一种触觉感知装置及机器人地形感知方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种触觉感知装置及机器人地形感知方法，机器人地形感知方法采用触觉感知装置进行感知，机器人地形感知方法包括步骤1：触觉感知组件采集机器人与地面接触时多个不同位置的压力数据并生成时间序列数据；步骤2：时序数据预处理模块对时间序列数据进行预处理；步骤3：波峰窗口分割模块分割出波峰窗口的数据点；步骤4：特征提取模块输出触觉压力特征；步骤5：机器学习分类算法模块识别地形的软硬属性类别。本发明专利技术取得的有益效果：本发明专利技术面向机器人室外自然环境，能够利用低成本的触觉传感器完成机器人在触觉模态上的地形感知任务，有利于降低机器人步态切换、安全导航等任务的传感器成本，提高地形感知的实时性。提高地形感知的实时性。提高地形感知的实时性。

【技术实现步骤摘要】
一种触觉感知装置及机器人地形感知方法


[0001]本专利技术涉及机器人地形感知的
，具体涉及一种触觉感知装置及机器人地形感知方法。

技术介绍

[0002]旋转腿式机器人在近年来展现出在地形穿越任务上比腿式机器人和轮式机器人更优异的性能，特别是在非结构化的地形上。但是由于旋转腿的节律运动模式，机器人本体通常会发生剧烈的振动产生巨大的噪音，这使得基于振动和音频的地形感知方法不可行，对于旋转腿式机器人，目前还没有设计出可靠、低成本的地形感知方法，因此，如何结合旋转腿式机器人的运动特点进行地形感知成为了一个重要的有待解决的问题。
[0003]现有技术中的地形感知方法有以下几种：
[0004]一、中国专利技术专利《基于移动机器人与地面交互声音的地形识别方法及装置》(公开号：CN112288870A)，该专利技术公开了一种基于移动机器人与地面交互声音的地形识别方法，采集移动机器人与各地形交互的音频数据，预处理后通过构建基于注意力机制的地形分类网络模块来识别地形，排除了光照变化对系统探测的影响。
[0005]二、中国专利技术专利《一种基于多层感知机的振动信息地形分类识别方法》(公开号：CN111027627A)，该专利技术公开了一种基于多层感知机的振动信息地形分类识别方法，采集振动传感器在不同地形环境下的原始振动数据，转换到频率后使用多层感知机作为模型进行训练，最后能够进行在线地形类型分类识别，整体的分类精度维持在84％左右。
[0006]三、中国专利技术专利《一种基于虚拟传感器的足式机器人地形感知方法》(公开号：CN111260057A)，该专利技术公开了一种基于虚拟传感器的足式机器人地形感知方法，将足式机器人的腿关节的角度、腿关节的角速度、电机电流作为虚拟传感器的数据样本，对触地检测神经网络模型和土壤分类机器学习模型进行训练作为足式机器人的地形感知系统，使用线性核函数的SVM模型达到92％的分类准确率。
[0007]上述的现有技术均是基于腿式机器人设计的地形感知方法，在实际应用中，由于旋转腿式机器人依靠周期性的旋转来前进，机器人本体会发生剧烈的振动产生巨大的噪音，不仅使基于振动和和音频的地形感知方法不再适用于旋转腿式；而且上述方法均没有达到95％以上较高的识别精度，在实际应用中仍然会出现一定程度的错误情形；上述方法均还没有考虑方法的实时性、成本的指标，在实际的地形感知中效果欠佳。

技术实现思路

[0008]为了解决上述技术问题，本专利技术的目的之一在于提供一种机器人的触觉感知装置，包括用于生成及采集数据的触觉感知组件、用于对数据进行预处理的时序数据预处理模块、用于分割数据的波峰窗口分割模块、用于提取特征的特征提取模块以及用于识别地形软硬属性类别的机器学习分类算法模块。
[0009]作为优选，所述触觉感知组件包括底部支撑板、内侧支撑架、外侧支撑架、传感器
信号采集模块及多个触觉传感器，所述内侧支撑架与所述外侧支撑架平行间隔设置，所述底部支撑板的两端分别与所述内侧支撑架与所述外侧支撑架的底端连接，多个所述触觉传感器间隔设置在所述底部支撑板的底面，所述传感器信号采集模块设置在所述内侧支撑架或所述外侧支撑架上，且所述传感器信号采集模块与多个所述触觉传感器电连接。
[0010]本专利技术的目的之二在于提供一种基于阵列触觉传感器的机器人地形感知方法，采用上述的触觉感知装置进行感知，其包括步骤1：触觉感知组件采集压力数据并生成时间序列数据；步骤2：时序数据预处理模块对时间序列数据进行预处理；步骤3：波峰窗口分割模块分割出波峰窗口的数据点；步骤4：特征提取模块输出触觉压力特征；步骤5：机器学习分类算法模块识别地形的软硬属性类别，该基于阵列触觉传感器的机器人地形感知方法具有利于降低机器人步态切换、安全导航等任务的传感器成本、提高地形感知的实时性的优点。
[0011]为实现上述专利技术目的，本专利技术采取的技术方案如下：
[0012]一种基于阵列触觉传感器的机器人地形感知方法，包括以下步骤：
[0013]步骤1：通过所述触觉感知组件采集机器人与地面接触时多个不同位置的压力数据，并生成多个通道的时间序列数据；
[0014]步骤2：所述时序数据预处理模块对时间序列数据进行预处理；
[0015]步骤3：所述波峰窗口分割模块对预处理后的时间序列数据分割出多个通道的波峰窗口的数据点；
[0016]步骤4：所述特征提取模块根据波峰窗口的数据点计算出多维与地形的软硬程度类别相关的触觉压力特征；
[0017]步骤5：所述机器学习分类算法模块根据触觉压力特征对不同地形软硬程度属性进行识别。
[0018]作为优选，步骤1包括：
[0019]步骤1.1：所述触觉感知组件生成机器人与地面接触时多个不同位置的压力数据；
[0020]步骤1.2：压力数据包括压力模拟信号，所述触觉感知组件采集压力模拟信号，并将压力模拟信号转化为可量化的压力数字信号；
[0021]步骤1.3：所述触觉感知组件将时间戳与压力数字信号的对应关系生成时间序列数据。
[0022]作为优选，步骤2包括：
[0023]步骤2.1：所述时序数据预处理模块对时间序列数据进行线性插值；
[0024]步骤2.2：所述时序数据预处理模块对首端及尾端的时间序列数据进行近邻插值；
[0025]步骤2.3：所述时序数据预处理模块采用中位数滤波去除时间序列数据中严重偏离稳态值且幅值为负的噪声；
[0026]步骤2.4：所述时序数据预处理模块采用Savitzky
‑
Golay滤波对时间序列数据进行平滑处理，同时保持时间序列数据本身的周期性和趋势性。
[0027]作为优选，步骤3包括：
[0028]步骤3.1：所述波峰窗口分割模块使用SciPy中的波峰检测函数对预处理后的时间序列数据中的波峰进行检测；
[0029]步骤3.2：所述波峰窗口分割模块连续输出波峰的位置索引；
[0030]步骤3.3：所述波峰窗口分割模块遍历多个通道的波峰的位置索引；
[0031]步骤3.4：所述波峰窗口分割模块去除每个通道的第一个以及最后一个波峰的位置索引；
[0032]步骤3.5：所述波峰窗口分割模块检验每个通道中当前位置的位置索引与相邻通道相同位置的位置索引之间的时间差值是否在20％以内；若是，则保留当前位置在每个通道中的位置索引；否则，去除超出范围的位置索引并使用下一时刻的位置索引作为替代值；
[0033]步骤3.6：所述波峰窗口分割模块检验每个通道中的位置索引数量是否相同；若是，则以该位置索引为波峰窗口的中心，以设定长度为波峰窗口的大小，输出分割出的波峰窗口的数据点；否则，则以第一个通道的第一个位置索引为起始点，以多个通道中的最小位置索引数量为长度，将多个通道的位置索引调整为相同尺寸后再输出分割出的波峰窗口的数据点。
[0034]作为优选，波峰检测函数的参数设置为：波峰的最低高度为时间序列数据的中位数、相邻波峰之间的距离为3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机器人的触觉感知装置，其特征在于，包括用于生成及采集数据的触觉感知组件(1)、用于对数据进行预处理的时序数据预处理模块、用于分割数据的波峰窗口分割模块、用于提取特征的特征提取模块以及用于识别地形软硬属性类别的机器学习分类算法模块。2.根据权利要求1所述的触觉感知装置，其特征在于，所述触觉感知组件(1)包括底部支撑板(11)、内侧支撑架(12)、外侧支撑架(13)、传感器信号采集模块(14)及多个触觉传感器(15)，所述内侧支撑架(12)与所述外侧支撑架(13)平行间隔设置，所述底部支撑板(11)的两端分别与所述内侧支撑架(12)与所述外侧支撑架(13)的底端连接，多个所述触觉传感器(15)间隔设置在所述底部支撑板(11)的底面，所述传感器信号采集模块(14)设置在所述内侧支撑架(12)或所述外侧支撑架(13)上，且所述传感器信号采集模块(14)与多个所述触觉传感器(15)电连接。3.一种基于阵列触觉传感器的机器人地形感知方法，其特征在于，采用权利要求1或2所述的触觉感知装置进行感知，机器人地形感知方法包括以下步骤：步骤1：通过所述触觉感知组件(1)采集机器人与地面接触时多个不同位置的压力数据，并生成多个通道的时间序列数据；步骤2：所述时序数据预处理模块对时间序列数据进行预处理；步骤3：所述波峰窗口分割模块对预处理后的时间序列数据分割出多个通道的波峰窗口的数据点；步骤4：所述特征提取模块根据波峰窗口的数据点输出多维与地形的软硬程度类别相关的触觉压力特征；步骤5：所述机器学习分类算法模块根据触觉压力特征对不同地形软硬程度属性进行识别。4.根据权利要求3所述的机器人地形感知方法，其特征在于，步骤1包括：步骤1.1：所述触觉感知组件(1)生成机器人与地面接触时多个不同位置的压力数据；步骤1.2：压力数据包括压力模拟信号，所述触觉感知组件(1)采集压力模拟信号，并将压力模拟信号转化为可量化的压力数字信号；步骤1.3：所述触觉感知组件(1)将时间戳与压力数字信号的对应关系生成时间序列数据。5.根据权利要求3所述的机器人地形感知方法，其特征在于，步骤2包括：步骤2.1：所述时序数据预处理模块对时间序列数据进行线性插值；步骤2.2：所述时序数据预处理模块对首端及尾端的时间序列数据进行近邻插值；步骤2.3：所述时序数据预处理模块采用中位数滤波去除时间序列数据中严重偏离稳态值且幅值为负的噪声；步骤2.4：所述时序数据预处理模...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈浩耀，陈虹锦，朱西，楼云江，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：