基于压痕的视触觉传感器力学参数原位标定方法技术

本发明专利技术提供一种基于压痕的视触觉传感器力学参数原位标定方法，包括步骤：S1：建立视触觉传感器和平端圆柱压头之间的接触模型以及相应的理论公式；S2：搭建一标定平台；标定平台包括一机械臂、一标定量块和一合力力矩传感器；S3：使用标定平台和视触觉传感器收集测试数据；S4：根据测试数据拟合出柔性传感单元的压痕力与压痕变形的关系；S5：根据预先建立的接触模型和理论公式，从力与变形关系中解耦出视触觉传感器的柔性传感单元的力学参数。本发明专利技术的一种基于压痕的视触觉传感器力学参数原位标定方法，可以有效地解决视触觉传感器在使用过程中传感单元的力学参数随时间变化导致其接触力感知和传感不准确的问题。其接触力感知和传感不准确的问题。其接触力感知和传感不准确的问题。

【技术实现步骤摘要】
基于压痕的视触觉传感器力学参数原位标定方法


[0001]本专利技术涉及传感器的标定
，尤其涉及一种基于压痕的视触觉传感器力学参数原位标定方法。

技术介绍

[0002]触觉传感器是一种测量其自身与环境之间物理交互信息的设备。在通过触摸与环境交互的同时，触觉传感器对数据的采集、处理和传输构成了触觉传感，可以为机器人提供机器人手指与环境中物体之间的有效接触信息。近年来，新型的视触觉传感器因其高空间分辨率和多模态传感能力而受到广泛的关注，其通常由表层的柔性传感单元和嵌入式摄像头组成。
[0003]杨氏模量和泊松比是描述柔弹性体力学性能的两个关键参数。其中杨氏模量反映了弹性体的刚度，描述的是弹性体在线弹性范围内的轴向应力与轴向应变之间的关系；泊松比是泊松效应的度量，描述的是弹性体在垂直于外力施加方向的平面内的变形程度。视触觉传感器可靠的力学信息输出极大地依赖于对柔性传感单元力学参数的精确估计。然而，在视触觉传感器使用过程中，传感单元易受到磨损并产生老化，导致其力学参数会随时间发生改变，需要定期标定。
[0004]现有的对于柔性材料力学参数的标定方法大多测试程序繁琐，测试试样制备复杂，且依赖于笨重的大型位移反馈系统，可移动性差，不适用于已装配至传感器上且难以拆卸的柔性传感单元。因此，亟需提出一种可以原位标定视触觉传感器传感单元力学参数的方法，这对于视触觉传感器在实际应用中的部署至关重要。
[0005]目前，常见的测定柔性材料力学参数的方法主要可以分为动态测定方法和静态测定方法。动态法主要依据声共振原理完成测量，由于弹性体的机械共振频率取决于材料的密度、几何形状、弹性模量等，故可以对形状和密度已知的试样测定其在不同震动模式下的固有振动频率，进而计算得到其弹性模量和泊松比。静态测定法如拉伸试验、压缩试验、剪切试验等，主要是通过测定试样在线弹性范围的应力
‑
应变关系以及轴向应变
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横向应变关系，进而获取弹性模量和泊松比。然而，这些方法的实验设置繁琐，测试过程冗长、耗时。以力学参数标定中广泛采用的基准——拉伸试验为例，该方法不仅需要将被测试的弹性体切割成独特的狗骨形并涂上特殊涂料，使用DIC技术(Digital Image Correlation)测量平面应变场，还需要将试样安装到相应的台式拉伸试验机上，测试过程十分复杂。此外，当柔性传感单元被安装至视触觉传感器上之后，难以在不破坏传感器结构的情况下直接使用这些传统方法对其进行力学参数标定，无法实现对视触觉传感器力学参数的定期标定。
[0006]随着对于力学参数标定这一过程便利性需求的增加，基于接触力学理论的压痕试验近年来被提出。早期压痕试验的理论建模假设被测弹性体是半无限大的，因为混合边值问题的数学求解困难。1972年，Hayes等人使用平端圆柱压头对关节软骨的压痕试验进行分析，得到了侧向无限尺寸薄弹性层的杨氏模量的严密数学解，但该解析解仅在压头接触界面无摩擦、变形无限小的条件下成立，在实际应用中难以满足。继Hayes的研究之后，Zhang
等人通过仿真模拟进一步评估了大变形和摩擦效应对于压痕试验的影响，但结果仍局限于测试弹性体的弹性模量。后来，Jin等人使用两种不同尺寸的压头首次实现了对杨氏模量和泊松比的同时标定。然而，上述压痕测试的共同缺点是需要依靠笨重的位移反馈系统、力传感器和固定试样的组合获得精确的力
‑
位移曲线，尤其是体积庞大的位移反馈系统使测试过程复杂，阻碍了测试的可移动性。
[0007]中国专利申请CN114894379A公开了一种机械手指尖式触觉传感器的标定装置及其标定方法，该方法结合触觉传感器的曲面特性，设计了针对曲面标定的基于BP神经网络的标定算法，并提供了一种依据该方法的标定装置。
[0008]该标定方法实现了对触觉传感器的力学参数原位标定，但是适用范围有限，主要针对内含电子元件的机械手指尖式触觉传感器，且该方法需要采集大量数据来多次训练BP神经网络，测试过程繁琐又耗时。同时，该标定装置设置复杂，安装传感器至该装置的过程中，触觉传感器面临损坏的风险。
[0009]中国专利申请CN104019939A公开了一种触觉传感器的多维力加载及标定装置。该专利技术的触觉传感器的多维力加载及标定装置，以加载力为控制量，加载力能平滑连续调节，满足了传感器静态和动态标定要求，能在工作平台上半圆形区域内，实现任意方向和角度的力加载和标定作业。
[0010]然而，该标定装置仍然为体积庞大的台式机器，阻碍了测试的可移动性，难以满足视触觉传感器按需和原位标定的快节奏应用场景。此外，该装置虽然实现了多方向多角度施加力的功能，但此功能对于视触觉传感器的力学参数标定可能是冗余的，增加了测试过程的不稳定性。

技术实现思路

[0011]针对上述现有技术中的不足，本专利技术提供一种基于压痕的视触觉传感器力学参数原位标定方法，可以有效地解决视触觉传感器在使用过程中传感单元的力学参数随时间变化导致其接触力感知和传感不准确的问题；具有测试过程简单、标定结果准确、适用范围广泛的特点，可以定期甚至在每次使用之前对视触觉传感器的力学参数进行标定，为视触觉传感器后续与力学相关工作的展开以及机器人智能感知与操作奠定良好的基础。
[0012]为了实现上述目的，本专利技术提供一种基于压痕的视触觉传感器力学参数原位标定方法，包括步骤：
[0013]S1：建立视触觉传感器和平端圆柱压头之间的接触模型以及相应的理论公式；
[0014]S2：搭建一标定平台；所述标定平台包括一机械臂、一标定量块和一合力力矩传感器；
[0015]S3：使用所述标定平台和所述视触觉传感器收集测试数据；
[0016]S4：根据所述测试数据拟合出柔性传感单元的压痕力与压痕变形的关系；
[0017]S5：根据预先建立的所述接触模型和所述理论公式，从力与变形关系中解耦出所述视触觉传感器的柔性传感单元的力学参数。
[0018]优选地，所述S1步骤进一步包括步骤：
[0019]S11：分析所述视触觉传感器的结构；
[0020]S12：建立所述视触觉传感器和所述平端圆柱压头的接触模型以及理论公式，所述
理论公式包括：
[0021][0022]其中E是弹性模量，v是泊松比，P是压痕力，w是压痕深度，a是平端圆柱压头半径，h是所述柔性传感单元的厚度，κ
n
是取决于纵横比a/h、泊松比v和形变比w/h的比例因子；
[0023]κ
n
(v,a/h,w/h)＝κ(v,a/h)
·
(1+βw/h)
ꢀꢀ
(2)；
[0024]其中β代表κ
n
(v,a/h,w/h)对w/h线性依赖程度的可变因子，并取决于所述纵横比和所述泊松比，即β＝β(v,a/h)；通过对应于不同a/h和v的κ
n
(v,a/h,w/h)值得到β，并形成β表；
[0025][0026][0027][本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于压痕的视触觉传感器力学参数原位标定方法，包括步骤：S1：建立视触觉传感器和平端圆柱压头之间的接触模型以及相应的理论公式；S2：搭建一标定平台；所述标定平台包括一机械臂、一标定量块和一合力力矩传感器；S3：使用所述标定平台和所述视触觉传感器收集测试数据；S4：根据所述测试数据拟合出柔性传感单元的压痕力与压痕变形的关系；S5：根据预先建立的所述接触模型和所述理论公式，从力与变形关系中解耦出所述视触觉传感器的柔性传感单元的力学参数。2.根据权利要求1所述的基于压痕的视触觉传感器力学参数原位标定方法，其特征在于，所述S1步骤进一步包括步骤：S11：分析所述视触觉传感器的结构；S12：建立所述视触觉传感器和所述平端圆柱压头的接触模型以及理论公式，所述理论公式包括：其中E是弹性模量，v是泊松比，P是压痕力，w是压痕深度，a是平端圆柱压头半径，h是所述柔性传感单元的厚度，κ
n
是取决于纵横比a/h、泊松比v和形变比w/h的比例因子；κ
n
(v,a/h,w/h)＝κ(v,a/h)
·
(1+βw/h)
ꢀꢀꢀ
(2)；其中β代表κ
n
(v,a/h,w/h)对w/h线性依赖程度的可变因子，并取决于所述纵横比和所述泊松比，即β＝β(v,a/h)；通过对应于不同a/h和v的κ
n
(v,a/h,w/h)值得到β，并形成β表；(v,a/h,w/h)值得到β，并形成β表；(v,a/h,w/h)值得到β，并形成β表；其中c是P/w与w/h之间线性关系的y轴截距，cβ是斜率。3.根据权利要求2所述的基于压痕的视触觉传感器力学参数原位标定方法，其特征在于，所述标定量块包括一底板、五台柱和五平端圆柱压头；所述台柱分别设置于所述底板的四角和中部；所述五平端圆柱压头设置于所述台柱的顶面中部；所述平端圆柱压头的直径为2a；所述平端圆柱压头的高度分别为：w
10
,w
20
,w
30
,w
40
和w
50
；每一所述台柱的同方向的一角设置有一斜切口。4.根据权利要求3所述的基于压痕的视触觉传感器力学参数原位标定方法，其特征在于，所述S3步骤进一步包括步骤：S31：用螺钉将所述视触觉传感器固定在所述机械臂的末端执行器上；S32：将所述标定量块紧密粘接在所述合力力矩传感器上；S33：当所述视触觉传感器上表面与所述平端圆柱压头之间的距离确定之后，利用PC端的代码控制所述机械臂的运动；S34：观察所述视触觉传感器传输至所述PC端的影像信号和合力力矩传感器检测到的合力值F
x
,F
y
,F
z
和合力矩值M
x
,M
y
,M
z
，所述影像信号包含校正后的触觉影像和重建的深度图像；
S35：当t时刻所述触觉影像中恰好出现所述斜切口且沿水平方向的合力值F
x
,F
y
...

【专利技术属性】
技术研发人员：马道林，赵灿，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：