(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210688773.8 (22)申请日 2022.06.17 (71)申请人 武汉数字化设计与制造创新中心有 限公司 地址 430000 湖北省武汉市东湖新 技术开 发区里沟南路8号武汉智能装备园研 发大楼5楼 (72)发明人 龚泽宇　李可怡　陶波　石颖　 谭科　朱建康　范亚军　 (74)专利代理 机构 武汉知产时代知识产权代理 有限公司 42 238 专利代理师 胡青 (51)Int.Cl. G01L 5/1627(2020.01) G01L 25/00(2006.01)G06F 30/23(2020.01) G06F 30/27(2020.01) G06N 3/02(2006.01) (54)发明名称 一种柔性传感器、 标定方法及接触曲面法线 方向测量方法 (57)摘要 本发明公开了一种柔性传感器、 标定方法及 接触曲面法线方向测量方法， 涉及传感器技术领 域， 所述柔性传感器包括柔性基底和应变片， 应 变片以圆形阵列方式均匀内嵌于柔性基底上， 数 据采集电路测量应变片的输出电阻变化 以获取 接触处的力/力矩信息。 所述柔性传感器的标定 方法利用神经网络对柔性基底的半球型底面中 心处所受六维力和应变片电阻之间的关系进行 拟合， 实现柔性传感器的标定； 结合有限元仿真 与神经网络获得受力与接触点变形之间的映射 关系， 进而利用所测力/力矩信息计算得到接触 处的法线方向， 实现对未知 曲面的法向感知。 本 发明能够紧密贴合接触表面， 顺应不平整的接触 曲面， 实现曲面匹配与对齐， 以测量接触曲面法 线方向。 权利要求书3页 说明书7页 附图3页 CN 115096498 A 2022.09.23 CN 115096498 A 1.一种柔 性传感器， 其特 征在于， 所述 柔性传感器包括 柔性基底(1)和应 变片(2)， 所述应变片(2)以圆形阵列方式均匀内嵌于所述柔性基底(1)上， 且相邻所述应变片 (2)处于不同姿态， 以实现对所述 柔性传感器各 方向变形的响应； 还包括与所述应变片(2)电性连接的数据采集电路， 当柔性传感器吸附在不同曲面 时， 所述应变片(2)随接触曲面的弯曲曲率弯曲， 并且所述应变片(2)的电阻发生变化， 所述数 据采集电路用于测量所述 柔性传感器的应 变片(2)的电阻值Ri。 2.根据权利要求1所述的柔性传感器， 其特征在于， 所述柔性基底(1)由柔性材料浇铸 形成。 3.根据权利要求2所述的柔性传感器， 其特征在于， 所述柔性基底(1)设置为半球体形， 且半球体形的直径为 48‑52mm。 4.根据权利要求1所述的柔性传感器， 其特征在于， 所述应变片(2)的数量为至少6片， 且所述应 变片(2)距离所述 柔性基底(1)的半球平面的高度为7 ‑9mm。 5.根据权利要求1 ‑4任一项所述的柔性传感器， 其特征在于， 所述柔性基底(1)由 Ecoflex材 料浇铸而成。 6.一种柔性传感器的标定方法， 采用上述权利要求1 ‑5任一项所述的柔性传感器， 其特 征在于， 所述标定方法包括： 步骤S100:构建六输入、 六输出的神经网络模型； 所述神经网络模型以柔性传感器的应变片(2)输出的电阻变化作为输入变量， 以所述 柔性传感器的柔 性基底(1)的半球底面中心处所受六维力作为输出变量； 步骤S200:标定样本数据集； 采集至少包括1000组所述应变片(2)输出的电阻变化和所述柔性基底(1)的半球底面 中心处所受六维力作为相对应的输入、 输出 数据， 形成标定样本数据集； 步骤S300： 利用所述标定样本数据集对所述神经网络模型进行训练， 确定神经网络的各 个参数， 以得到确定的神经网络模型； 步骤S400： 建立应变片(2)的电阻变化与所述柔性基底(1)的半球底面中心所受六维力 之间的对应映射关系， 完成所述 柔性传感器的标定 。 7.根据权利 要求6所述的柔性传感器的标定方法， 其特征在于， 在步骤S400中， 所述建立 应变片(2)的电阻变化与所述柔性基底(1)的半球底面中心所受六维力 之间的对应映射关 系， 具体包括： 步骤S401： 利用标准刚性六维力传感器作为对照传感器， 在给定受力情况下获得所述柔 性传感器的应 变片(2)的响应输出电阻； 步骤S402： 将所述柔性传感器的柔性基底(1)的半球底面中心处所受六维力(Fx， Fy， Fz， Mx， My， Mz)作为输出变量， 将所述柔性传感器的应变片(2)输出的电阻变化(R1， R2， R3， R4， R5， R6)作为输入变量， 对所述柔性传感器施加不同受力， 获取至少1000 组相对应的输入变量数 据与输出变量数据作为样本训练数据集； 步骤S403： 以所述柔性传感器的柔性基底(1)的半球底面圆心处为原点建立笛卡尔坐标 系， 将所述至少1000组相对应的输入变量数据与输出变量数据输入到所述神经网络模型中 进行学习， 获得所述柔性传感器的半球底面中心处所受六维力与 应变片阻值Ri之间的映射 关系：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115096498 A 2(Fx， Fy， Fz， Mx， My， Mz)＝f(R1， R2， R3， R4， R5， R6) 其中： Fx， Fy， Fz分别为x、 y、 z轴方向的力， Mx， My， Mz分别为绕x、 y、 z轴的力矩， R1， R2， R3， R4， R5， R6分别为该受力情况下应变片的阻值大小， f()表示(Fx， Fy， Fz， Mx， My， Mz)与(R1， R2， R3， R4， R5， R6)之间的映射关系； 步骤S404： 对所述柔性传感器进行标定后， 通过测量所述柔性传感器的应变片(2)的电 阻， 利用训练所得的神经网络模型预测获得所述柔性传感器的半球底面中心处所 受的六维 力。 8.一种接触曲面法线方向的测量方法， 采用权利要求1 ‑5任一项所述的柔性传感器， 其 特征在于， 所述测量方法包括： 步骤T100： 当柔性传感器与曲面接触并受力发生形变时， 通过数据采集电路测得所述柔 性传感器的应 变片电阻值Ri； 步骤T200： 根据所述柔性传感器的半球底面中心处所受的六 维力与应变片阻值Ri之间所 建立的函数关系(Fx， Fy， Fz， Mx， My， Mz)＝f(R1， R2， R3， R4， R5， R6)， 计算得到所述柔性传感器的 半球底面中心处所受六维力 信息； 步骤T300： 利用所测六维力 信息， 计算得到 接触曲面接触处的法线方向。 9.根据权利 要求8所述的接触曲面法线方向的测量方法， 其特征在于， 在步骤T300中， 所 述计算得到 接触曲面接触处的法线方向的具体 计算过程包括： 步骤T301： 求取所述柔性传感器的半球底面法线方向所受合力和接触点H在r轴上的坐 标rH的计算公式； 当接触曲面的曲率半径大于所述柔性传感器的曲率半径时， 接触面采用平面α 近似， 未 施加力时为平面α1， 施加力后平面移动至α2， 未受力时接触点为P， 施加力F后 柔性传感器发 生变形， 接触点移动至 H点， 则有： rH＝R sinθ‑dt cosθ ＝g(Fx， Fy， Fz， Mx， My， Mz) 其中， Fz为所述柔性传感器的半球底面法线方向所受合力， Fr为Fx与Fy的合力， rH为H点 在r轴上的坐标值， θ为接触面法线方向与所述柔性传感器的半球底面法线方向之间夹角， dn为所述柔性传感器沿接触面的法 向变形， dt为所述柔性传感器沿接触面的切向变形， E为 所述柔性传感器的杨氏模量。 步骤T302： 利用有限元仿真， 模拟所述柔性传感器的不同受力变形情况， 获得至少1000 组相对应的所述柔性传感器的半球底面中心处所受六维力(Fx， Fy， Fz， Mx， My， Mz)和接触点H 在r轴上的坐标rH； 步骤T303： 将所述至少1000组数据作为训练样本数据集， 利用神经网络对其进行学习， 拟合得到关系式： rH＝g(Fx， Fy， Fz， Mx， My， Mz) 步骤T304： 利用所测得的六维力信息， 计算得到接触曲面的法线方向与所述柔性传感器 的半球底面法线方向之间的夹角 θ， 实现对接触曲面的法线方向的测量。权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115096498 A 3