一种电子皮肤传感阵列数据采集与感知系统的设计方法技术方案

一种电子皮肤传感阵列数据采集与感知系统的设计方法，属于电子皮肤传感阵列数据采集领域

【技术实现步骤摘要】
一种电子皮肤传感阵列数据采集与感知系统的设计方法


[0001]本专利技术涉及电子皮肤传感阵列数据采集与感知系统的设计领域，特别涉及一种电子皮肤传感阵列数据采集与感知系统的设计方法
。

技术介绍

[0002]对于机器人系统而言，触觉是实现外界探索的一种基本感官模式，其主要应用于对目标物体的抓取和操控等作业
。
机器人从外界环境中感知信息的主要方式是利用触觉传感器与目标对象的直接接触来对物体特性进行感知，并将获取到的接触信息传送给计算机
。
利用计算机构建算法模型对这些接触信息进行表征和识别处理，从而使得机器人具有对未知物体进行鉴别的能力
。
[0003]随着应用于电子皮肤的传感器阵列的规模越来越大
、
密度越来越高
、
传感器网络种类越来越丰富
。
在大面积电子皮肤下，行列复用式的传感器阵列能够有效地减少引线的数量，是目前实现大规模布局的常用传感器阵列结构
。
但是行列复用式阵列传感器在采集时会存在信号串扰，以及在采集规模越来越大的情况下，采集速度会降低的问题
。
这些问题一直制约着传感器阵列应用的扩展，因此，需要解决阵列式传感器的串扰问题
、
信号处理问题以及采集速度
、
精度与规模之间的矛盾问题，才能搭建适用于各类传感器的数据测试系统，这对实现大规模传感器在电子皮肤中的广泛应用是至关重要的
。
目前各个领域针对压电式柔性阵列传感器的设计阵列规模越来越大已成为重要的趋势
。
目前针对阵列化传感器的研究主要在机器人电子皮肤实现触觉信号等的获取领域居多
。
而对传感器阵列的采集大多仍采用单通道的采集方式，只能实现小规模的采集，导致数据采集的规模很难提高
。
[0004]在自动化装配线中，机器人操作需要物体信息
(
例如形状和方向
)。
基于接收到的信息，机器人可以以自动化的方式使用物体或零件组装产品
。
以前，基于视觉的传感技术
(
例如
CCD
相机
)
经常被用于识别自动化生产线中物体的形状和方向信息
。
尽管这种方法可以提供物体的良好的时间和空间分辨率，但其识别精度很容易受到环境因素
(
如照明条件
)
的影响
。
当机器人在黑暗环境中操作时，视觉感知质量变差
。
相反，当环境变亮时，尤其是当要组装的物体由金属制成时，视觉传感方法可能会受到光反射的影响
。
相比之下，触觉感应对这些条件不太敏感
。
因此，基于触觉图像的对象识别越来越受到研究人员和工程师的关注
。
当采用触觉传感方法时，将由多个传感元件组成的二维触觉传感阵列附接到机器人的手中，当机器人触摸物体时，触觉阵列中的每个感测元件测量施加在物体的特定小区域上的接触力或压力
。
然后，感测元件的压力值被变换为
[0
‑
255]范围内的整数，从而形成其中灰度值是变换后的压力值的图像
。
基于触觉图像，系统可以识别物体的形状
、
边缘方向和轮廓，识别结果可以指导自动装配任务的机器人作业
。
[0005]大规模电容传感器具有分辨率高的优势，非常适合用于自动装配领域实现更精准的元件识别
。
但是大规模的传感阵列在进行数据采集的过程中，会存在信号干扰
、
采集速度慢等问题
。
针对上述问题，本专利技术设计电子皮肤传感阵列高速采集与感知系统，该系统解决了大规模电容阵列采集速度慢的问题，同时实现了对于装配元件的识别分类，对于大规模
传感阵列在机器人装配领域的应用具有一定应用价值
。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了解决现有的大规模的传感阵列在进行数据采集的过程中，存在信号干扰
、
采集速度慢的问题，而提出一种电子皮肤传感阵列数据采集与感知系统的设计方法
。
[0007]上述目的通过以下的技术方案实现：
[0008]一种电子皮肤传感阵列数据采集与感知系统的设计方法，所述方法通过以下步骤实现：
[0009]步骤一
、
设计整体系统，包括下位机
、
上位机和电容阵列传感器，上位机与下位机之间通过
USB
接口实现数据通信；
[0010]下位机包括选通电路
、
供电电路
、USB
数据转换
、CDC
转换
、
数据采集处理；
[0011]上位机使用
windows
系统计算机作为上位机硬件平台，实现数据处理
、
数据可视化
、
形状识别；
[0012]柔性电容阵列传感器是基于
FPGA
作为从机的控制部分，进行数据采集；并使用
Verilog HDL
语言设计
FPGA
程序，以进行双通道并行方式采集电容阵列容值数据；
[0013]步骤二
、
进行电容矩阵测量；
[0014]被测电容和一个参考电容连接到同一个放电电阻，组成一个低通滤波，被测电容首先被充电到电源电压，然后通过电阻进行放电，放电到可控制阚值电压的水平，芯片内部的时间数字转换器
TDC
记录电压水平；测量过程在传感器和参考电容上重复交错进行，应用同样的电阻；计算的结果是测量的比值结果，是与电阻和比较器温度相关性有关；
[0015]步骤三
、
通过
QT
软件开发上位机人机交互界面，以通过监测窗口实时监测电容值，同时设计数据保存功能
、
设计可视化界面观察按压区域
、
设计显示图形识别处理结果；
[0016]步骤四
、
设计工件识别算法：
[0017]将柔性电容阵列传感器数据传输至上位机，上位机将数据处理，转化为
20*16
的矩阵，进而将其转化为灰度图，将图形预处理后，利用深度学习算法提取特征，对接触的零件的形状进行感知
、
分类；
[0018]步骤五
、
识别目标类型后，进一步确定末端执行器与目标间的作用状态，以使末端执行器决策下一步动作；其中，末端执行器与目标间的作用状态包括接触状态和运动状态以及相对位置，接触状态指末端执行器与目标物间的静态动作，运动状态为末端执行器与目标物间的动态行为
。
[0019]进一步地，步骤一所述的使用
Verilog HDL
语言设计
FPGA
程序，以进行双通道并行方式采集电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种电子皮肤传感阵列数据采集与感知系统的设计方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：步骤一
、
设计整体系统，包括下位机
、
上位机和电容阵列传感器，上位机与下位机之间通过
USB
接口实现数据通信；下位机包括选通电路
、
供电电路
、USB
数据转换
、CDC
转换
、
数据采集处理；上位机使用
windows
系统计算机作为上位机硬件平台，实现数据处理
、
数据可视化
、
形状识别；柔性电容阵列传感器是基于
FPGA
作为从机的控制部分，进行数据采集；并使用
Verilog HDL
语言设计
FPGA
程序，以进行双通道并行方式采集电容阵列容值数据；步骤二
、
进行电容矩阵测量；被测电容和一个参考电容连接到同一个放电电阻，组成一个低通滤波，被测电容首先被充电到电源电压，然后通过电阻进行放电，放电到可控制阚值电压的水平，芯片内部的时间数字转换器
TDC
记录电压水平；测量过程在传感器和参考电容上重复交错进行，应用同样的电阻；计算的结果是测量的比值结果，是与电阻和比较器温度相关性有关；步骤三
、
通过
QT
软件开发上位机人机交互界面，以通过监测窗口实时监测电容值，同时设计数据保存功能
、
设计可视化界面观察按压区域
、
设计显示图形识别处理结果；步骤四
、
设计工件识别算法：将柔性电容阵列传感器数据传输至上位机，上位机将数据处理，转化为
20*16
的矩阵，进而将其转化为灰度图，将图形预处理后，利用深度学习算法提取特征，对接触的零件的形状进行感知
、
分类；步骤五
、
识别目标类型后，进一步确定末端执行器与目标间的作用状态，以使末端执行器决策下一步动作；其中，末端执行器与目标间的作用状态包括接触状态和运动状态以及相对位置，接触状态指末端执行器与目标物间的静态动作，运动状态为末端执行器与目标物间的动态行为
。2.
根据权利要求1所述的一种电子皮肤传感阵列数据采集与感知系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：许景波，秦聪，赵博亮，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：