本發(fā)明涉及壓力采集，特別涉及一種機(jī)械手指尖壓力識別裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，機(jī)械手的發(fā)展取得了長足進(jìn)步，其應(yīng)用范圍從工業(yè)自動化到假肢和人機(jī)交互先進(jìn)機(jī)械手的發(fā)展大大增加了對能夠檢測在三維空間中施加的力的精確可靠的觸覺傳感系統(tǒng)的需求。壓力傳感是觸覺反饋系統(tǒng)的核心，使機(jī)器人能夠執(zhí)行抓握、操縱和物體處理等精細(xì)任務(wù)。目前將壓力傳感器集成到機(jī)器人系統(tǒng)中的方法通常會導(dǎo)致笨重、剛性的組件，缺乏高效運(yùn)行所需的靈活性和適應(yīng)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明公開了一種機(jī)械手指尖壓力識別裝置及方法，它可以提高機(jī)械手在抓握、操縱和精細(xì)操作等任務(wù)提供更高的精度和實(shí)時(shí)觸覺反饋。

2、為達(dá)到上述目的，一方面，提供一種機(jī)械手指尖壓力識別裝置，所述裝置包括：觸頭單元和處理電路單元；

3、所述觸頭單元包括呈罩狀的柔性光阻外殼和安裝在柔性光阻外殼下方的觸頭電路板，觸頭電路板的上方設(shè)置有若干呈環(huán)形陣列的由光電二極管，在光電二級管中心處設(shè)置有安裝在觸頭電機(jī)板上的發(fā)光二極管，連接線安裝在觸頭電路板的下方；

4、所述處理電路單元包括有與連接線連接的接口模塊、用于選擇信號接口的通道選擇模塊、以及信號處理模塊。

5、進(jìn)一步地，所述柔性光阻外殼1為硅膠材料，內(nèi)部設(shè)置有4個(gè)光阻柱。

6、進(jìn)一步地，所述光電二極管為8個(gè)。

7、進(jìn)一步地，所述通道選擇模塊為cd74hc4051芯片，信號處理模塊為stm32信號處理芯片。

8、為達(dá)到上述目的，另一方面，提供一種機(jī)械手指尖壓力識別方法，具體方法如下：

9、構(gòu)建電壓與垂直壓力大小的函數(shù)關(guān)系式；

10、采集光電二極管采集的電壓信號；

11、采用兩層圖卷積網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行壓力的解耦。

12、進(jìn)一步地，電壓與垂直壓力大小的函數(shù)關(guān)系式，具體公式如下：

13、p＝kv

14、其中，p為壓力的大小，k為系數(shù)，v為電壓值。

15、進(jìn)一步地，光電二極管為8個(gè)，采集到的電壓信號為v＝[v1,v2,…,v8]t。

16、進(jìn)一步地，采用兩層圖卷積網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行壓力的解耦，具體方法如下：

17、兩層圖卷積網(wǎng)絡(luò)的輸入為電壓信號v＝[v1,v2,…,v8]t；

18、輸出為壓力解耦信號，定義為p＝[p1,p2,p3]t分別代表壓力的x，y，z三個(gè)方向。

19、進(jìn)一步地，兩層圖卷積網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行壓力的解耦，帶有殘差的圖卷積結(jié)構(gòu)為：

20、

21、其中，是第2層的節(jié)點(diǎn)特征矩陣，第一層采用光電二極管得到的電壓。

22、分別是第1，2層的權(quán)重，將通過訓(xùn)練來學(xué)習(xí)；σ是一個(gè)激活函數(shù)；代表規(guī)范化鄰接矩陣；經(jīng)過逐層應(yīng)用該卷積操作，聚合來自相鄰端口的信息估計(jì)三維壓力矢量；

23、在訓(xùn)練中，采用均方誤差作為損失函數(shù)：

24、

25、其中，n是樣本的數(shù)量，是預(yù)測的壓力向量，pi是實(shí)際的壓力矢量；使用adam優(yōu)化器進(jìn)行高效訓(xùn)練，通過反向傳播更新權(quán)重，得到壓力矢量與電壓信號的關(guān)系為：

26、

27、其中，表示光電二極管之間的關(guān)系，根據(jù)實(shí)際測量分析，設(shè)置為：

28、

29、由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下有益效果：

30、1、本發(fā)明通過圖卷積網(wǎng)絡(luò)對壓力信號進(jìn)行方向解耦，使得裝置能夠精確分解壓力信息，為三維壓力感應(yīng)提供了更加精細(xì)的識別能力。

31、2、采用硅膠材料的柔性光阻外殼，具有良好的適應(yīng)性和靈敏度，能夠應(yīng)對復(fù)雜的接觸情況，尤其適用于機(jī)械手指尖部的壓力識別。

32、3、采用cd74hc4051信號多路選擇芯片，使得裝置能夠同時(shí)采集多個(gè)光電二極管的電壓信號，增強(qiáng)了系統(tǒng)對壓力大小與方向的綜合識別能力。此外，只增加接收口和觸頭可以擴(kuò)展傳感器的個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器并聯(lián)使用，例如同時(shí)采集機(jī)械手的5個(gè)指尖壓力。

33、本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過下面的說明書實(shí)現(xiàn)和獲得。

技術(shù)特征：

1.一種機(jī)械手指尖壓力識別裝置，其特征在于，所述裝置包括：觸頭單元(2)和處理電路單元(3)；

2.如權(quán)利要求1所述的機(jī)械手指尖壓力識別裝置，其特征在于，所述柔性光阻外殼(1)為硅膠材料，內(nèi)部設(shè)置有4個(gè)光阻柱。

3.如權(quán)利要求1所述的機(jī)械手指尖壓力識別裝置，其特征在于，所述光電二極管為8個(gè)。

4.如權(quán)利要求1所述的機(jī)械手指尖壓力識別裝置，其特征在于，所述通道選擇模塊為cd74hc4051芯片，信號處理模塊為stm32信號處理芯片。

5.如權(quán)利要求1至4任意一項(xiàng)所述裝置進(jìn)行機(jī)械手指尖壓力識別的方法，其特征在于，具體方法如下：

6.如權(quán)利要求5所述的機(jī)械手指尖壓力識別方法，其特征在于，電壓與垂直壓力大小的函數(shù)關(guān)系式，具體公式如下：

7.如權(quán)利要求5所述的機(jī)械手指尖壓力識別方法，其特征在于，光電二極管為8個(gè)，采集到的電壓信號為v＝[v1,v2,…,v8]t。

8.如權(quán)利要求7所述的機(jī)械手指尖壓力識別方法，其特征在于，采用兩層圖卷積網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行壓力的解耦，具體方法如下：

9.如權(quán)利要求8所述的機(jī)械手指尖壓力識別方法，其特征在于，兩層圖卷積網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行壓力的解耦，帶有殘差的圖卷積結(jié)構(gòu)為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及壓力采集技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種機(jī)械手指尖壓力識別裝置及方法。所述裝置包括觸頭單元和處理電路單元；觸頭單元包括光阻外殼和觸頭電路板；觸頭電路板包括呈環(huán)形陣列的由光電二極管和發(fā)光二極管。本發(fā)明結(jié)合光電耦合效應(yīng)，分離壓力信號采集和傳輸，具有抗電磁干擾、不受溫度影響等優(yōu)勢。所述方法包括采集光電二極管采集的電壓信號和采用兩層圖卷積網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行壓力的解耦。本發(fā)明通過圖卷積網(wǎng)絡(luò)對壓力信號進(jìn)行方向解耦，使得裝置能夠精確分解壓力信息，為三維壓力感應(yīng)提供了更加精細(xì)的識別能力。

技術(shù)研發(fā)人員：王海燕,丁仕俊,王宇杰,郭聞雨,趙春波
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海電機(jī)學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9