指环式组合阵列变送器及采用该变送器测量水下机械手触觉力的方法技术

本发明专利技术公开了一种指环式组合阵列变送器及采用该变送器测量水下机械手触觉力的方法，用于解决现有变送器实用性差的技术问题。技术方案是指环式组合阵列变送器为环形结构，其表面分布有39个力敏感单元。采用该变送器测量水下机械手触觉力的方法，将指环阵列变送器测量的触觉力信号与环境温度信号的信号调理、数据融合及真实触觉力通过第一信号输出电路与第二信号输出电路输出。其中信号调理电路实现力信号与温度信号的信号放大与RC滤波；数据采集电路通过分时与片选方式实现微控制器对所测量的触觉力信号与温度信号的数字量采集；微控制器完成力信号与温度信号的BP网络数据融合，实现真实触觉力输出，完成水下机械手触觉力的测量，实用性强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种变送器，特别涉及一种指环式组合阵列变送器。还涉及一种采用指环式组合阵列变送器测量水下机械手触觉力的方法。
技术介绍
机器人触觉传感技术是实现机器人智能化的关键技术之一，力测量触觉变送器在机器人操作中得到了大量的应用。随着微电子机械系统(MEMS)技术的不断发展以及各种敏感材料的出现，为机器人触觉传感器的研究、设计和制作提供了良好的基础。但是由于水下环境的复杂性使传感器在水下机器人应用过程中存在很大的限制。水深的变化造成静压力的变化影响传感器的测量精度，水的静压力作用可能超出力传感器的工作范围；机械手的运动造成水的流动，对传感器的测量造成干扰；水的盐度、酸碱度、腐蚀性等特点对传感器的密封性造成的影响。所以，水下复杂的环境对水下触觉传感器的测量精度以及稳定性等参数带来很大的影响，要求设计的力触觉传感器稳定性好、耐腐蚀性强、耐压性好、能够感受不同方向的力、并且能够消除不同水层对传感器的测量影响。文献“授权公告号是CN102706489B的中国专利技术专利”公开了一种仿人型机器人多指手柔性三维力触觉传感器及其三维力检测系统。该检测系统主要针对多数触觉传感器只能采集法向力而不能像人手一样检测法向力的同时检测力的问题，用于仿人型机器人多指手三维力检测的触觉传感器。所设计传感器本体从上至下依次由传力半球层、柔性顶层电极层、具有量子隧道效应的复合材料QTC和柔性底层电极层组成，信号采集电路是由混合信号阵列式可编程的片上系统和模拟多路选择模块构成。但是该传感器结构复杂，在长期的运动与受力过程中容易毁坏电路，未体现检测滑移信号的功能，并且没有公布温度对力敏感元件影响的数据融合方法，不同的数据处理方式对力信号的结果造成很大影响。
技术实现思路
为了克服现有变送器实用性差的不足，本专利技术提供一种指环式组合阵列变送器及采用该变送器测量水下机械手触觉力的方法。指环式组合阵列变送器为环形结构，其表面分布有39个力敏感单元，每一个力敏感单元包括力敏感元件与温度敏感元件，用于测量触觉力与温度。采用该变送器测量水下机械手触觉力的方法，将指环阵列变送器测量的触觉力信号与工作环境温度信号的信号调理、数据融合以及真实触觉力输出。其中信号调理电路实现力信号与温度信号的信号放大与RC滤波；数据采集电路通过分时与片选方式实现微控制器对所测量的触觉力信号与温度信号的数字量采集；微控制器完成力信号与温度信号的BP网络数据融合，实现真实触觉力输出。第一信号输出电路与第二信号输出电路实现不同形式的触觉力信号输出，完成水下机械手触觉力的测量，实用性强。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种指环式组合阵列变送器，其特点是：骨架为圆环式结构，在变送器的下端有30°的空隙用来实现机械手手指的固定，在空隙处有两个方形平板相连，在每个平板上有两个圆形的通孔，用于固定变送器。骨架外侧分布有39个力敏感单元，对称分布于指环的表面。在力敏感单元之间均匀分布过孔。所述力敏感单元分为三层，包括固定层1、基层3和隔水层7。固定层1用于与机械手手指固定，为弹性钢结构。固定层1通过柔性连接装置2与基层3连接，基层3上表面是力敏感元件4，力敏感元件4通过硅胶垫5与隔水层7连接。固定层1与基层3之间留有空隙，固定层1上均匀分布有若干孔，工作时水自由进入固定层1与隔水层7之间形成相对压差。防水层7上有一个向外的凸起6，并且凸起面上有褶皱。固定层1、基层3和防水层7通过固定连接9固定。指环式组合阵列变送器包括组合阵列传感器网络、信号调理电路、数据采集电路、微控制器、第一信号输出电路和第二信号输出电路。所述组合阵列传感器网络由39个力敏感单元构成，每一个力测量单元包括力敏感元件与温度敏感元件。每一个力测量单元的力敏感元件配接一个惠斯登电桥电路，实现力信号到电信号的线性转换。信号调理电路对温度信号及力信号的放大以及滤波处理，数据采集电路将力信号与温度信号通过A/D转换实现数字量采集。微控制器将力信号与温度信号的BP网络数据融合，通过第一信号输出电路与第二信号输出电路实现真实力信号输出。所述骨架和方形平板的材质为柔性钢结构。还包括温度敏感元件8，温度敏感元件8位于力敏感元件4旁边。一种采用上述指环式组合阵列变送器测量水下机械手触觉力的方法，其特点是包括以下步骤：机械手手指抓取物体时，指环式组合阵列变送器的力敏感单元上向外凸起与物体接触引起指环形变，力敏感单元中的力敏感元件发生形变引起其自身阻值变化，经过惠斯登电桥输出电压值发生变化，通过测量输出电压获取触觉力信号。为了消除温度对触觉力的影响测量工作环境的温度信号。通过信号放大与滤波完成信号调理实现微控制器对信号的采集，微控制器经过BP网络数据融合实现真实触觉力信号的输出。力敏感元件的阻值的变化与自身形变的变化关系如公式(1)所示，其中R表示力敏感单元的阻值，dR表示阻值变化，K为近似常数，ε为相对的接触力引起形变的形变量。阻值变化与形变量存在近似线性关系。 d R R = K ϵ - - - ( 1 ) ]]>力敏感元件测量形变力受到温度影响造成测量漂移，会形成交叉灵敏度的问题。为了消除温度影响提高力测量的精度，在力敏感元件测量周围环境加入温度敏感元件测量周围环境温度。温度敏感元件根据热电偶效应实现温度测量。触觉力信号经过力敏感元件转化为可变的电阻信号，经过惠斯登电桥输出可变的毫伏级电压信号，温度信号输出也为毫伏级电压信号。所述的组合阵列传感器网络由指环骨架上分布的39个力敏感单元组成的，其输出为39路表示触觉力信号与温度信号的毫伏级电压信号。所述的信号调理电路主要实现信号的放大与滤波。39个力敏感单元分别与惠斯登电桥构成的电桥电路输出的力信号分别做相应的信号调理处理，完成信号的50倍放大以及RC滤波处理，然后通过多路复用加片选方式实现单片机对力信号的数据采集。对应的温度敏感元件将周围温度采集，分别做相应的信号调理，完成20倍的放大以及滤波处理。对力信号和温度信号的放大采用集成运放放大芯片INA121。将力信号测量的电压以差分形式输入INA121放大输入端，放大倍数根据外接电阻调节实现比例放大，经放大器输出端得到输出信号。然后将放大后的信号经过RC滤波电路实现低通滤波，实现高频纹波的滤除。所述的数据采集电路通过多路复用加片选方式实现微控制器对触觉力信号和温度信号的数字量采集。通过多路复用方法采集78组模拟量。通过I/O作为地址线实现对某一行信号的选定，通过轮番扫描依次实现该行模拟量信号的A/D转换实现数据采集。然后选择下一行，再依次实现扫描式采集。通过选定一行，扫描一行的方式，周期性实现数字量采集。所述的微控制器采用MSP430F5438单片机，MSP430F5438上带有16路12位的A/D转换，通过片选加多路复用方式实现39路力测量信号和39路温度敏感元件信号的A/D数据采集。另外MSP430F5438电源电压采用1.8～3.6V的宽电压范围供电，待机电流小于1μA，具有超低功耗的功能。MSP430单片机是16位的单片机。所述的微控制器采本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种指环式组合阵列变送器，其特征在于：骨架为圆环式结构，在变送器的下端有30°的空隙用来实现机械手手指的固定，在空隙处有两个方形平板相连，在每个平板上有两个圆形的通孔，用于固定变送器；骨架外侧分布有39个力敏感单元，对称分布于指环的表面；在力敏感单元之间均匀分布过孔；所述力敏感单元分为三层，包括固定层(1)、基层(3)和隔水层(7)；固定层(1)用于与机械手手指固定，为弹性钢结构；固定层(1)通过柔性连接装置(2)与基层(3)连接，基层(3)上表面是力敏感元件(4)，力敏感元件(4)通过硅胶垫(5)与隔水层(7)连接；固定层(1)与基层(3)之间留有空隙，固定层(1)上均匀分布有若干孔，工作时水自由进入固定层(1)与隔水层(7)之间形成相对压差；防水层(7)上有一个向外的凸起(6)，并且凸起面上有褶皱；固定层(1)、基层(3)和防水层(7)通过固定连接(9)固定；指环式组合阵列变送器包括组合阵列传感器网络、信号调理电路、数据采集电路、微控制器、第一信号输出电路和第二信号输出电路；所述组合阵列传感器网络由39个力敏感单元构成，每一个力测量单元包括力敏感元件与温度敏感元件；每一个力测量单元的力敏感元件配接一个惠斯登电桥电路，实现力信号到电信号的线性转换；信号调理电路对温度信号及力信号的放大以及滤波处理，数据采集电路将力信号与温度信号通过A/D转换实现数字量采集；微控制器将力信号与温度信号的BP网络数据融合，通过第一信号输出电路与第二信号输出电路实现真实力信号输出。...

【技术特征摘要】
2016.01.28 CN 20161005910491.一种指环式组合阵列变送器，其特征在于：骨架为圆环式结构，在变送器的下端有30°的空隙用来实现机械手手指的固定，在空隙处有两个方形平板相连，在每个平板上有两个圆形的通孔，用于固定变送器；骨架外侧分布有39个力敏感单元，对称分布于指环的表面；在力敏感单元之间均匀分布过孔；所述力敏感单元分为三层，包括固定层(1)、基层(3)和隔水层(7)；固定层(1)用于与机械手手指固定，为弹性钢结构；固定层(1)通过柔性连接装置(2)与基层(3)连接，基层(3)上表面是力敏感元件(4)，力敏感元件(4)通过硅胶垫(5)与隔水层(7)连接；固定层(1)与基层(3)之间留有空隙，固定层(1)上均匀分布有若干孔，工作时水自由进入固定层(1)与隔水层(7)之间形成相对压差；防水层(7)上有一个向外的凸起(6)，并且凸起面上有褶皱；固定层(1)、基层(3)和防水层(7)通过固定连接(9)固定；指环式组合阵列变送器包括组合阵列传感器网络、信号调理电路、数据采集电路、微控制器、第一信号输出电路和第二信号输出电路；所述组合阵列传感器网络由39个力敏感单元构成，每一个力测量单元包括力敏感元件与温度敏感元件；每一个力测量单元的力敏感元件配接一个惠斯登电桥电路，实现力信号到电信号的线性转换；信号调理电路对温度信号及力信号的放大以及滤波处理，数据采集电路将力信号与温度信号通过A/D转换实现数字量采集；微控制器将力信号与温度信号的BP网络数据融合，通过第一信号输出电路与第二信号输出电路实现真实力信号输出。2.根据权利要求1所述的指环式组合阵列变送器，其特征在于：还包括温度敏感元件(8)，温度敏感元件(8)位于力敏感元件(4)旁边。3.根据权利要求1所述的指环式组合阵列变送器，其特征在于：所述骨架和方形平板的材质为柔性钢结构。4.一种采用权利要求1所述指环式组合阵列变送器测量水下机械手触觉力的方法，其特征在于包括以下步骤：机械手手指抓取物体时，指环式组合阵列变送器的力敏感单元上向外凸起与物体接触引起指环形变，力敏感单元中的力敏感元件发生形变引起其自身阻值变化，经过惠斯登电桥输出电压值发生变化，通过测量输出电压获取触觉力信号；为了消除温度对触觉力的影响测量工作环境的温度信号；通过信号放大与滤波完成信号调理实现微控制器对信号的采集，微控制器经过BP网络数据融合实现真实触觉力信号的输出；力敏感元件的阻值的变化与自身形变的变化关系如公式(1)所示，其中R表示力敏感单元的阻值，dR表示阻值变化，K为近似常数，ε为相对的接触力引起形变的形变量；阻值变化与形变量存在近似线性关系； d R R = K ϵ - - - ( 1 ) ]]>力敏感元件测量形变力受到温度影响造成测量漂移，会形成交叉灵敏...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘卫东，张建军，高立娥，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61