1機(jī)器人多感知技術(shù)觸覺0

1、10/22/2021河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院1第一章第一章 觸覺、滑覺傳感器及人工皮膚觸覺觸覺、滑覺傳感器及人工皮膚觸覺n機(jī)器人觸覺在機(jī)器人感覺系統(tǒng)中占有非常重要的地位，它具有視覺等其他感覺無法實(shí)現(xiàn)的功能。視覺借助光的作用完成，當(dāng)光照受限制時(shí)，僅靠觸覺也能完成一些簡單的識(shí)別功能。n更為重要的是，觸覺還能感知物體的表面特征和物理性能，如柔軟性、硬度、彈性、粗糙度、材質(zhì)等，因此觸覺傳感器是機(jī)器人感覺系統(tǒng)中最重要的研究課題之一。n機(jī)器人觸覺的原型是模仿人的觸覺功能，通過觸覺傳感器與被識(shí)物體相接觸或相互作用來完成對(duì)物體表面特征和物理性能的感知。10/22/2021河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院2第一章第一章 觸覺、

2、滑覺傳感器及人工皮膚觸覺觸覺、滑覺傳感器及人工皮膚觸覺 觸覺傳感器采用的原理：n用彈性機(jī)械觸點(diǎn)和壓阻硅橡膠制成的觸覺傳感器是最早的觸覺模型，n利用受壓變形的介質(zhì)引起兩端電極電容變化的原理；n利用可視彈性膜與物體接觸引起成像的原理；n各種壓電材料(pvdf、pzt等)受壓后引起電荷變化的原理； 注： pvdfpoly(vinylidene fluoride)聚偏二氟乙烯 pzt piezoecectric是壓電的，壓電陶瓷：鋯鈦酸鉛(pbzrtio3) n在有噪聲激勵(lì)的膜片上放置感壓膜，當(dāng)物體作用于感壓膜表面時(shí)，聲阻抗發(fā)生變化的原理等。10/22/2021河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院3第一章第一章 觸覺

3、、滑覺傳感器及人工皮膚觸覺觸覺、滑覺傳感器及人工皮膚觸覺n 觸覺發(fā)展的基礎(chǔ)：n在制作工藝上也有很大的改進(jìn)：利用半導(dǎo)體集成工藝，采樣電路asic化、感壓源信號(hào)直接與制作在底板上的mosfet（場效應(yīng)晶體管）相聯(lián)以獲得高的輸人阻抗和較強(qiáng)的抗干擾能力，asic化采樣電路使外接引線大大減少。 注：asic (application specific intergrated circuits)專用集成電路n新材料：各向異性的壓阻材料如csa、fsr等使得壓阻型觸覺傳感器的研究出現(xiàn)了勃勃生機(jī)。 注： csa碳?xì)謓技術(shù)：微電子技術(shù)的發(fā)展，制造了高速的觸覺采樣與控制電路，使觸覺圖像的采集與視頻速率同步。10/

4、22/2021河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院41.1 觸覺傳感器的一般要求觸覺傳感器的一般要求1.1.1 人體觸覺敏感 人的手有易抓住物體、操縱物體和確定物體的許多物理特性。 這些功能都是通過感覺特別是觸覺觸覺獲得的信息來實(shí)現(xiàn)的。10/22/2021河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院51.1 觸覺傳感器的一般要求觸覺傳感器的一般要求10/22/2021河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院61.1 觸覺傳感器的一般要求觸覺傳感器的一般要求n外體感覺傳感外體感覺傳感器系統(tǒng)的神經(jīng)器系統(tǒng)的神經(jīng)末梢封閉在真末梢封閉在真皮和表皮層之皮和表皮層之間，它由許多間，它由許多特種神經(jīng)末梢特種神經(jīng)末梢構(gòu)成。構(gòu)成。n皮膚能直接響皮膚能直接響應(yīng)接觸壓力、應(yīng)接

5、觸壓力、溫度和疼痛。溫度和疼痛。10/22/2021河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院71.1 觸覺傳感器的一般要求觸覺傳感器的一般要求n除了疼痛信號(hào)外，當(dāng)一個(gè)穩(wěn)定刺激的強(qiáng)度隨時(shí)間減小時(shí)，除了疼痛信號(hào)外，當(dāng)一個(gè)穩(wěn)定刺激的強(qiáng)度隨時(shí)間減小時(shí)，所有的神經(jīng)末梢呈現(xiàn)出適應(yīng)性。所有的神經(jīng)末梢呈現(xiàn)出適應(yīng)性。n適應(yīng)性的精確率影響每種感應(yīng)器的頻率響應(yīng)。在冷水中浸適應(yīng)性的精確率影響每種感應(yīng)器的頻率響應(yīng)。在冷水中浸泡幾分鐘后，就不會(huì)感覺到水象開始時(shí)那樣冷，這是因?yàn)榕輲追昼姾?，就不?huì)感覺到水象開始時(shí)那樣冷，這是因?yàn)榘l(fā)出信號(hào)的神經(jīng)末梢對(duì)溫度已適應(yīng)。溫度由兩類傳感器傳發(fā)出信號(hào)的神經(jīng)末梢對(duì)溫度已適應(yīng)。溫度由兩類傳感器傳遞，一類對(duì)遞，一類

6、對(duì)“冷冷”起反應(yīng)，另一類則對(duì)起反應(yīng)，另一類則對(duì)“溫暖溫暖”產(chǎn)生反應(yīng)。產(chǎn)生反應(yīng)。n使特定神經(jīng)纖維活化的激勵(lì)源是圍繞神經(jīng)未梢的隔膜，神使特定神經(jīng)纖維活化的激勵(lì)源是圍繞神經(jīng)未梢的隔膜，神經(jīng)經(jīng)未梢的形類似自由神經(jīng)末梢的裸神經(jīng)。如未梢的形類似自由神經(jīng)末梢的裸神經(jīng)。如merkel圓盤具圓盤具有擴(kuò)張尖端的未梢，或如有擴(kuò)張尖端的未梢，或如pacinian細(xì)胞之類的壓縮末梢細(xì)胞之類的壓縮末梢影響感受器響應(yīng)機(jī)械激勵(lì)源的動(dòng)態(tài)范圍。影響機(jī)械感受影響感受器響應(yīng)機(jī)械激勵(lì)源的動(dòng)態(tài)范圍。影響機(jī)械感受器響應(yīng)的另一因素是神經(jīng)末梢接觸周圍組織結(jié)構(gòu)的方式。器響應(yīng)的另一因素是神經(jīng)末梢接觸周圍組織結(jié)構(gòu)的方式。10/22/2021河北工業(yè)

7、大學(xué)機(jī)械學(xué)院81.1 觸覺傳感器的一般要求觸覺傳感器的一般要求n覆蓋皮膚表面的人體毛發(fā)，除能保持人體熱量外，還有接近傳感器的功能：n毛發(fā)的觸覺極敏感，通過它可檢測位移的微小變化，借助毛發(fā)腺胞周圍的神經(jīng)末梢網(wǎng)絡(luò)還可傳遞信號(hào)。10/22/2021河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院91.1 觸覺傳感器的一般要求觸覺傳感器的一般要求1.1.2 機(jī)器人觸覺傳感器應(yīng)具備如下基本特征： 1) 傳感器有很好的順應(yīng)件，并且耐磨。 2) 空間分辨率為12mm，這種分辨率接近人指的分辨率(指人皮膚敏感分離兩點(diǎn)的距離為1mm)。 3) 每個(gè)指尖有50200個(gè)觸覺單元(即510，1020陣列單元數(shù))。 4) 觸元的力靈敏度小于0.0

8、5n，最好能達(dá)到0. 01n左右。 5) 輸出動(dòng)態(tài)范圍最好能達(dá)到1000：1。 6) 傳感器的穩(wěn)定性、重復(fù)性好，無滯后。 7) 輸出信號(hào)單值，線性度良好。 8) 輸出頻響100hz1khz。10/22/2021河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院101.1 觸覺傳感器的一般要求觸覺傳感器的一般要求觸覺傳感器按傳感原理基本上可以分為觸覺傳感器按傳感原理基本上可以分為n開關(guān)式開關(guān)式n壓阻式壓阻式n壓電式壓電式n光電式光電式n電容式電容式n電磁式電磁式n其它其它10/22/2021河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院111.2 觸覺傳感器開關(guān)觸覺傳感器開關(guān)n開關(guān)是用于檢測物體是否存在的一種最簡單的觸覺制動(dòng)器件。n工業(yè)上利用小型開關(guān)

9、陣列形成一種價(jià)廉的觸覺傳感器，外形大，空間分辨率低。n二值陣列觸覺傳感器，嚴(yán)重地限制觸覺傳感器可提供的信息量。10/22/2021河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院121.2 觸覺傳感器開關(guān)觸覺傳感器開關(guān)n氣動(dòng)式觸覺傳感陣列10/22/2021河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院131.2 觸覺傳感器開關(guān)觸覺傳感器開關(guān)n光電開關(guān)式觸覺傳感陣列10/22/2021河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院141.3 壓阻式陣列觸覺傳感器壓阻式陣列觸覺傳感器 對(duì)于陣列觸覺傳感器人們最關(guān)心的是對(duì)于陣列觸覺傳感器人們最關(guān)心的是陣列數(shù)陣列數(shù)、陣列密陣列密度度、靈敏度靈敏度、柔軟性柔軟性、強(qiáng)固性強(qiáng)固性等技術(shù)指標(biāo)。等技術(shù)指標(biāo)。對(duì)于對(duì)于開關(guān)式觸覺傳感器開關(guān)式觸

10、覺傳感器，陣列密度難以提高。陣列數(shù)增加，陣列密度難以提高。陣列數(shù)增加時(shí)時(shí)外接引線外接引線也是一個(gè)很大的問題。也是一個(gè)很大的問題。利用利用敏感材料和和硅工藝制作的陣列觸覺可使陣列數(shù)及陣列制作的陣列觸覺可使陣列數(shù)及陣列密度得到很大提高，并可減少外接引線，但缺乏應(yīng)有的柔性，密度得到很大提高，并可減少外接引線，但缺乏應(yīng)有的柔性，很難安裝到不同形狀的通用應(yīng)用載體很難安裝到不同形狀的通用應(yīng)用載體(如手指如手指)上。上。使用柔軟的壓阻敏感材料制作陣列觸覺傳感器是一個(gè)較好使用柔軟的壓阻敏感材料制作陣列觸覺傳感器是一個(gè)較好的途徑。的途徑。10/22/2021河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院151.3 壓阻式陣列觸覺傳感器壓

11、阻式陣列觸覺傳感器一、傳感器結(jié)構(gòu)壓阻式陣列觸覺傳感壓阻式陣列觸覺傳感器器的基本結(jié)構(gòu)是由相互的基本結(jié)構(gòu)是由相互平行的電極構(gòu)成觸覺單平行的電極構(gòu)成觸覺單元的外接引線，上元的外接引線，上(行行)電極與下電極與下(列列)電極相互電極相互垂直，壓阻材料放在中垂直，壓阻材料放在中間，間，行列電極的交叉點(diǎn)行列電極的交叉點(diǎn)定義為陣列觸覺的一個(gè)定義為陣列觸覺的一個(gè)觸覺單元觸覺單元10/22/2021河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院161.3 壓阻式陣列觸覺傳感器壓阻式陣列觸覺傳感器 二、壓阻材料二、壓阻材料 在壓阻式陣列觸覺傳感器中，最關(guān)鍵的構(gòu)件是在壓阻式陣列觸覺傳感器中，最關(guān)鍵的構(gòu)件是敏感材料敏感材料和和電極電極。 理想

12、的敏感材料應(yīng)該是有高的理想的敏感材料應(yīng)該是有高的壓力動(dòng)態(tài)范圍壓力動(dòng)態(tài)范圍，能承受較，能承受較大的大的過載過載，有，有柔性柔性，重復(fù)性重復(fù)性好，好，最好線性最好線性，滯后滯后小，耐小，耐疲疲勞勞。該領(lǐng)域的專家一方面探索開發(fā)新的敏感材料，另一方面在該領(lǐng)域的專家一方面探索開發(fā)新的敏感材料，另一方面在信號(hào)處理上下功夫，取得了一些有一定實(shí)用價(jià)值的成果。信號(hào)處理上下功夫，取得了一些有一定實(shí)用價(jià)值的成果。各向異性壓阻材料各向異性壓阻材料的應(yīng)用也受到很大的重視，如敏感材料的應(yīng)用也受到很大的重視，如敏感材料在在z方向有壓阻變化特性，在方向有壓阻變化特性，在x、y方向則無論受壓與否，均方向則無論受壓與否，均有較大

13、的阻值。有較大的阻值。10/22/2021河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院171.3 壓阻式陣列觸覺傳感器壓阻式陣列觸覺傳感器n碳?xì)郑ㄌ細(xì)郑╟sa）是一種滲碳的纖維材料，是一種滲碳的纖維材料，小壓力時(shí)，阻值變化較大，所以，用小壓力時(shí)，阻值變化較大，所以，用它制作的傳感器很靈敏，過載能力強(qiáng)，它制作的傳感器很靈敏，過載能力強(qiáng)，其缺點(diǎn)是有遲滯，線性差。其缺點(diǎn)是有遲滯，線性差。n導(dǎo)電橡膠導(dǎo)電橡膠也常用作觸覺傳感器的敏感也常用作觸覺傳感器的敏感材料，如在硅橡膠上有選擇性地在對(duì)材料，如在硅橡膠上有選擇性地在對(duì)應(yīng)電極的區(qū)域進(jìn)行導(dǎo)電粒子的滲透、應(yīng)電極的區(qū)域進(jìn)行導(dǎo)電粒子的滲透、形成陣列導(dǎo)電橡膠單元，對(duì)應(yīng)的觸覺形成陣列導(dǎo)電橡

14、膠單元，對(duì)應(yīng)的觸覺單元電極置于正下方。當(dāng)單元受壓時(shí)，單元電極置于正下方。當(dāng)單元受壓時(shí)，電極兩端的電阻隨壓力的變化而變化。電極兩端的電阻隨壓力的變化而變化。n為了得到柔軟的觸覺傳感器，其上層為了得到柔軟的觸覺傳感器，其上層壓阻陣列觸覺的陣列電極必須是柔軟壓阻陣列觸覺的陣列電極必須是柔軟的，如用導(dǎo)電橡膠導(dǎo)線或的，如用導(dǎo)電橡膠導(dǎo)線或pet板制作。板制作。注：注：pet（ethylene terephthalare）聚對(duì)苯二）聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯甲酸乙二醇酯10/22/2021河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院181.3 壓阻式陣列觸覺傳感器壓阻式陣列觸覺傳感器10/22/2021河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院191.3 壓

15、阻式陣列觸覺傳感器壓阻式陣列觸覺傳感器解決干擾噪聲的方法1. 每觸覺單元單獨(dú)引線每觸覺單元單獨(dú)引線。外接引線多2. 利用硅工藝對(duì)觸覺單元預(yù)處理集成，集成電路與傳感器一利用硅工藝對(duì)觸覺單元預(yù)處理集成，集成電路與傳感器一體化體化。成本較高、缺乏柔性。3. 電壓鏡法電壓鏡法。制作復(fù)雜，柔性差。 在電極制作中，設(shè)法使每個(gè) 陣列電阻串入一個(gè)二極管，阻 斷干擾電流的回路，需要在底 層電極集成一組二極管。 電子模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻導(dǎo) 致電路測量精度下降。10/22/2021河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院201.3 壓阻式陣列觸覺傳感器壓阻式陣列觸覺傳感器4.改進(jìn)的電壓鏡法。改進(jìn)的電壓鏡法。與第三種方法類似，即原非與第三

16、種方法類似，即原非選中行列的電壓反饋改為直接選中行列的電壓反饋改為直接接地，被選行接參考電壓，被接地，被選行接參考電壓，被選列直接讀出電壓值選列直接讀出電壓值(不接參不接參考電阻考電阻)。反之，被選列接參。反之，被選列接參考電壓，被選行讀出輸出電壓?？茧妷?，被選行讀出輸出電壓。根據(jù)這一種選通方式得到的參根據(jù)這一種選通方式得到的參數(shù)可聯(lián)合求解被選觸覺單元的數(shù)可聯(lián)合求解被選觸覺單元的電阻值。電阻值。顯然，同樣情況下，該方法顯然，同樣情況下，該方法與前一方法比，單幀觸覺團(tuán)像與前一方法比，單幀觸覺團(tuán)像的采樣時(shí)間要增加一倍。的采樣時(shí)間要增加一倍。10/22/2021河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院211.3 壓阻式

17、陣列觸覺傳感器壓阻式陣列觸覺傳感器上面幾種掃描采樣電路的一個(gè)共同點(diǎn)：a.每次只掃描一個(gè)觸覺單元b.每一觸覺單元阻值的采樣均要經(jīng)過模擬升關(guān)選通、電路穩(wěn)定、ad采樣保持、轉(zhuǎn)換等c.因壓阻陣列有一定的容性負(fù)載，電路穩(wěn)定的時(shí)間占較大比重所以引對(duì)單觸元掃描的方法，其觸覺圖像的采集速度會(huì)受所以引對(duì)單觸元掃描的方法，其觸覺圖像的采集速度會(huì)受到很大限制，尤其當(dāng)觸覺的陣列數(shù)增加時(shí)。到很大限制，尤其當(dāng)觸覺的陣列數(shù)增加時(shí)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一幀根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一幀1616壓阻陣列觸覺圖像的采集，即使選壓阻陣列觸覺圖像的采集，即使選用高速用高速ad，觸覺傳感器的頻響也難以超過，觸覺傳感器的頻響也難以超過50hz，況且隨，況且隨著陣

18、列數(shù)的增加頻響會(huì)更低。著陣列數(shù)的增加頻響會(huì)更低。10/22/2021河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院221.3 壓阻式陣列觸覺傳感器壓阻式陣列觸覺傳感器5.行掃描采樣法行掃描采樣法為提高掃描采樣速度，為提高掃描采樣速度，右圖給出了行掃描采樣右圖給出了行掃描采樣法，法，圖中陣列數(shù)為圖中陣列數(shù)為nn，每，每次掃描一行，從而大大次掃描一行，從而大大提高了單幀觸覺圖像的提高了單幀觸覺圖像的讀出速度，為整個(gè)觸覺讀出速度，為整個(gè)觸覺系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性打下硬件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性打下硬件基礎(chǔ)?；A(chǔ)。在提高觸覺采樣速度的在提高觸覺采樣速度的同時(shí)，同樣較好地解決同時(shí)，同樣較好地解決了行列間的串?dāng)_噪聲問了行列間的串?dāng)_噪聲問題。題。10/2

19、2/2021河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院231.4 光學(xué)式觸覺傳感器光學(xué)式觸覺傳感器利用破壞全內(nèi)反射原理的觸利用破壞全內(nèi)反射原理的觸覺傳感器覺傳感器n空氣的折射率約為空氣的折射率約為1，而有，而有機(jī)玻璃機(jī)玻璃(聚甲基丙烯酸甲酪聚甲基丙烯酸甲酪)的折射率約的折射率約1.5。n光從光密媒質(zhì)向光疏媒質(zhì)傳光從光密媒質(zhì)向光疏媒質(zhì)傳播時(shí)發(fā)生全內(nèi)反射，并在大播時(shí)發(fā)生全內(nèi)反射，并在大于臨界角處照射到兩種介質(zhì)于臨界角處照射到兩種介質(zhì)的界面上。的界面上。n光波導(dǎo)表面跟外部物體接觸光波導(dǎo)表面跟外部物體接觸時(shí)，接觸點(diǎn)處全內(nèi)反射被破時(shí)，接觸點(diǎn)處全內(nèi)反射被破壞，光從光波導(dǎo)相反一側(cè)出壞，光從光波導(dǎo)相反一側(cè)出射。射。10/22/20

20、21河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院241.4 光學(xué)式觸覺傳感器光學(xué)式觸覺傳感器從光波導(dǎo)背面出射的光可由照相機(jī)、光電二極管陣列從光波導(dǎo)背面出射的光可由照相機(jī)、光電二極管陣列(ccd) 等設(shè)備檢測，或者通過光纖傳播。等設(shè)備檢測，或者通過光纖傳播。10/22/2021河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院251.4 光學(xué)式觸覺傳感器光學(xué)式觸覺傳感器這類光學(xué)觸覺傳感器同樣可用反射橡皮材料制成敏感剪切這類光學(xué)觸覺傳感器同樣可用反射橡皮材料制成敏感剪切力的傳感器力的傳感器10/22/2021河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院261.5 其它類型的觸覺傳感器其它類型的觸覺傳感器 一、壓電觸覺傳感器一、壓電觸覺傳感器機(jī)器人用壓電式觸覺傳感器機(jī)器人用壓電式觸覺傳感器最常用的壓電材料是最常用的壓電材料是pvdf膜。膜。壓電陣列傳感器也存在引線壓電陣列傳感器也存在引線問題，采用集成電路的形式。問題，采用集成電路的形式。n分辨率高（分辨率高（0.6mm）；）；n線形良好（線形良好（0.0080.6n）；）；n頻響為頻響為33hz；n信號(hào)采集前對(duì)觸覺單元頸充信號(hào)采集前對(duì)觸覺單元頸充電和引線細(xì)化較好地解決了信電和引線細(xì)化較好地解決了信號(hào)的不穩(wěn)定