機器人多感知技術(shù)觸覺教學

2024/11/5河北工業(yè)大學機械學院1第一章觸覺、滑覺傳感器及人工皮膚觸覺

觸覺傳感器采用的原理：用彈性機械觸點和壓阻硅橡膠制成的觸覺傳感器是最早的觸覺模型，利用受壓變形的介質(zhì)引起兩端電極電容變化的原理；利用可視彈性膜與物體接觸引起成像的原理；各種壓電材料(PVDF、PZT等)受壓后引起電荷變化的原理；

注：PVDF－poly(vinylidenefluoride)聚偏二氟乙烯PZT－piezoecectric是壓電的，壓電陶瓷：鋯鈦酸鉛(PbZrTiO3)在有噪聲激勵的膜片上放置感壓膜，當物體作用于感壓膜表面時，聲阻抗發(fā)生變化的原理等。2024/11/5河北工業(yè)大學機械學院2第一章觸覺、滑覺傳感器及人工皮膚觸覺觸覺發(fā)展的基礎(chǔ)：在制作工藝上也有很大的改進：利用半導(dǎo)體集成工藝，采樣電路ASIC化、感壓源信號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的抗干擾能力，ASIC化采樣電路使外接引線大大減少。

注：ASIC－(ApplicationSpecificIntergratedCircuits)專用集成電路新材料：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。注：CSA－碳氈技術(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。2024/11/5河北工業(yè)大學機械學院31.1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獲得的信息來實現(xiàn)的。2024/11/5河北工業(yè)大學機械學院41.1觸覺傳感器的一般要求在機器人觸覺敏感中，我們試圖仿效人體觸覺敏感系統(tǒng)的某些功能。為此．要求掌握人體觸覺敏感及其功能的知識，但是，不可能短期內(nèi)重現(xiàn)生物傳感器的功能。生物系統(tǒng)的存在和人自身的觸覺經(jīng)驗有助于發(fā)展機器人觸覺敏感。人體有兩種感覺系統(tǒng)能與外部物體接觸而產(chǎn)生反應(yīng)：(1)內(nèi)體感覺系統(tǒng)。該系統(tǒng)檢測諸如手足關(guān)節(jié)角、肌肉打張和肌肉拉緊等內(nèi)部參量。機器人通過這些參量間接地與外部物體接觸；(2)外體感覺系統(tǒng)。該系統(tǒng)出于皮膚表面溫度和形狀的改變而產(chǎn)生反應(yīng)，這些參量是直接接觸外部物體的結(jié)果。2024/11/5河北工業(yè)大學機械學院51.1觸覺傳感器的一般要求外體感覺傳感器系統(tǒng)的神經(jīng)末梢封閉在真皮和表皮層之間，它由許多特種神經(jīng)末梢構(gòu)成。皮膚能直接響應(yīng)接觸壓力、溫度和疼痛。2024/11/5河北工業(yè)大學機械學院61.1觸覺傳感器的一般要求除了疼痛信號外，當一個穩(wěn)定刺激的強度隨時間減小時，所有的神經(jīng)末梢呈現(xiàn)出適應(yīng)性。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，就不會感覺到水象開始時那樣冷，這是因為發(fā)出信號的神經(jīng)末梢對溫度已適應(yīng)。溫度由兩類傳感器傳遞，一類對“冷”起反應(yīng)，另一類則對“溫暖”產(chǎn)生反應(yīng)。使特定神經(jīng)纖維活化的激勵源是圍繞神經(jīng)未梢的隔膜，神經(jīng)未梢的形類似自由神經(jīng)末梢的裸神經(jīng)。如Merkel圓盤具有擴張尖端的未梢，或如Pacinian細胞之類的壓縮末梢——影響感受器響應(yīng)機械激勵源的動態(tài)范圍。影響機械感受器響應(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。2024/11/5河北工業(yè)大學機械學院71.1觸覺傳感器的一般要求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：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。2024/11/5河北工業(yè)大學機械學院81.1觸覺傳感器的一般要求1.1.2機器人觸覺傳感器應(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1~2mm，這種分辨率接近人指的分辨率(指人皮膚敏感分離兩點的距離為1mm)。

3)每個指尖有50~200個觸覺單元(即5×10，10×20陣列單元數(shù))。

4)觸元的力靈敏度小于0.05N，最好能達到0.01N左右。5)輸出動態(tài)范圍最好能達到1000：1。6)傳感器的穩(wěn)定性、重復(fù)性好，無滯后。7)輸出信號單值，線性度良好。8)輸出頻響100Hz~1kHz。2024/11/5河北工業(yè)大學機械學院91.1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開關(guān)式壓阻式壓電式光電式電容式電磁式其它2024/11/5河北工業(yè)大學機械學院101.2觸覺傳感器開關(guān)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器件。工業(yè)上利用小型開關(guān)陣列形成一種價廉的觸覺傳感器，外形大，空間分辨率低。二值陣列觸覺傳感器，嚴重地限制觸覺傳感器可提供的信息量。2024/11/5河北工業(yè)大學機械學院111.2觸覺傳感器開關(guān)氣動式觸覺傳感陣列2024/11/5河北工業(yè)大學機械學院121.2觸覺傳感器開關(guān)光電開關(guān)式觸覺傳感陣列2024/11/5河北工業(yè)大學機械學院131.3壓阻式陣列觸覺傳感器

對于陣列觸覺傳感器．人們最關(guān)心的是陣列數(shù)、陣列密度、靈敏度、柔軟性、強固性等技術(shù)指標。對于開關(guān)式觸覺傳感器，陣列密度難以提高。陣列數(shù)增加時外接引線也是一個很大的問題。利用敏感材料和硅工藝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，很難安裝到不同形狀的通用應(yīng)用載體(如手指)上。使用柔軟的壓阻敏感材料制作陣列觸覺傳感器是一個較好的途徑。2024/11/5河北工業(yè)大學機械學院141.3壓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器的基本結(jié)構(gòu)是由相互平行的電極構(gòu)成觸覺單元的外接引線，上(行)電極與下(列)電極相互垂直，壓阻材料放在中間，行列電極的交叉點定義為陣列觸覺的一個觸覺單元2024/11/5河北工業(yè)大學機械學院151.3壓阻式陣列觸覺傳感器

二、壓阻材料在壓阻式陣列觸覺傳感器中，最關(guān)鍵的構(gòu)件是敏感材料和電極。理想的敏感材料應(yīng)該是有高的壓力動態(tài)范圍，能承受較大的過載，有柔性，重復(fù)性好，最好線性，滯后小，耐疲勞。該領(lǐng)域的專家一方面探索開發(fā)新的敏感材料，另一方面在信號處理上下功夫，取得了一些有一定實用價值的成果。各向異性壓阻材料的應(yīng)用也受到很大的重視，如敏感材料在z方向有壓阻變化特性，在x、y方向則無論受壓與否，均有較大的阻值。2024/11/5河北工業(yè)大學機械學院161.3壓阻式陣列觸覺傳感器碳氈（CSA）是一種滲碳的纖維材料，小壓力時，阻值變化較大，所以，用它制作的傳感器很靈敏，過載能力強，其缺點是有遲滯，線性差。導(dǎo)電橡膠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應(yīng)電極的區(qū)域進行導(dǎo)電粒子的滲透、形成陣列導(dǎo)電橡膠單元，對應(yīng)的觸覺單元電極置于正下方。當單元受壓時，電極兩端的電阻隨壓力的變化而變化。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的，如用導(dǎo)電橡膠導(dǎo)線或PET板制作。注：PET（EthyleneTerephthalare）聚對苯二甲酸乙二醇酯2024/11/5河北工業(yè)大學機械學院171.3壓阻式陣列觸覺傳感器三、采樣電路觸元的觸覺性能將通過該觸元上下電極間的觸元阻值反映。陣列觸覺采用行、列電極的結(jié)構(gòu)形式，其目的是為了減少傳感器的外接引線。觸元電阻是行、列并聯(lián)的，引入觸元間相互耦合的串擾噪聲。2024/11/5河北工業(yè)大學機械學院181.3壓阻式陣列觸覺傳感器解決干擾噪聲的方法每觸覺單元單獨引線。外接引線多利用硅工藝對觸覺單元預(yù)處理集成，集成電路與傳感器一體化。成本較高、缺乏柔性。電壓鏡法。制作復(fù)雜，柔性差。在電極制作中，設(shè)法使每個陣列電阻串入一個二極管，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。2024/11/5河北工業(yè)大學機械學院191.3壓阻式陣列觸覺傳感器改進的電壓鏡法。與第三種方法類似，即原非選中行列的電壓反饋改為直接接地，被選行接參考電壓，被選列直接讀出電壓值(不接參考電阻)。反之，被選列接參考電壓，被選行讀出輸出電壓。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電阻值。顯然，同樣情況下，該方法與前一方法比，單幀觸覺團像的采樣時間要增加一倍。2024/11/5河北工業(yè)大學機械學院201.3壓阻式陣列觸覺傳感器上面幾種掃描采樣電路的一個共同點：每次只掃描一個觸覺單元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、A／D采樣保持、轉(zhuǎn)換等因壓阻陣列有一定的容性負載，電路穩(wěn)定的時間占較大比重所以引對單觸元掃描的方法，其觸覺圖像的采集速度會受到很大限制，尤其當觸覺的陣列數(shù)增加時。根據(jù)經(jīng)驗，一幀16×16壓阻陣列觸覺圖像的采集，即使選用高速A／D，觸覺傳感器的頻響也難以超過50Hz，況且隨著陣列數(shù)的增加頻響會更低。2024/11/5河北工業(yè)大學機械學院211.3壓阻式陣列觸覺傳感器行掃描采樣法為提高掃描采樣速度，右圖給出了行掃描采樣法，圖中陣列數(shù)為n×n，每次掃描一行，從而大大提高了單幀觸覺圖像的讀出速度，為整個觸覺系統(tǒng)的實時性打下硬件基礎(chǔ)。在提高觸覺采樣速度的同時，同樣較好地解決了行列間的串擾噪聲問題。2024/11/5河北工業(yè)大學機械學院221.4光學式觸覺傳感器利用破壞全內(nèi)反射原理的觸覺傳感器空氣的折射率約為1，而有機玻璃(聚甲基丙烯酸甲酪)的折射率約1.5。光從光密媒質(zhì)向光疏媒質(zhì)傳播時發(fā)生全內(nèi)反射，并在大于臨界角處照射到兩種介質(zhì)的界面上。光波導(dǎo)表面跟外部物體接觸時，接觸點處全內(nèi)反射被破壞，光從光波導(dǎo)相反一側(cè)出射。2024/11/5河北工業(yè)大學機械學院231.4光學式觸覺傳感器從光波導(dǎo)背面出射的光可由照相機、光電二極管陣列(CCD)等設(shè)備檢測，或者通過光纖傳播。2024/11/5河北工業(yè)大學機械學院241.4光學式觸覺傳感器這類光學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2024/11/5河北工業(yè)大學機械學院251.5其它類型的觸覺傳感器

一、壓電觸覺傳感器機器人用壓電式觸覺傳感器最常用的壓電材料是PVDF膜。壓電陣列傳感器也存在引線問題，采用集成電路的形式。分辨率高（0.6mm）；線形良好（0.008~0.6N）；頻響為33Hz；信號采集前對觸覺單元頸充電和引線細化較好地解決了信號的不穩(wěn)定性(隨機件)和交叉干擾噪聲。2024/11/5河北工業(yè)大學機械學院261.5其它類型的觸覺傳感器由于PVDF膜具有良好的壓電和熱釋電性，又有很好的柔順性及綜合力學性能，目前被認為是最好的制作機器人觸覺傳感器的敏感材料。近來已有人用其研制模仿人類皮膚的人工觸覺(有熱覺、觸覺、痛覺等多種復(fù)合感覺)。2024/11/5河北工業(yè)大學