本發(fā)明涉及壓力采集，特別涉及一種機械手指尖壓力識別裝置及方法。

背景技術：

1、近年來，機械手的發(fā)展取得了長足進步，其應用范圍從工業(yè)自動化到假肢和人機交互先進機械手的發(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，使機器人能夠執(zhí)行抓握、操縱和物體處理等精細任務。目前將壓力傳感器集成到機器人系統(tǒng)中的方法通常會導致笨重、剛性的組件，缺乏高效運行所需的靈活性和適應性。

技術實現(xiàn)思路

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

2、為達到上述目的，一方面，提供一種機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置有安裝在觸頭電機板上的發(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、進一步地，所述柔性光阻外殼1為硅膠材料，內部設置有4個光阻柱。

6、進一步地，所述光電二極管為8個。

7、進一步地，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、為達到上述目的，另一方面，提供一種機械手指尖壓力識別方法，具體方法如下：

9、構建電壓與垂直壓力大小的函數(shù)關系式；

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)絡進行壓力的解耦。

12、進一步地，電壓與垂直壓力大小的函數(shù)關系式，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、進一步地，光電二極管為8個，采集到的電壓信號為v＝[v1,v2,…,v8]t。

16、進一步地，采用兩層圖卷積網(wǎng)絡進行壓力的解耦，具體方法如下：

17、兩層圖卷積網(wǎng)絡的輸入為電壓信號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三個方向。

19、進一步地，兩層圖卷積網(wǎng)絡進行壓力的解耦，帶有殘差的圖卷積結構為：

20、

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

22、分別是第1，2層的權重，將通過訓練來學習；σ是一個激活函數(shù)；代表規(guī)范化鄰接矩陣；經(jīng)過逐層應用該卷積操作，聚合來自相鄰端口的信息估計三維壓力矢量；

23、在訓練中，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，是預測的壓力向量，pi是實際的壓力矢量；使用adam優(yōu)化器進行高效訓練，通過反向傳播更新權重，得到壓力矢量與電壓信號的關系為：

26、

27、其中，表示光電二極管之間的關系，根據(jù)實際測量分析，設置為：

28、

29、由于采用了以上技術方案，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)絡對壓力信號進行方向解耦，使得裝置能夠精確分解壓力信息，為三維壓力感應提供了更加精細的識別能力。

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

32、3、采用cd74hc4051信號多路選擇芯片，使得裝置能夠同時采集多個光電二極管的電壓信號，增強了系統(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展傳感器的個數(shù)，實現(xiàn)多個傳感器并聯(lián)使用，例如同時采集機械手的5個指尖壓力。

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

技術特征：

1.一種機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.如權利要求1所述的機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，內部設置有4個光阻柱。

3.如權利要求1所述的機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。

4.如權利要求1所述的機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.如權利要求1至4任意一項所述裝置進行機械手指尖壓力識別的方法，其特征在于，具體方法如下：

6.如權利要求5所述的機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)關系式，具體公式如下：

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

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

9.如權利要求8所述的機械手指尖壓力識別方法，其特征在于，兩層圖卷積網(wǎng)絡進行壓力的解耦，帶有殘差的圖卷積結構為：

技術總結
本發(fā)明涉及壓力采集技術領域，特別涉及一種機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)明結合光電耦合效應，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)絡進行壓力的解耦。本發(fā)明通過圖卷積網(wǎng)絡對壓力信號進行方向解耦，使得裝置能夠精確分解壓力信息，為三維壓力感應提供了更加精細的識別能力。

技術研發(fā)人員：王海燕,丁仕俊,王宇杰,郭聞雨,趙春波
受保護的技術使用者：上海電機學院
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/9