起层相对应，五电极结构在同一圆周上由四个均匀分布的梭形电极和位于中心的公共电极构成；
[0010] 触觉力传感器中至少有五个单元按下述方式进行排布：五个传感单元构成十字形阵型，第一单元、第五单元和第二单元处于同一直线a上，第一单元和第五单元的中心距离是l1，第二单元和第五单元的中心距离是l2，中心距离l1不等于中心距离l2，第三单元、第五单元和第四单元处于同一直线b上，直线b和直线a互相垂直，第三单元和第五单元的中心距离是l3，第四单元和第五和单元的中心距离是l4，中心距离l3不等于中心距离l4。
[0011] 二、一种多点触觉力传感器在规则沟槽表面提取特征信息的方法，包括以下步骤：
[0012] 1)使多点触觉力传感器与沟槽表面相互接触，并沿平行于直线a或者b的方向进行滑动；
[0013] 2)根据任意传感单元对应的四个力学输出信号的变化模式，判断滑动是否已经发生；
[0014] 3)在步骤2)中确定滑动发生后，记录在时间段T内五单元的输出信号；
[0015] 4)基于第一单元、第五单元和第二单元或第三单元、第五单元和第四单元的输出信号，构建离散互相关函数，计算时间段T内传感器的滑动速度；
[0016] 5)根据计算得到的滑动速度，以及第一单元、第五单元和第二单元或第三单元、第五单元和第四单元的输出信号，构建离散互相关函数以及直线b或直线a上的传感单元组排布方式及其运动轨迹之间几何关系的代数表达式，计算得到沟槽走向与直线b或直线a之间的夹角θ；
[0017] 6)根据步骤4)和步骤5)的计算结果，以及任意传感单元输出信号的频域信息，构建任意传感单元运动轨迹与规则沟槽之间几何关系的代数表达式，计算得到规则沟槽表面的几何周期GP。
[0018] 步骤2)中所述任意传感单元对应的四个力学输出信号的变化模式，是依照任意传感单元，在其对应的四个梭形电极上输出的电信号集合是否同时包含表征法向力上升以及法向力下降的电信号元素来判断滑移是否发生。
[0019] 步骤4)中所述构建离散互相关函数的过程为：
[0020] I)任意两个传感单元在时间段T内输出的电信号序列的离散互相关函数Rij(r)为：
[0021]
[0022] 式中：N是T时间段内任意电极输出电信号序列的长度，ssqi代表单元(i)输出的电信号序列，n是对应序列的序号，r是序号差，并要求生成ssqi和ssqj的电极处于各自五电极结构中相同的位置；
[0023] II)多点触觉力传感器在规则沟槽表面的滑动速度v为
[0024] (当运动方向与直线a平行时，j＝1；否则j＝3)
[0025]
[0026] 式中：rmaxi是传感单元(i)和第五传感单元所生成的离散互相关函数Ri5(r)的最大值点，ti是相位时差。
[0027] 步骤5)中所述直线b或直线a上的传感单元组排布方式及其运动轨迹之间几何关系的代数表达式为：
[0028] (当运动方向与直线a平行时，k＝3；否则k＝1)
[0029] 式中：θ代表规则沟槽走向与直线b或a之间的夹角。
[0030] 步骤6)中所述的任意传感单元运动轨迹与规则沟槽之间几何关系的代数表达式为：
[0031]
[0032]
[0033] 式中：GP代表规则沟槽类表面的几何周期，smaxi是传感单元(i)输出电信号序列ssqi作离散傅里叶变换后的模长最大值点，fi是smaxi所对应的特征频率。
[0034] 本发明具有的有益效果是：
[0035] 根据触觉力传感器在规则沟槽表面滑动时产生的电信号的特征，设计了相应的多点传感单元的排布方式，并通过上述规则沟槽表面特征信息提取方法，解决了在缺乏视觉反馈的情况下，传感器的运动速度、规则沟槽表面的放置角度、规则沟槽表面的几何周期等信息的获取问题；其步骤简单，对传感器和被测表面之间相对位置关系的限制较少，易于实现。
附图说明
[0036] 图1是本发明所基于的多点触觉力传感器的结构拆分立体图。
[0037] 图2是本发明所基于的多点触觉力传感器的传感单元分布图。
[0038] 图3是本发明的操作流程图。
[0039] 图4是本发明中传感单元在一般情况下于规则沟槽表面滑动时产生电信号的形貌示意图。
[0040] 图5是本发明中基于图4所示第3、5单元电信号的离散互相关函数的曲线图。
[0041] 图6是本发明中基于图4所示第4、5单元电信号的离散互相关函数的曲线图。
[0042] 图7是本发明中计算规则沟槽走向与运动方向法向之间的夹角所依赖的不同时刻下第3、4、5单元和规则沟槽表面构成的几何关系示意图。
[0043] 图中：1～5、构成十字形阵型的传感单元，6、半球状凸起层，7、敏感材料层，8、电极层。
具体实施方式
[0044] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0045] 如图1所示，本发明的一种多点触觉力传感器，其特征在于：从上至下依次由半球状凸起层6、敏感材料层7和电极层8堆叠而成。
[0046] 半球状凸起层6：半球状凸起层6由PDMS浇筑而成，按3×3阵型进行排布；敏感材料层7：在敏感材料层7中以圆片表示的为敏感材料，选用日本INABA公司生产的INASTOMER导电橡胶，并用RTV硅胶进行固定，敏感材料层7排布与半球状凸起层6相对应；电极层8的基材选为聚对苯二甲酸乙二酯，上表面的电极为呈圆形的五电极结构，排布与半球状凸起层6相对应，五电极结构在同一圆周上由四个均匀分布的梭形电极和位于中心的公共电极构成；敏感材料在电极处的输出电压与其在相应区域内受到的法向力呈正相关关系。实际工作时，各电极处的输出电压在0～3.3V的范围内进行变化。
[0047] 触觉力传感器中至少有五个单元按下述方式进行排布：五个传感单元构成十字形阵型或“Γ”字形或“Τ”字形排布。图2中，第一单元1、第五单元5和第二单元2处于同一直线a上，第一单元1和第五单元5的中心距离是l1，第二单元2和第五单元5的中心距离是l2，中心距离l1不等于中心距离l2，第三单元3、第五单元5和第四单元4处于同一直线b上，直线b和直线a互相垂直，第三单元3和第五单元5的中心距离是l3，第四单元4和第五和单元5的中心距离是l4，中心距离l3不等于中心距离l4。
[0048] 触觉力传感器中的9个传感单元按图2所示的3×3阵型进行排布：单元1所在列和单元5所在列的中心距离是3.5mm，单元2所在列和单元5所在列的中心距离是3.8mm。单元3所在行和单元5所在行的中心距离是3.5mm，单元4所在行和单元5所在行的中心距离是3.8mm。
[0049] 本发明的基于多点触觉力传感器的规则沟槽表面特征信息提取方法，通过对不同传感单元输出电信号进行频谱分析以解决缺乏视觉反馈情况下传感器运动速度、规则沟槽表面放置角度及其几何周期等信息的获取问题，具体过程如图3所示：
[0050] (1)令多点触觉力传感器与规则沟槽表面相互接触，并使传感器沿平行于直线a的方向进行滑动。一般要求在整个滑动过程中，任意电极输出电信号稳定且明显。
[0051] (2)根据传感单元5在左右两个梭形电极上的输出电信号变化规律以判断传感器的运动状态，具体规则为：
[0052] a)若左右两个电极的输出电信号的电压值同时上升，则表明传感器处于加载状态；
[0053] b)若左右两个电极的输出电信号的电压值同时下降，则表明传感器处于卸载状态；
[0054] c)若左侧电极的输出电信号的电压值上升而右侧电极的输出电信号的电压值下降，则表明传感器开始向右滑动；
[0055] d)若左侧电极的输出电信号的电压值下降而右侧电极的输出电信号的电压值上升，则表明传感器开始向左滑动；
[0056] (3)当步骤2)确认传感器开始滑动后，间隔2s以等待传感器进入完全滑动状态。之后按100Hz的采样频率对单元1～5在其所对应的右侧梭形电极处输出的电信号进行时长为1s的采样工作。一般情况下，单元3～5在规则沟槽类表面滑动时产生的电信号会拥有类似于图4所示曲线的形貌，而其他单元产生的电信号也会拥有类似的形貌。
[0057] (4)基于单元1、2、5的输出信号，构建离散互相关函数，计算采样时间内传感器的滑动速度v。
[0058] 对采集得到的来自传感单元1、2、5的原始电信号序列ossqi进行去直流量的预处理，以生成待处理电信号序列ssqi为：
[0059]
[0060]
[0061] 式(1)、(2)中的下标i代表了该电信号序列来自单元i，n代表了对应序列中的序号。
[0062] 分别求解来自单元1、2的待处理电信号序列ssqi和来自单元5的待处理电信号序列ssq5的离散互相关函数Ri5(r)为：
[0063]
[0064] 一般情况下，由待处理信号序列ssqi产生的离散互相关函数R15(r)和R25(r)将会拥有类似于图5、图6所示的R35(r)或R45(r)的曲线形貌。
[0065] 求解传感器在采样时间内的滑动速度v为：
[0066]
[0067]
[0068] 式(5)中，rmaxi是传感单元i和传感单元5所生成的离散互相关函数Ri5(r)的最大值点，且属于整数集。或如图5、6所示，rmaxi亦可理解为离散互相关函数Ri5(r)峰值与原点之间的水平距离。
[0069] (5)根据计算得到的滑动速度，以及单元3、4、5的输出信号，构建离散互相关函数以及直线b上的传感单元组排布方式及其运动轨迹之间几何关系的代数表达式，计算得到规则沟槽走向与直线b的夹角θ。
[0070] 将采集得到的来自传感单元3、4的原始电信号序列ossqi按照式(1)、(2)进行预处理得到待处理电信号序列ssqi，并按式(3)分别求解其与单元5所对应的待处理信号序列ssq5的离散互相关函数Ri5(r)。一般情况下，由待处理信号序列ssqi产生的离散互相关函数R35(r)和R45(r)将会拥有类似于图5、图6所示的曲线形貌。之后按照式(5)求解得到相应的相位时差ti。
[0071] 图7表明不同时刻T1、T2、T3下，传感单元3、4、5在规则沟槽表面上的空间位置。在时间段T1～T3期间，各单元输出的电信号如图4所示。由图可知，单元3在T3时刻的输出信号、单元5在T2时刻的输出信号，以及单元4在T1时刻输出信号的幅值一致，图7中将相应单元以实线形式进行表示。图中A、B、C、F、H均为对应单元的几何中心。显然，直角△ABC的AB边长即为传感器在T2～T3时间段内的位移距离，其在数值上等于vt3；同理，线段FG的长度等于vt4。直角△ABC的AC边长等于单元3和单元5之间的中心距离l3；线段CH则等于l4。构建直角△ABC的全等△EDC，使点E落在线段AH之上。之后连接点D与点F，并过点D做线段FH的垂线段DG，使得G落在线段FH之上。不难证明，∠FDG与规则沟槽走向和直线b之间的夹角θ相等。另外，对于新构建的直角△FDG而言，其DG边长显然等于(l4-l3)(在此例中等于0.3mm)，其FG边长明显等于v(t4-t3)。则求解夹角θ的公式为：
[0072]
[0073] 6)根据步骤4)和5)的计算结果，以及任意传感单元输出信号的频域信息，构建任意传感单元运动轨迹与规则沟槽之间几何关系的代数表达式，计算得到规则沟槽表面的几何周期GP。
[0074] 对来自单元5的待处理电信号序列ssq5进行离散傅里叶变换后取其模长，得到其幅频特性序列ftsq5为：
[0075]
[0076] 式(7)中，k是序列ssq5的序号。
[0077] 求解传感单元5在规则沟槽表面滑动时产生的电信号的特征频率f5为：
[0078]
[0079] 式(8)中smax5是幅频特性序列ftsq5的最大值点。
[0080] 求解被测规则沟槽表面的几何周期GP为：
[0081]
[0082] 以上对本发明所涉及的多点触觉力传感器及在规则沟槽表面提取特征信息的方法的具体实施方式进行了描述，但该发明并不限于以上描述。对于本领域的技术人员而言，任何对本技术方案的同等修改和替代都是在本发明范围之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所做的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
