一种基于压力-温度传感阵列实现物体识别的设备及方法技术

本发明专利技术公开了一种基于压力

【技术实现步骤摘要】
一种基于压力
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温度传感阵列实现物体识别的设备及方法


[0001]本申请属于人机交互领域的一种物体识别设备和方法，具体涉及一种基于 压力
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温度传感阵列的触觉手套及物体识别系统及其方法。

技术介绍

[0002]触觉是人类获取外界信息所采用的一种重要程度仅次于视觉的感知形式， 是与环境直接接触作用的必要媒介。和视觉作用不同，触觉本身具有很强的感 知能力，可以直接感知对象和环境的不同特性，对环境的适应能力更强。随着 智能机器人技术的发展，为了使机器人更加智能，察觉周围环境，获取更多的 外界环境信息，智能机器人对触觉的敏感程度显得尤为重要，触觉感知在机器 人的物体识别应用场景中扮演着不可缺失的重要角色。
[0003]随着智能复合材料、柔性电子技术、人工智能技术的发展，传感器的制备 精度、柔顺性以及检测性能得到了极大的提高，但仍存在成本高、稳定性差以 及不易与机械手集成等诸多局限性，且商业化水平较低，限制了机器人智能化 水平的提高。因此，研究柔性触觉传感器阵列的制备、信号采集及算法应用具 有重要的科学意义和商业应用价值，对推动机器人手、机械假肢、人机交互等 领域的智能化发展具有重要研究意义。
[0004]虽然近些年来，已经有很多科研人员在触觉传感器的材料以及基于触觉信 号的识别算法上取得了很大进展，但仍有一些问题没有得到妥善解决，主要有 以下几点：第一，触觉手套的制备。现有的触觉手套研究成果大多停留在实验 室阶段，商业化发展明显滞后，集成化程度不高，大量引线外露，影响其稳定 性；触觉传感单元分布较为稀疏，未能覆盖全手掌；感知信息单一，导致采集 的触觉信息不全面。第二，采集系统的设计。传感器阵列电阻网络中存在着严 重的交叉耦合现象，而现有的解决方法外围元器件数量庞大，功耗较高，不适 用于可穿戴领域；信号传输方式多为有线传输，影响实际使用效果。第三，触 觉识别算法。传统的触觉识别算法大多是人工设计特征或者PCA降维处理特征， 十分依赖经验，不具通用性，识别准确率大打折扣。

技术实现思路

[0005]为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提供一种基于压力
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温度传感阵列 实现物体识别的方法及设备。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是：
[0007]一、一种基于压力
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温度传感阵列实现物体识别的设备：
[0008]设备包括一触觉手套、一蓝牙从机和一蓝牙主机，触觉手套和蓝牙从机有 线连接，蓝牙从机和蓝牙主机无线连接；所述触觉手套包括从上到下依次层叠 的上电极层、温敏传感层、双面胶贴层、压力传感层和下电极层；所述压力传 感层包括多个间隔分布布置的压力传感单元，所述温敏传感层包括多个间隔分 布布置的温敏传感单元。
[0009]所述压力传感层是由柔性压阻复合材料通过丝网印刷的方式按照多行多列 传感
阵列制备而成；所述柔性压阻复合材料通过分散处理工艺，具体采用机械 搅拌和超声分散相结合的物理分散方式以及硅烷偶联剂、纳米二氧化硅、表面 活性剂对导电粒子进行表面改性的化学分散方式制备获得。
[0010]所述柔性压阻复合材料的制备方法如下：首先加入硅烷偶联剂、表面活性 剂、纳米二氧化硅混合对导电粒子进行表面改性，混合有凝固团结形成较大聚 集体，通过机械搅拌将混合后获得的复合体系内微米级到百纳米级的较大聚集 体均匀分散成小聚集体后，再借助超声分散进一步处理获得导电粒子分散液， 最后将硅橡胶基体加入到导电粒子分散液内，再进行3h以上长时间的机械搅拌， 保证导电粒子均匀分散到硅橡胶基体中。
[0011]所述的蓝牙从机内置有蓝牙从机触觉阵列采集板，蓝牙从机触觉阵列采集 板主要包括蓝牙MCU模块的从机模块、通道选择模块、模拟开关模块、A/D转 换模块和电源管理模块；触觉手套中的温敏传感层和压力传感层和通道选择模 块、模拟开关模块连接，通道选择模块经A/D转换模块和蓝牙MCU模块的从 机模块连接，模拟开关模块直接和蓝牙MCU模块的从机模块连接；
[0012]所述的蓝牙主机内置有蓝牙MCU模块的主机模块、串口模块，蓝牙MCU 模块的主机模块经串口模块后和PC计算机连接；蓝牙MCU模块的从机模块和 蓝牙MCU模块的主机模块通过蓝牙通讯连接。
[0013]二、实现物体识别方法，如图7所示，方法包括：
[0014]1)利用触觉手套采集压力数据和温度数据，构建物体识别数据集；
[0015]2)对物体识别数据集进行标准化、上采样等预处理操作；
[0016]3)建立改进的LeNet算法模型；
[0017]4)将预处理完成的物体识别数据集送入改进的算法模型进行训练和测试；
[0018]5)将测试完成的模型部署于电脑后台，利用蓝牙将实时检测的温度数据以及 压力数据传送至电脑后台，电脑后台将数据送入测试完成的模型输出获得识别 结果显示于物体识别软件界面。
[0019]所述步骤1)的具体过程为：针对选取的不同材质或不同形状的物体，戴上 触觉手套且等待温度传感器与人手达到热平衡后，在蒙上眼罩的情况下利用均 匀分布有多个压力传感单元和多个温度传感单元的触觉手套进行抓持、抬起、 放下物体的一系列动作，针对每一个物体重复一系列动作过程30次，每次采集 时间约为5s，采样频率为5Hz，每次可采集到大约25组数据，且每次采集采用 不同的姿势在物体的不同位置抓取。
[0020]所述步骤1)中，设置采用交叉测量电路连接到压力传感层的各个压力传感 单元上，通过交叉测量电路采用多次测量解析方式测量压力传感层中各个压力 传感单元的电压；所述的交叉测量电路包括n个单选择开关、m个单刀双掷开 关、一个参考电阻Rref和万用表；压力传感层中同一行的各个压力传感单元的 一端连接一起后经各自对应的一个单选择开关连接到参考电阻Rref的一端，参 考电阻Rref另一端接地，参考电阻Rref上并联万用表；压力传感层中同一列的 各个压力传感单元的另一端经各自对应的一个单刀双掷开关连接到参考电压 Vref或者接地。
[0021]所述步骤1)中，在交叉测量电路基础上，采用多次测量解析方式测量压力 传感层中各个压力传感单元的电压，具体是：
[0022]S1、控制当前所需测量的压力传感单元自身所在行的单选择开关导通，其 余行的
单选择开关断开，且控制当前所需测量的压力传感单元自身所在列的单 刀双掷开关连接到参考电压Vref，其余列通过单刀双掷开关接地，然后通过万 用表测量参考电阻Rref两端的电压作为当前所需测量的压力传感单元的测量电 压；
[0023]S2、重复上述步骤S1对当前所需测量的压力传感单元自身所在行的所有不 同压力传感单元进行扫描测量；
[0024]S3、建立步骤S2获得的各个压力传感单元的测量电压之间的关系而采用以 下公式求解获得各个压力传感单元的阻值；
[0025]对于n行m列压力传感单元构成的压力传感层的传感阵列电阻网络，计算 得出任一压力传感单元的阻值R
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于压力
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温度传感阵列实现物体识别的设备，其特征在于，包括一触觉手套(1)、一蓝牙从机(2)和一蓝牙主机(3)，触觉手套(1)和蓝牙从机(2)有线连接，蓝牙从机(2)和蓝牙主机(3)无线连接；所述触觉手套(1)包括从上到下依次层叠的上电极层(101)、温敏传感层(102)、双面胶贴层(103)、压力传感层(104)和下电极层(105)；所述压力传感层(104)包括多个间隔分布布置的压力传感单元，所述温敏传感层(102)包括多个间隔分布布置的温敏传感单元。2.根据权利要求1所述的一种基于压力
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温度传感阵列实现物体识别的设备，其特征在于：所述压力传感层(104)是由柔性压阻复合材料通过丝网印刷的方式按照多行多列传感阵列制备而成；所述柔性压阻复合材料通过分散处理工艺，具体采用机械搅拌和超声分散相结合的物理分散方式以及硅烷偶联剂、纳米二氧化硅、表面活性剂对导电粒子进行表面改性的化学分散方式制备获得。3.根据权利要求2所述的一种基于压力
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温度传感阵列实现物体识别的设备，其特征在于：所述柔性压阻复合材料的制备方法如下：首先加入硅烷偶联剂、表面活性剂、纳米二氧化硅混合对导电粒子进行表面改性，混合有凝固团结形成较大聚集体，通过机械搅拌将混合后获得的复合体系内微米级到百纳米级的较大聚集体均匀分散成小聚集体后，再借助超声分散进一步处理获得导电粒子分散液，最后将硅橡胶基体加入到导电粒子分散液内，再进行3h以上长时间的机械搅拌，保证导电粒子均匀分散到硅橡胶基体中。4.根据权利要求1所述的一种基于压力
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温度传感阵列实现物体识别的设备，其特征在于：所述的蓝牙从机(2)内置有蓝牙从机触觉阵列采集板，蓝牙从机触觉阵列采集板主要包括蓝牙MCU模块的从机模块、通道选择模块、模拟开关模块、A/D转换模块和电源管理模块；触觉手套(1)中的温敏传感层(102)和压力传感层(104)和通道选择模块、模拟开关模块连接，通道选择模块经A/D转换模块和蓝牙MCU模块的从机模块连接，模拟开关模块直接和蓝牙MCU模块的从机模块连接；所述的蓝牙主机(3)内置有蓝牙MCU模块的主机模块、串口模块，蓝牙MCU模块的主机模块经串口模块后和PC计算机连接；蓝牙MCU模块的从机模块和蓝牙MCU模块的主机模块通过蓝牙通讯连接。5.应用于权利要求1
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4任一所述设备的实现物体识别方法，其特征在于，方法包括：1)利用触觉手套(1)采集压力数据和温度数据，构建物体识别数据集；2)对物体识别数据集进行标准化、上采样等预处理操作；3)建立改进的LeNet算法模型；4)将预处理完成的物体识别数据集送入改进的算法模型进行训练和测试；5)将测试完成的模型部署于电脑后台，利用蓝牙将实时检测的温度数据以及压力数据传送至电脑后台，电脑后台将数据送入测试完成的模型输出获得识别结果显示于物体识别软件界面。6.根据权利要求5所述的实现物体识别方法，其特征在于：所述步骤1)的具体过程为：针对选取的不同材质或不同形状的物体，戴上触觉手套(1)
且等待温度传感器与人手达到热平衡后，在蒙上眼罩的情况下利用触觉手套进行抓持、抬起、放下物体的一系列动作，针对每一个物体重复一系列动作过程30次，每次采集时间约为5s，采样频率为5Hz，且每次采集采用不同的姿势在物体...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴化平，魏昶，朱鹏程，苏彬彬，陈海宁，梁利华，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：