電阻值隨著作用于表面的壓力增大而減小。FSR材料的電阻、電導(dǎo)與所受壓力的關(guān)系如圖6所示，F(xiàn)SR材料的壓力與電導(dǎo)成正比，可知“壓力一電阻”在一定作用范圍內(nèi)成反比。
[0069](3)與其他半導(dǎo)體材料相比，F(xiàn)SR材料在工作溫度(-300C?70 °C)下，無溫度漂移現(xiàn)象。
[0070](4)分辨率高、響應(yīng)速度快。
[0071](5)重復(fù)采集精度高，以滿足一次訓(xùn)練后長(zhǎng)期使用。
[0072](6)該傳感器針對(duì)觸覺信號(hào)特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，特別適合觸覺信號(hào)采集。
[0073](7)能連續(xù)檢測(cè)出施加在表面上的力，且不受音頻及諧波的影響。
[0074]這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)為:1、通過在球體上貼有多個(gè)單點(diǎn)式FSR傳感器，球體模型能夠識(shí)另IJ三維方向的感知力，克服了觸覺陣列只能感知單向壓力的缺陷;2、球體上的FSR傳感器為四個(gè)一組，緊密排列在球體的前、后、左、右、上五個(gè)正方向，對(duì)模型施力時(shí)，能夠最大限度的提高傳感器的受力面積，使測(cè)量更加準(zhǔn)確。
[0075]K60 芯片:
[0076]K60是Kinetis系列微處理器中的高端系列，具體芯片型號(hào)超百種，在引腳、外設(shè)和軟件上可兼容，且自帶數(shù)/模(A/D)轉(zhuǎn)換功能。每個(gè)系列提供了不同的性能、存儲(chǔ)器配置和外設(shè)特性，通過通用外設(shè)、存儲(chǔ)器映射和封裝的一致性來實(shí)現(xiàn)系列內(nèi)和各系列之間的良好移植性。
[0077]本發(fā)明采用的MK60N512VLQ100芯片，其CPU頻率:100MHZ;引腳數(shù):144;封裝:LQFP ；FLASH: 512KB;程序空間:512KB; SRAM: 128KB;
[0078]電源電路:電路中需要大量的電源類引腳用來提供足夠的電流容量，為了給芯片提供穩(wěn)定的電壓和電流，所有的電源引腳必須外接濾波電容以抑制高頻噪音。
[0079]復(fù)位電路:正常工作時(shí)復(fù)位輸入引腳RESET為高電平，若復(fù)位按鈕被按下，則RESET引腳接地，為低電平，導(dǎo)致芯片復(fù)位。
[0080]晶振電路:用于將晶振輸入時(shí)鐘倍頻至系統(tǒng)所需時(shí)鐘。晶振應(yīng)該盡量靠近芯片，且遠(yuǎn)離高頻信號(hào)。晶振一旦不能正常工作，芯片將無法工作。晶振實(shí)際上負(fù)責(zé)給芯片提供心跳。
[0081]JTAG:Kinetis芯片內(nèi)部集成了JTAG(Joint Test Act1n Group)接口，通過JTAG接口可以實(shí)現(xiàn)程序下載和調(diào)試功能。
[0082]A/D轉(zhuǎn)換模塊:
[0083]ADC模塊的功能是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，它的最高轉(zhuǎn)換精度是16位。有兩種測(cè)量方式，分別為單端測(cè)量和差分測(cè)量，單端模式下支持24路輸入，差分模式下支持4對(duì)差分輸入。選擇24路中的20路接入傳感器模擬信號(hào)，另外ADC模塊還需接入模擬電源、模擬地和參考電壓。在使用模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)需要考慮一些問題:
[0084]1、采樣精度
[0085]采樣精度是指數(shù)字量加I時(shí)模擬電壓的最小變化量，通常采樣位數(shù)決定采樣精度。若采樣位數(shù)為N，則能檢測(cè)到的最小模擬量變化值為。例如，AD的采樣精度為16位，參考電壓為3.3V，則檢測(cè)到的模擬量最小變化為0.05mV。
[0086]2、采樣速率
[0087]采樣速率是指完成一次A/D采樣轉(zhuǎn)換所需要的最小時(shí)間，此物理量與所選器件的工作頻率密切相關(guān)。本發(fā)明中K60的波特率為115200，則發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的最短時(shí)間為:
[0088]Uix = 1/( 115200/8/46) = 3.2ms
[0089]可應(yīng)用于程序設(shè)計(jì)中，設(shè)置大于3.2ms的任意轉(zhuǎn)換時(shí)間。為了充分實(shí)施力的變化，本發(fā)明中設(shè)置轉(zhuǎn)換時(shí)間為I OOms。
[0090]3、濾波
[0091]在實(shí)際測(cè)量中，測(cè)量的結(jié)果并不是理想的，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)，需要去掉測(cè)量偏差大的數(shù)據(jù)而引入了濾波處理，濾波處理的方法有許多，主要是一種數(shù)學(xué)算法，常用的有均值濾波和中值濾波法，本發(fā)明采用中值濾波法。
[0092]4、物理量回歸
[0093]此步驟將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)體化，賦予它一定的物理意義，例如溫度、濕度、濃度、
大氣壓等等。
[0094]此外，MK60N512VLQ100單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的初始化、接收與發(fā)送串口信號(hào)、三維力數(shù)據(jù)的采集等功能。為了保證上位機(jī)采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性，防止出現(xiàn)不必要的丟包事件，在通信開始需要建立可靠聯(lián)系。
[0095]如圖7所示，是數(shù)據(jù)采集和處理的操作界面。在程序初始化以后，等待fwrite命令發(fā)送的握手信號(hào)OxAA。當(dāng)單片機(jī)第一次接收到的信號(hào)為OxAA時(shí)，則握手成功，并開始運(yùn)行讀取數(shù)據(jù)和AD轉(zhuǎn)換子程序。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)存在發(fā)送的第一組數(shù)據(jù)第一個(gè)字節(jié)丟失的現(xiàn)象。為了增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可靠性，下位機(jī)發(fā)送每一幀數(shù)據(jù)包含三個(gè)起始位6D、25、7F(可任意設(shè)定)，上位機(jī)接受每幀數(shù)據(jù)時(shí)，若含有相應(yīng)字節(jié)，則刪除相應(yīng)字節(jié)，分離出有效的數(shù)據(jù)，否則，刪除這幀數(shù)據(jù)，繼續(xù)讀取。只有當(dāng)下位機(jī)接收到fwrite命令發(fā)送的關(guān)閉信號(hào)OxBB時(shí)，才停止采集和轉(zhuǎn)換。
[0096]藍(lán)牙通信模塊:
[0097]如圖4所示，是M⑶和PC間的串口通信電路，藍(lán)牙模塊分為主機(jī)和從機(jī)，主機(jī)有一個(gè)USB轉(zhuǎn)串口，可以和電腦連接，從機(jī)通過單片機(jī)TXD、RXD和單片連接。藍(lán)牙串口模塊采用CSR主流藍(lán)牙芯片，藍(lán)牙V2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，工作電壓為3.3V。波特率為1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600,115200,用戶可選擇設(shè)置。藍(lán)牙串口主從機(jī)配對(duì)成功后，可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的無線傳輸。
[0098]MCU和PC間的通信方式為異步串行通信，異步串行通信采用NRZ(standard non-return-zero mark/space data format)數(shù)據(jù)格式，即標(biāo)準(zhǔn)不歸零傳號(hào)/空號(hào)數(shù)據(jù)格式。正負(fù)電平分別代表二進(jìn)制O或I，不采用零電平。如圖5所示，給出了8位數(shù)據(jù)、無校驗(yàn)情況的傳送格式。
[0099]通信空閑狀態(tài)為“I”，通過拉低電平表示發(fā)送數(shù)據(jù)位開始，數(shù)據(jù)位一般為8或9位(第9位為校驗(yàn)位)，通過發(fā)送I到2位的停止位表示一個(gè)字節(jié)發(fā)送完畢。由于每發(fā)送一個(gè)字節(jié)都要發(fā)送“開始位”、“停止位”，因此串行通信的通信速率較慢，但適合長(zhǎng)距離傳輸。
[0100]通過改變波特率的大小可以改變通信速率，通信速率一般600、900、1200、1800、2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200等，波特率越大，通信速率越大，傳輸狀態(tài)越不穩(wěn)定，容易丟包，另外串彳丁速率的選擇還應(yīng)考慮下位機(jī)的米集速率。
[0101]應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種識(shí)別三維方向的觸覺傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟: 51、建立三維模型，并用3D打印機(jī)打印出該三維模型； 52、在三維模型的表面設(shè)置多片壓力傳感器，內(nèi)部設(shè)置有微處理器，并將各個(gè)壓力傳感器與微處理器的對(duì)應(yīng)引腳相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集； 53、微處理器與外部處理端通過無線方式進(jìn)行觸覺傳感數(shù)據(jù)的傳輸； 54、外部處理端接收到觸覺傳感數(shù)據(jù)后，對(duì)其進(jìn)行編程處理。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的識(shí)別三維方向的觸覺傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟SI中建立三維模型的具體方法包括: 511、選取一個(gè)基準(zhǔn)面，畫出二維草圖，包括一個(gè)半圓、一條曲線和一個(gè)正方形，然后用旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)命令，以軸線為中心旋轉(zhuǎn)，得到三維立體圖； 512、使用抽殼命令，將球體內(nèi)部挖空； 513、使用拉伸切除命令，根據(jù)壓力傳感器的數(shù)量，將球體切出多個(gè)用于安裝傳感器的孔，并在球體的圓柱形底座上設(shè)置多個(gè)用于安裝固定螺絲的螺絲孔。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的識(shí)別三維方向的觸覺傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟SI中建立三維模型的具體方法還包括: 514、選取一個(gè)基準(zhǔn)面，畫出一個(gè)正方形的二維草圖，然后使用拉伸凸臺(tái)命令，將正方形拉伸一定的高度，得到三維立體圖，即長(zhǎng)方體底座； 515、在長(zhǎng)方體底座的中間設(shè)置多個(gè)用于安裝螺絲的螺絲孔。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的識(shí)別三維方向的觸覺傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟S4中電腦對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法具體為: 打開MATLAB運(yùn)行界面，設(shè)置好通信串口和波特率以及采集數(shù)據(jù)的組數(shù)，點(diǎn)擊“start”按鈕開始采集數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)傳感器某一正方向施力幾秒鐘后，數(shù)據(jù)采集完畢，并且自動(dòng)存到MATLAB中；然后點(diǎn)擊“resultant_force”按鈕可以在運(yùn)行界面上看到傳感器的受力情況；點(diǎn)擊“RBF_train”按鈕可以看到處理數(shù)據(jù)后的殘差；點(diǎn)擊“Recognit1n”按鈕，可以看到東、西、南、北、下幾個(gè)方向上受力的組數(shù)，從而驗(yàn)證三維方向受力的準(zhǔn)確度。5.—種識(shí)別三維方向的觸覺傳感系統(tǒng)，其特征在于，包括內(nèi)空球體(I)，所述內(nèi)空球體(I)根據(jù)權(quán)利要求1-4所述的設(shè)計(jì)方法得到，所述內(nèi)空球體(I)上設(shè)置有多個(gè)孔，每個(gè)孔上安裝有一個(gè)壓力傳感器(2)，所述內(nèi)空球體(I)的內(nèi)部設(shè)置有微處理器(3)，所述微處理器(3)通過引線與所述壓力傳感器(2)相連； 所述微處理器(3)還連接有無線通信模塊(4)，所述無線通信模塊(4)將所述壓力傳感器(2)采集到的觸覺傳感數(shù)據(jù)發(fā)送給外部處理端(5)，并通過所述外部處理端(5)上的操作界面對(duì)接收到的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的識(shí)別三維方向的觸覺傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述內(nèi)空球體(I)的厚度為8mm。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的識(shí)別三維方向的觸覺傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述內(nèi)空球體(1)底部還設(shè)置有支撐底座。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的識(shí)別三維方向的觸覺傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力傳感器(2)有20片以上。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的識(shí)別三維方向的觸覺傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力傳感器(2)使用FSR傳感器。10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的識(shí)別三維方向的觸覺傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述無線通信模塊(4)使用藍(lán)牙通信的方式。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種識(shí)別三維方向的觸覺傳感系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法，該方法包括以下步驟：S1、建立三維模型，并用3D打印機(jī)打印出該三維模型；S2、在三維模型的表面設(shè)置多片壓力傳感器，內(nèi)部設(shè)置有微處理器，并將各個(gè)壓力傳感器與微處理器的對(duì)應(yīng)引腳相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；S3、微處理器與外部處理端通過無線方式進(jìn)行觸覺傳感數(shù)據(jù)的傳輸；S4、外部處理端接收到觸覺傳感數(shù)據(jù)后，對(duì)其進(jìn)行編程處理。本發(fā)明夠準(zhǔn)確的采集三維方向上的觸覺壓力信息，采集精度高、響應(yīng)速度快，且能夠重復(fù)采集，不受外界音頻及諧波的影響。
【IPC分類】G01L5/00
【公開號(hào)】CN105651442
【申請(qǐng)?zhí)枴?br>【發(fā)明人】吳皓瑩, 謝威, 呂鋒, 王丹鳳
【申請(qǐng)人】武漢理工大學(xué)
【公開日】2016年6月8日
【申請(qǐng)日】2016年1月7日