[发明专利]一种用于机器人自主环境感知的介质材料识别装置

说明书

本发明公开的一种用于机器人自主环境感知的介质材料识别方法，属于材料识别领域。本发明包括如下步骤：驱使金属电极与被测材料进行多次接触分离，通过静电测量系统检测出由金属电极感应电荷变化产生的感静电信号，获得多类材料的静电信号；提取静电信号电荷泄放因子、有效负峰个数以及时间窗内正负峰值方差和三个特征量；利用组合的特征向量，采用k最近邻算法构建分类器进行识别分类；重新采集某类别的材料的静电信号，使用训练好的分类器对信号进行识别分类，实现机器人对材料的自动识别分类。本发明涉及一种用于机器人自主环境感知的介质材料识别方法，由于不需要外加激励的测量方式，具有不受光照条件影响，原理可靠，结构简单的特点。

技术领域

本发明涉及一种用于机器人自主环境感知的介质材料识别方法，尤其涉及一种利用静电测量技术的介质材料识别方法，属于材料识别领域。

背景技术

随着电子与计算机技术、人工智能的快速发展，智能机器人技术取得了长足的进步。智能机器人是一类能够在无人干预情况下完成自主感知、自主决策、自主控制，独立地活动和处理问题的机器人。作为智能机器人强大自主能力的典型特征—自主环境感知技术，已经成为衡量机器人智能程度的重要标准，也是实现机器人自主决策和自主控制的重要基础，因此机器人自主感知技术的研究受到了人们的极大重视。

机器人自主感知的主要内容是对周围环境的感知。其中两项重要内容是对介质材料的识别分类和地面环境的识别分类。材料识别是智能机器人对目标物体进行感知并做出下一步动作的重要依据。比如机器人通过自身传感器对接触的材料进行识别，从而判断材料属性和种类，将识别结果反馈给机器人后，机器人进行一系列自主决策，并最终控制相关机构完成对物体的定位、拿取等操作。

现有的材料识别方法主要可以分为两个大类。其一是通过非接触式传感器进行识别，包括机器视觉识别，电磁和电容识别，超声波识别等。另外一类就是使用各种接触式传感器，通过与被测材料接触测量的方式来识别材料。主要利用热觉、静电或压电等原理进行测量。在机器人的材料自动识别的应用背景下，基于机器视觉的方法不仅容易收到光照和遮盖的影响，且其图像数据量大，处理复杂。相比之下，基于触觉的多种识别方法，能够对材料的属性，如硬度、电阻率，导热性等进行直接测量，数据量小，识别更快，但是也存在着需要外加激励，结构相对复杂，仅能识别特定材料的不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提高机器人在自主环境感知中材料识别分类的能力。增强机器人环境感知过程中抗光照条件干扰的能力，拓宽机器人可识别的材料范围，降低机器人环境感知系统的复杂度。本发明公开了一种基于材料表面电荷泄放特性，不受光照、烟雾条件影响，不需要外加激励条件下就能测量，识别范围更加广泛的机器人用材料识别方法。

本发明公开的一种用于机器人自主环境感知的介质材料识别方法，具体实现步骤如下：

步骤一：布设金属电极检测被测材料上静电信号，检测方式是通过一个谐振式探测装置驱动着金属电极做上下谐振运动，使之与被测材料进行不断的接触与分离，使用静电测量系统检测出由金属电极感应电荷变化产生的感应电流信号。所述的静电测量系统包括：谐振式探测装置、静电信号检测单元、金属电极、被测材料、绝缘材料和接地的金属铝板构成的基座。其中静电信号检测单元包括：电流放大电路，f陷波器，I-V转换电路，数据采集仪。假设被测材料表面电荷量为Q，材料等效面积为S，在被测材料正上方间距为d位置处布置一块金属电极，等效面积s。谐振式探测装置驱使金属电极与被测材料不断地接触与分离，那么间距d的变化可用如下方程描述：

D表示金属电极与被测材料表面的最大间距，f表示金属电极谐振运动的频率。每个周期开始于金属电极距离被测材料表面最大高度，结束于电极回到相同位置为止。

被测材料表面电荷在金属电极上形成的电场强度如下：

根据高斯定理，材料表面电荷在金属电极上的感应电荷密度可以表示为：