[发明专利]一种可变刚度柔性触觉传感器系统及其控制方法

说明书

本发明公开一种可变刚度柔性触觉传感器系统，包括：可变刚度系统，可变刚度系统设有可变刚度柔性触头和气压调节系统，气压调节系统用于调节可变刚度柔性触头内的气压，通过气压变化调整可变刚度柔性触头的刚度；驱动测量系统，驱动测量系统用于采集可变刚度柔性触头的初始气压以及可变刚度柔性触头触碰待测物体时的气压变化量和共振频率；刚度辨识深度学习模型，刚度辨识深度学习模型用于根据初始气压、气压变化量和共振频率计算待测物体的刚度。能够降低传感器系统初始共振频率，同时可以减少对接触物体的破环；避免为减低频率而设计的结构复杂度，有利于传感器的小型化；改变气压来改变其刚度，能够实现刚度测量范围的动态调节。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种触觉传感器，尤其是一种可变刚度柔性触觉传感器，根据传感器与物体接触前后系统共振频率的变化来判断被测物体的刚度。

背景技术

触觉作为人类感知外部环境信息的重要方式之一，可感知接触对象和外部环境的多种特征，但是开发具有人手所有品质的智能传感器仍面临极大的挑战，尤其是在表面纹理、刚度、摩擦等高级别物体属性的触觉感知方面。物体的刚度在机器人实际应用中具有重要作用，例如，在物体抓握方面，机器人基于物体刚度信息实时调整抓握力的大小，有助于实现稳定抓取；在医疗诊断方法，组织的软硬程度可辅助机器人有效地区分软组织和肿瘤区域。

目前，触觉传感器的刚度测量原理主要可分为：基于力/压入位移的静态测量和基于系统共振频率偏移的动态测量。虽然静态测量具有直观物理意义，但是在压入位移中消除刚体位移的影响，往往需要额外增加固定的参考系，限制了传感器的小型化。因此，基于动态测量原理的触觉传感器愈发受到关注。Sadao Omata等人设计的用于机器人的触觉传感器，使用两片压电陶瓷沾在一起分别作为驱动元件和敏感元件，前者给其施加高达几百KHz的高频交流电压以产生振荡，而后者用来实时拾取频率信号，当传感器接触组织时，通过反馈回来的接触组织前后传感器共振频率变化，来反映被测组织的弹性模量等信息；Yoshinobu Murayama等人利用相似原理将多个刚度测量单元形成阵列式结构使得触觉传感器能够进行大范围刚度检测，当对含有病变肿瘤的生物组织进行测量时，可以得到被测范围内的刚度分布，进而可以得到肿瘤的大概位置和大小等信息；Parag R.Dhar等人在传感器中加入弹簧与质量块，大大降低了传感器系统的共振频率但因此不利于小型化，通过检测整个传感器机电系统的共振频率变化，即可得到组织刚度信息。

纵观该类触觉传感器，存在如下亟待解决的问题：1.降低初始系统共振频率，以减少质量效应的影响；2.缩短触头的尺寸，以实现小型化；3.实现刚度测量范围的动态调节，以面向不同的应用场景。

发明内容

本发明上的目的在与克服现有技术的不足，提出一种可变刚度柔性触觉传感器系统及其控制方法，采用了可变刚度柔性触头，首先其能够降低传感器系统初始共振频率，同时可以减少对接触物体的破环。其次可变刚度柔性触头可以避免为减低频率而设计的结构复杂度，有利于传感器的小型化。最后，为了能够实现刚度测量范围的动态调节，采用可变刚度的触头，以改变气压来改变其刚度。

本发明公开一种可变刚度柔性触觉传感器系统，包括：

可变刚度系统，所述可变刚度系统设有可变刚度柔性触头和气压调节系统，所述气压调节系统用于调节所述可变刚度柔性触头内的气压，通过气压变化调整所述可变刚度柔性触头的刚度；

驱动测量系统，所述驱动测量系统用于采集所述可变刚度柔性触头的初始气压以及所述可变刚度柔性触头触碰待测物体时的气压变化量和共振频率；

刚度辨识深度学习模型，所述刚度辨识深度学习模型用于根据初始气压、气压变化量和共振频率计算待测物体的刚度。

进一步地，所述可变刚度柔性触头由外至内依次设有弹性外壳、不可伸展膜、粉末颗粒层和弹性膜，所述弹性膜连接气压调节系统。