一种基于温度的智能皮肤力触觉信息标定方法与流程

本申请属于智能皮肤传感器标定技术领域，特别涉及一种基于温度的智能皮肤力触觉信息标定方法。

背景技术：

皮肤感觉是由皮肤感受器官所产生的感觉，包括触觉、压觉、振动觉、温度觉等。人的皮肤感觉其中的神经感受器有触压传感器等多传感器，来感知皮肤接触环境的状态。

人体的每个部分都具有独特的颜色和形状，肢体残缺或部分身体皮肤残缺后，需要在视觉上和功能上对残缺的身体进行弥补。装饰型人造皮肤可以恢复外观，使残缺的身体变得更加完整和自然。

目前比较常见的用于形象美体功能的人造皮肤类产品多由硅胶制成，其内部可以带有填充物，使皮肤细腻、真实、柔软，可以用于身体残缺者人群。这类人造皮肤虽然可以实现形象美体功能，有些还可以在残疾人士抓握过程中起到支撑作用，但它们不具有环境感知能力，或感知信息不够精确，无法替代人类皮肤的功能。

技术实现要素：

本申请提供了一种基于温度的智能皮肤力触觉信息标定方法，旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。

为了解决上述问题，本申请提供了如下技术方案：

一种基于温度的智能皮肤力触觉信息标定方法，所述智能皮肤包括智能皮肤本体以及以真空方式埋在智能皮肤本体内部的力触觉传感器阵列、温度传感器阵列、信息采集与处理单元；所述基于温度的智能皮肤力触觉信息标定方法包括以下步骤：

步骤a：将所述智能皮肤置于真空环境中；

步骤b：在不同温度下，记录所述信息采集与处理单元采集的在没有外界压力条件下的力触觉传感器阵列的压力输出值，根据所述压力输出值分析不同温度下力触觉传感器阵列的零位漂移以及传感器噪声；

步骤c：在不同温度下，以相同的时间间隔，对所述智能皮肤施加按照一定规律增加、分布均匀的负荷，并同步记录各个时刻内力触觉传感器阵列及温度传感器阵列输出的信息，统计所述力触觉传感器阵列及温度传感器阵列的信号变化，直到力触觉传感器阵列输出饱和；

步骤d：以相同的时间间隔按照一定规律变化逐渐减少对智能皮肤施加分布均匀的负荷，并同步记录各个时刻内力触觉传感器阵列及温度传感器阵列输出的信息，分析不同温度条件下力触觉传感器阵列阶跃响应，直到所述力触觉传感器阵列输出为零；

步骤e：重复执行所述步骤b至步骤d，记录不同时刻内力触觉传感器阵列及温度传感器阵列的输出信息，分析不同温度下，所述力触觉传感器阵列输出压力与实际压力之间的作用关系，并将分析结果存储于所述信息采集与处理单元中；

步骤f：使用智能皮肤时，根据所述信息采集与处理单元中存储的分析结果对力触觉信息进行标校。

本申请实施例采取的技术方案还包括：在所述步骤e中，所述力触觉传感器阵列输出压力与实际压力之间的关系为：所述力触觉传感器输出压力yout是环境温度t、实际输入压力yin的函数，并受不同温度下传感器噪声n、零位漂移yo参数的影响，其函数关系为：

yout＝f(yin,t)+n(t)+yo(t)

上述公式中，f(yin,t)是与输入压力、环境有关的非线性函数。

相对于现有技术，本申请实施例基于温度的智能皮肤力触觉信息标定方法通过将力触觉传感器及温度传感器内置于智能皮肤内，可以智能感知接触环境的力触觉及温度信息，并保证了智能皮肤的自然、美观；并根据温度信息对力触觉信息进行在线标定，提高了力触觉信息环境感知的精确度；同时，本申请扩大了智能皮肤的使用范围，可广泛地用于肢体残疾患者的肢体皮肤功能替换、虚拟现实场景中可感知周围环境的可穿戴设备、智能机器人外层皮肤等多个其他相关场合。

附图说明

图1是本申请实施例的智能皮肤的结构示意图；

图2为本申请实施例的智能皮肤的信号流向示意图；

图3为本申请实施例的基于温度的智能皮肤力触觉信息标定方法的流程图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

请参阅图1，是本申请实施例的智能皮肤的结构示意图。本申请实施例的智能皮肤包括智能皮肤本体1、力触觉传感器阵列11、温度传感器阵列12、信息采集与处理单元13和其他处理单元2；其中，智能皮肤本体1采用橡胶、硅胶等材料制作而成，力触觉传感器阵列11、温度传感器阵列12以及信息采集与处理单元13分别安装在电路板(刚性或柔性)上，并内置(包裹或覆盖)于智能皮肤本体1内部。力触觉传感器阵列11用于在智能皮肤本体1接触外部环境时监测出皮肤接触环境或物体给皮肤施加的力触觉信息；温度传感器阵列12用于在智能皮肤本体1接触外部环境或物体时监测出皮肤接触环境或物体的温度信息；信息采集与处理单元13用于对力触觉传感器阵列11和温度传感器阵列12监测到的力触觉信息和温度信息进行实时采集，根据采集的温度信息对力触觉信息进行实时标定，提高力触觉信息的准确度，并将标定处理后的力触觉信息和温度信息传递给其他处理单元2。其他处理单元2位于智能皮肤本体1的外部，用于对信息采集与处理单元13传递的力触觉信息和温度信息进行处理及分析，获取智能皮肤本体1不同点感知到的力触觉和温度信息。

请参阅图2，为本申请实施例的智能皮肤的信号流向示意图。本申请实施例中，力触觉传感器阵列11优选为气压传感器阵列，其包括力触觉传感器101、第一信号放大器102、第一模数转换器103和第一传输总线104；温度传感器阵列12包括温度传感器201、第二信号放大器202、第二模数转换器203和第二传输总线204；力触觉传感器101、第一信号放大器102、第一模数转换器103、第一传输总线104、温度传感器201、第二信号放大器202、第二模数转换器203、第二传输总线204分布在智能皮肤本体1中，力触觉传感器101和温度传感器201的数量分别为至少一个，且力触觉传感器101和温度传感器201可以任意分布规律进行分布，使智能皮肤具有一定灵敏度和空间分辨分布的力触觉及温度敏感能力。实际使用时，力触觉传感器阵列11中的力触觉传感器101实时监测外界的力触觉信息，温度传感器阵列12中的温度传感器201实时监测外界的温度信息，力触觉信息和温度信息分别经过第一信号放大器102和第二信号放大器202进行信号放大后，再分别经过第一模数转换器103和第二模数转换器203对放大信号进行转化，最后分别经过第一传输总线104和第二传输总线204传输至信息采集与处理单元13。

本申请实施例中，信息采集与处理单元13为柔性或其他容易嵌入智能皮肤的处理器单元，使佩戴智能皮肤的使用者几乎无法感觉出信息采集与处理单元的存在。信息采集与处理单元13可以是一个处理模块，也可是多个子处理单元，如果是多个子处理单元，则各个子处理单元之间可以通过总线方式进行连接。

本申请实施例中，信息采集与处理单元13将力触觉信息和温度信息传递给其他处理单元2的信息传递方式包括rs-485总线、rs-422总线、can总线等总线式方式，或以太网等无线方式。

本申请实施例中，力触觉传感器101和温度传感器201可以是单一传感器，也可以是多个传感器组成的传感器阵列，传感器阵列以一定的空间分辨率排布在智能皮肤上，可以使智能皮肤的多个位置分别感受到不同的力触觉和温度信息。

本申请实施例的智能皮肤的制作方法为：将力触觉传感器阵列11、温度传感器阵列12、信息采集与处理单元13与智能皮肤本体1的制作材料在真空环境中一起灌胶，以确保制作过程中智能皮肤本体1的制作材料和力触觉传感器阵列11、温度传感器阵列12以及信息采集与处理单元13之间不存在空气，在不破坏传感器内部结构的前提下，以大幅提高传感器阵列对智能皮肤接触环境压力变化的敏感性。

基于上述，由橡胶等材料包裹力触觉传感器阵列11及温度传感器阵列12灌胶形成智能皮肤后，由于材料制作过程的差异，每个智能皮肤对力触觉信息的敏感线性度会有一定差异，为了不影响智能皮肤的使用者对外界环境的敏感精度，在智能皮肤使用之前，需要根据温度传感器阵列12采集的温度信息对力触觉信息进行标定和校准。

请参阅图3，为本申请实施例的基于温度的智能皮肤力触觉信息标定方法的流程图。本申请实施例的基于温度的智能皮肤力触觉信息标定方法包括离线分析和在线标校两个阶段，具体包括以下步骤：

步骤100：离线分析阶段，首先将含有力触觉传感器阵列及温度传感器阵列的智能皮肤置于真空环境中；

步骤200：在不同温度下，重复记录多组信息采集与处理单元采集的在没有外界压力条件下的力触觉传感器阵列在不同温度下的压力输出值，根据压力输出值分析不同温度下力触觉传感器阵列的零位漂移以及传感器噪声；

步骤300：在不同的温度内，以相同的时间间隔，对智能皮肤施加按照一定规律增加、分布均匀的负荷，并同步记录各个时刻内力触觉传感器阵列及温度传感器阵列输出的信息，统计触觉传感器阵列及温度传感器阵列的信号变化，直到力触觉传感器阵列输出饱和；

步骤400：以相同的时间间隔按照一定规律变化逐渐减少对智能皮肤施加分布均匀的负荷，并同步记录各个时刻内力触觉传感器阵列及温度传感器阵列输出的信息，分析不同温度条件下力触觉传感器阶跃响应，直到力触觉传感器阵列输出为零；

步骤500：重复步骤200～步骤400执行加载和卸载过程多次，记录不同时刻内力触觉传感器阵列及温度传感器的阵列信息，分析力触觉传感器输出压力与实际压力之间的作用关系，并将分析结果存储于信息采集与处理单元中；

步骤500中，根据力触觉传感器特征，通常任一力触觉传感器输出压力yout是环境温度t、实际输入压力yin的函数，同时受不同温度下传感器噪声n、零位漂移yo等参数影响，其函数关系可以表示为：

yout＝f(yin,t)+n(t)+yo(t)(1)

公式(1)中，f(yin,t)是与输入压力、环境有关的非线性函数。

步骤600：在线标校阶段，正常使用时，信息采集与处理单元根据公式(1)的分析结果，实时根据采集到的温度信息对力触觉信息进行标校，提高力触觉传感器阵列对环境力触觉信息的敏感能力。

本申请实施例采用硅胶等坚固并柔顺的材料制成智能皮肤，可以真实地模拟人对环境的感知与操作，可用于模拟人类皮肤血管、关节、小皱纹、指甲等细节，自然美观；还可用于为肢体残疾患者制作功能替代假肢的外皮，或用于为身体残缺患者制作智能皮肤。本申请实施例的智能皮肤具有较好的机械强度和耐久性，结实耐用，不容易损坏，可以防止水分、污垢和灰尘进入智能皮肤包裹的部位，并且可以清洁，还可以根绝不同使用者的皮肤颜色选择智能皮肤的颜色。

与现有技术相比，本申请实施例的基于温度的智能皮肤力触觉信息标定方法可根据温度信息对力触觉信息进行在线标定，提高了力触觉信息环境感知的精确度；扩大了智能皮肤的使用范围，可广泛地用于肢体残疾患者的肢体皮肤功能替换、虚拟现实场景中可感知周围环境的可穿戴设备、智能机器人外层皮肤等多个其他相关场合。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本申请中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本申请所示的这些实施例，而是要符合与本申请所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。