一种双闭环控制的触觉传感器及其控制方法技术

本发明专利技术属于传感器技术领域，是一种双闭环控制的触觉传感器，包括双闭环控制系统，传感器测量系统以及触觉传感器系统模型，双闭环控制系统设有传感器触头、稳幅控制系统和频率跟踪系统，传感器测量系统设有按压装置和共振频率采集系统，按压装置通过弹簧形变量控制接触力大小，共振频率采集系统用于采集传感器触头初始频率以及触碰待测组织时的系统共振频率，用于根据频率偏移量计算待测组织的弹性。本发明专利技术能降低传感器系统初始共振频率，避免了对接触物体的侵入破坏，提高系统稳定性，提高测量精度；结构简单，有利于传感器的小型化。有利于传感器的小型化。

【技术实现步骤摘要】
一种双闭环控制的触觉传感器及其控制方法


[0001]本专利技术属于传感器
，具体的说是涉及一种基于双闭环控制的触觉传感器以及控制方法。

技术介绍

[0002]人类感知世界的渠道有触觉、听觉、视觉等。触觉是人类感知外界物体以及信息的重要方式之一，通过触觉感知，人类可以得到接触对象的物理特性和周围环境的多样化信息。现如今大量视觉传感器和听觉传感器的研究已经能够成熟应用，但在触觉传感器方面取得的进展仍然相对较少。然而，在自动化系统如机器人和虚拟现实的发展中，越来越需要将来自各项感官的信息结合起来，以实现基础的抓取操作、远程医疗护理以及微创手术传感等应用。虽然人们对于触觉传感器的开发从未停止，但是现今研制的触觉传感器，面对表面花纹、形状、弹性、摩擦等一系列高级别的物体属性触觉感知时，仍然存在许多亟待解决的技术难题。
[0003]目前，触觉传感器的弹性测量原理主要可分为：基于组织受压变形的静态压痕法和基于系统共振频率偏移的动态测量。静态测量通过检测接触力来获得物体弹性信息，具有直观物理意义，但是测量过程中对待测组织施加的接触力过大，易导致待测组织产生不可逆的形变甚至损伤。因此，基于动态测量原理的触觉传感器愈发受到关注。Sadao Omata等人设计的一种用于硬度检测的触觉传感器，使用了压电陶瓷双晶片，包含一片驱动元件，一块检测元件，通过开环驱动对其施加高频交变电压信号激励驱动元件，而检测元件用来实时拾取系统谐振频率信号，当传感器接触待测组织时，通过反馈回来的接触待测组织前后传感器共振频率偏移量，来反映被测组织的弹性；Yoshinobu Murayama等人利用相似原理，利用相同的传感器结构，采用数字化控制，增加弹性测量单元的数量，形成阵列式传感器结构使得触觉传感器能够得到较大范围内组织弹性信息，将其应用到医疗传感领域，当对可能含有病变肿瘤的人体组织进行测量时，可以得到测量区域范围内的弹性分布，从而得到肿瘤块的位置以及大小等信息；Shigenobu Muraoka等人在传感器中加入机器人悬臂以及质量块，大大降低了传感器系统的共振频率但不利于小型化。
[0004]纵观上述触觉传感器，存在如下亟待解决的问题：1.开环驱动方式不稳定，系统波动较大，测量精度低；2.简化传感器的结构，以实现小型化；3.降低初始系统共振频率，以减少质量效应的影响。

技术实现思路

[0005]本专利技术上的目的在于克服现有技术的缺点，提出一种双闭环控制的触觉传感器及其控制方法，该触觉传感器采用了双闭环控制系统，提高系统稳定性，提高测量精度；其次采用双层压电陶瓷加上硅胶触头的结构，能够有效降低系统共振频率，同时避免了对待测组织的侵入式破坏；最后触觉传感器系统采用自激振荡电路，结构简单，有利于传感器的小型化。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0007]本专利技术一种双闭环控制的触觉传感器，包括：
[0008]双闭环控制系统，双闭环控制系统包含传感器触头、稳幅控制系统和频率跟踪系统，所述稳幅控制系统基于电路电压幅值变化量及时调整增益系数，保持驱动电压幅值稳定，满足自激振荡幅值条件。所述频率跟踪系统通过跟踪自激振荡电路频率，使电路时刻保持在系统谐振频率处振荡；
[0009]传感器测量系统，传感器测量系统包含按压装置和共振频率采集系统，所述按压装置通过弹簧形变量控制接触力大小，保证与待测组织的充分接触以及多次测量时接触力不发生改变，共振频率采集系统用于采集系统初始频率以及传感器触头触碰待测组织时的系统共振频率；
[0010]触觉传感器系统模型，触觉传感器系统模型根据触觉传感器的控制模型以及所述传感器触头触碰待测组织时的等效声阻抗推导，用于根据频率偏移量计算待测组织的弹性，共振频率采集系统采集的频率可以得到共振频率偏移量，用来推导得出待测组织弹性。
[0011]进一步地，传感器触头由外至内依次设有弹性外壳和半球状触头。
[0012]进一步地，弹性外壳为塑料外壳，所述半球状触头为硅胶触头。
[0013]进一步地，稳幅控制系统包括放大器、自动增益控制器和PI控制器。所述放大器放大敏感元件的反馈信号，所述PI控制器连接所述自动增益控制器的输出端进行精细控制，所述自动增益控制器根据通过所述放大器的电压信号与所述参考电压信号之间幅值的差值来控制增益，保持驱动电压幅值稳定，使其满足自激振荡幅值条件。
[0014]进一步地，自动增益控制器包括检幅电路、参考电压和可变增益放大器。所述检幅电路检测通过所述放大器的电压幅值信号，与所述参考电压比较得到误差信号，误差信号变大，所述可变增益放大器增益减小，误差信号变小，所述可变增益放大器增益变大，达到自动增益控制的目的。
[0015]进一步地，频率跟踪系统包括锁相环芯片、低通滤波器和移相器，所述锁相环芯片跟踪所述放大器输出信号，随所述放大器输出信号频率变化而变化，所述低通滤波器对经所述锁相环调整频率过后的信号进行选频，滤除噪声信号，所述移相器对经所述低通滤波器输出的信号进行相位调整，使其满足系统自激振荡条件。
[0016]进一步地，传感器测量系统包括共振频率采集系统和按压装置，所述共振频率采集系统连接所述敏感元件，用于采集所述传感器触头触碰待测组织时的系统共振频率。
[0017]进一步地，按压装置包括按压柱和弹簧，所述按压装置通过控制所述弹簧形变量控制接触力大小，保证与待测组织的充分接触以及多次测量时接触力不发生改变。
[0018]进一步地，敏感元件包括振荡压电陶瓷和检测压电陶瓷，检测压电陶瓷连接所述放大器的输入端，振荡压电陶瓷连接所述PI控制器的输出端。
[0019]一种双闭环控制的触觉传感器系统的控制方法，包括如下步骤：
[0020]步骤1：分析触觉传感器结构，运用有限元分析建立传感器触头机电耦合模型，设置不同的边界条件，进行仿真运算，分析并记录在不同接触力下的物理变量以及与物体弹性相关的频率偏移量，得到初始数据，建立不同接触力下的传感器弹性
‑
共振频率算法模型，对多组已知弹性的实物样本在不同接触力条件下，进行弹性测量实验，改变接触力，记录不同接触力条件下的物理变量以及弹性与系统共振频率对应关系，对传感器弹性
‑
共振
频率算法模型进行优化；
[0021]步骤2：测量时将触觉传感器接触待测组织表面，通过移动所述传感器触头位置调整接触点，确保传感器触头与待测组织法向接触，共振频率采集模块采集此时共振频率，通过共振频率采集模块内置的电路检测接触前后触觉传感器频率是否发生改变确保传感器触头与待测组织充分接触，确定充分接触后沿法向继续按压所述按压装置，通过所述按压装置内的弹簧压缩量来控制接触力大小，确保传感器触头与待测组织充分接触且接触力满足测量要求；
[0022]步骤3：接触待测组织前，共振频率采集模块采集此时系统初始共振频率，测量时充分接触，保持接触状态与接触力不变，共振频率采集模块采集此时系统共振频率，将接触力、初始共振频率和接触物体后的系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双闭环控制的触觉传感器，其特征在于：所述触觉传感器包括双闭环控制系统，传感器测量系统以及触觉传感器系统模型，所述双闭环控制系统包括传感器触头(2)、稳幅控制系统和频率跟踪系统，所述稳幅控制系统基于由触觉传感器组成的自激振荡电路的电路电压幅值变化及时调整所述稳幅控制系统中的自动增益控制器的增益系数，保持由触觉传感器组成的自激振荡电路中的驱动电压幅值稳定，满足自激振荡幅值条件，所述频率跟踪系统通过跟踪触觉传感器的自激振荡电路的频率，使自激振荡电路时刻保持在触觉传感器谐振频率处振荡；传感器测量系统，所述传感器测量系统包括按压装置(3)和共振频率采集系统(10)，所述按压装置(3)通过弹簧形变量控制接触力大小，保证与待测组织的充分接触以及多次测量时接触力不发生改变，所述共振频率采集系统(10)采集触觉传感器的初始频率以及传感器触头(2)触碰待测组织时的触觉传感器的共振频率；触觉传感器的系统模型，所述触觉传感器的系统模型根据触觉传感器的控制模型以及所述传感器触头(2)触碰待测组织时的等效声阻抗推导，用于根据跟踪自激振荡电路频率的频率偏移量计算待测组织的弹性。2.根据权利要求1所述的一种双闭环控制的触觉传感器，其特征在于：所述传感器触头(2)由外至内依次设有弹性塑料外壳(21)和半球状硅胶触头(22)。3.根据权利要求1所述的一种双闭环控制的触觉传感器，其特征在于：所述稳幅控制系统包括放大器(4)、自动增益控制器和PI控制器(6)，所述放大器(4)放大敏感元件(1)的反馈信号，所述PI控制器(6)连接所述自动增益控制器的输出端进行控制，所述自动增益控制器根据通过所述放大器(4)的电压信号与自动增益控制器的参考电压(52)信号之间幅值的差值来控制增益，使由触觉传感器组成的自激振荡电路满足自激振荡幅值条件。4.根据权利要求3所述的一种双闭环控制的触觉传感器，其特征在于：所述自动增益控制器包括检幅电路(51)、参考电压(52)和可变增益放大器(53)，所述检幅电路(51)检测通过所述放大器(4)的电压幅值信号，与所述参考电压(52)比较得到误差信号，所述参考电压(52)由电压源分压提供，误差信号变大，所述可变增益放大器(53)增益减小，误差信号变小，所述可变增益放大器(53)增益变大。5.根据权利要求4所述的一种双闭环控制的触觉传感器，其特征在于：所述频率跟踪系统包括锁相环(7)、低通滤波器(8)和移相器(9)，所述锁相环(7)跟踪所述放大器(4)的输出信号，随所述放大器(4)输出信号频率变化而变化，所述低通滤波器(8)对经所述锁相环(7)调整频率过后的信号进行选频，滤除噪声信号，所述移相器(9)对经所述低通滤波器(8)输出的信号进行相位调整，使由触觉传感器组成的自激振荡电路满足系统自激振荡相位条件。6.根据权利要求3所述的一种双闭环控制的触觉传感器，其特征在于：所述共振频率采集系统(10)连接所述敏感元件(1)，用于采集所述传感器触头(2)触碰待测组织时的系统共振频率。7.根据权利要求6所述的一种双闭环控制的触觉传感器，其特征在于：所述敏感元件(1)包括检测压电陶瓷(11)和振荡压电陶瓷(12)，所述检测压电陶瓷(11)连接所述放大器(4)的输入端，所述振荡压电陶瓷(12)连接所述PI控制器(6)的输出端。8.根据权利要求1所述的一种双闭环控制的触觉传感器，其特征在于：所述按压装置
(3)包括按压柱(31)和弹簧(32)，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔梅梅，王浩东，徐荣青，申景金，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：