机器人多感知技术-触觉

2021-4-23河北工业大学机械学院1 第 一 章 触 觉 、 滑 觉 传 感 器 及 人 工 皮 肤 触 觉n机器人触觉在机器人感觉系统中占有非常重要的地位，它具有视觉等其他感觉无法实现的功能。视觉借助光的作用完成，当光照受限制时，仅靠触觉也能完成一些简单的识别功能。n更为重要的是，触觉还能感知物体的表面特征和物理性能，如柔软性、硬度、弹性、粗糙度、材质等，因此触觉传感器是机器人感觉系统中最重要的研究课题之一。 n机器人触觉的原型是模仿人的触觉功能，通过触觉传感器与被识物体相接触或相互作用来完成对物体表面特征和物理性能的感知。 2021-4-23河北工业大学机械学院2 第 一 章 触 觉 、 滑 觉 传 感 器 及 人 工 皮 肤 触 觉 触觉传感器采用的原理：n用弹性机械触点和压阻硅橡胶制成的触觉传感器是最早的触觉模型，n利用受压变形的介质引起两端电极电容变化的原理；n利用可视弹性膜与物体接触引起成像的原理；n各种压电材料(PVDF、PZT等)受压后引起电荷变化的原理； 注： PVDFpoly(vinylidene fluoride)聚偏二氟乙烯 PZT piezoecectric是压电的，压电陶瓷：锆钛酸铅(PbZrTiO3) n在有噪声激励的膜片上放置感压膜，当物体作用于感压膜表面时，声阻抗发生变化的原理等。 2021-4-23河北工业大学机械学院3 第 一 章 触 觉 、 滑 觉 传 感 器 及 人 工 皮 肤 触 觉n 触觉发展的基础：n在制作工艺上也有很大的改进：利用半导体集成工艺，采样电路ASIC化、感压源信号直接与制作在底板上的MOSFET（场效应晶体管）相联以获得高的输人阻抗和较强的抗干扰能力，ASIC化采样电路使外接引线大大减少。 注：ASIC (Application Specific Intergrated Circuits)专用集成电路n新材料：各向异性的压阻材料如CSA、FSR等使得压阻型触觉传感器的研究出现了勃勃生机。 注： CSA碳毡 n技术：微电子技术的发展，制造了高速的触觉采样与控制电路，使触觉图像的采集与视频速率同步。 2021-4-23河北工业大学机械学院4 1.1 触 觉 传 感 器 的 一 般 要 求1.1.1 人体触觉敏感 人的手有易抓住物体、操纵物体和确定物体的许多物理特性。 这些功能都是通过感觉特别是触觉获得的信息来实现的。 2021-4-23河北工业大学机械学院5 1.1 触 觉 传 感 器 的 一 般 要 求 2021-4-23河北工业大学机械学院6 1.1 触 觉 传 感 器 的 一 般 要 求n外体感觉传感器系统的神经末梢封闭在真皮和表皮层之间，它由许多特种神经末梢构成。n皮肤能直接响应接触压力、温度和疼痛。 2021-4-23河北工业大学机械学院7 1.1 触 觉 传 感 器 的 一 般 要 求n除了疼痛信号外，当一个稳定刺激的强度随时间减小时，所有的神经末梢呈现出适应性。n适应性的精确率影响每种感应器的频率响应。在冷水中浸泡几分钟后，就不会感觉到水象开始时那样冷，这是因为发出信号的神经末梢对温度已适应。温度由两类传感器传递，一类对“冷”起反应，另一类则对“温暖”产生反应。n使特定神经纤维活化的激励源是围绕神经未梢的隔膜，神经未梢的形类似自由神经末梢的裸神经。如Merkel圆盘具有扩张尖端的未梢，或如Pacinian细胞之类的压缩末梢影响感受器响应机械激励源的动态范围。影响机械感受器响应的另一因素是神经末梢接触周围组织结构的方式。 2021-4-23河北工业大学机械学院8 1.1 触 觉 传 感 器 的 一 般 要 求n覆盖皮肤表面的人体毛发，除能保持人体热量外，还有接近传感器的功能：n毛发的触觉极敏感，通过它可检测位移的微小变化，借助毛发腺胞周围的神经末梢网络还可传递信号。 2021-4-23河北工业大学机械学院9 1.1 触 觉 传 感 器 的 一 般 要 求1.1.2 机器人触觉传感器应具备如下基本特征： 1) 传 感 器 有 很 好 的 顺 应 件 ， 并 且 耐 磨 。 2) 空 间 分 辨 率 为 12mm， 这 种 分 辨 率 接 近 人 指 的 分 辨 率(指 人 皮 肤 敏 感 分 离 两 点 的 距 离 为 1mm)。 3) 每 个 指 尖 有 50200个 触 觉 单 元 (即 5 10， 10 20阵 列单 元 数 )。 4) 触 元 的 力 灵 敏 度 小 于 0.05N， 最 好 能 达 到 0. 01N左 右 。 5) 输 出 动 态 范 围 最 好 能 达 到 1000： 1。 6) 传 感 器 的 稳 定 性 、 重 复 性 好 ， 无 滞 后 。 7) 输 出 信 号 单 值 ， 线 性 度 良 好 。 8) 输 出 频 响 100Hz1kHz。 2021-4-23河北工业大学机械学院10 1.1 触 觉 传 感 器 的 一 般 要 求触觉传感器按传感原理基本上可以分为n开关式n压阻式n压电式n光电式n电容式n电磁式 n其它 2021-4-23河北工业大学机械学院11 1.2 触 觉 传 感 器 开 关n开关是用于检测物体是否存在的一种最简单的触觉制动器件。n工业上利用小型开关阵列形成一种价廉的触觉传感器，外形大，空间分辨率低。n二值阵列触觉传感器，严重地限制触觉传感器可提供的信息量。 2021-4-23河北工业大学机械学院12 1.2 触 觉 传 感 器 开 关n气动式触觉传感阵列 2021-4-23河北工业大学机械学院13 1.2 触 觉 传 感 器 开 关n光电开关式触觉传感阵列 2021-4-23河北工业大学机械学院14 1.3 压 阻 式 阵 列 触 觉 传 感 器 对于阵列触觉传感器人们最关心的是阵 列 数、阵 列 密度、灵 敏 度、柔 软 性、强 固 性等技术指标。对于开关式触觉传感器，阵列密度难以提高。阵列数增加时外接引线也是一个很大的问题。利用敏 感 材 料和硅 工 艺制作的阵列触觉可使阵列数及阵列密度得到很大提高，并可减少外接引线，但缺乏应有的柔性，很难安装到不同形状的通用应用载体(如手指)上。使用柔软的压阻敏感材料制作阵列触觉传感器是一个较好的途径。 2021-4-23河北工业大学机械学院15 1.3 压 阻 式 阵 列 触 觉 传 感 器一、传感器结构压阻式阵列触觉传感器的基本结构是由相互平行的电极构成触觉单元的外接引线，上(行)电极与下(列)电极相互垂直，压阻材料放在中间，行 列 电 极 的 交 叉 点定 义 为 阵 列 触 觉 的 一 个触 觉 单 元 2021-4-23河北工业大学机械学院16 1.3 压 阻 式 阵 列 触 觉 传 感 器 二、压阻材料 在压阻式阵列触觉传感器中，最关键的构件是敏感材料和电极。 理想的敏感材料应该是有高的压 力 动 态 范 围，能承受较大的过 载，有柔 性，重 复 性好，最 好 线 性，滞 后小，耐疲劳。该领域的专家一方面探索开发新的敏感材料，另一方面在信号处理上下功夫，取得了一些有一定实用价值的成果。各向异性压阻材料的应用也受到很大的重视，如敏感材料在z方向有压阻变化特性，在x、y方向则无论受压与否，均有较大的阻值。 2021-4-23河北工业大学机械学院17 1.3 压 阻 式 阵 列 触 觉 传 感 器n碳毡（CSA）是一种渗碳的纤维材料，小压力时，阻值变化较大，所以，用它制作的传感器很灵敏，过载能力强，其缺点是有迟滞，线性差。n导电橡胶也常用作触觉传感器的敏感材料，如在硅橡胶上有选择性地在对应电极的区域进行导电粒子的渗透、形成阵列导电橡胶单元，对应的触觉单元电极置于正下方。当单元受压时，电极两端的电阻随压力的变化而变化。 n为了得到柔软的触觉传感器，其上层压阻阵列触觉的阵列电极必须是柔软的，如用导电橡胶导线或PET板制作。注：PET（Ethylene Terephthalare）聚对苯二甲酸乙二醇酯 2021-4-23河北工业大学机械学院18 1.3 压 阻 式 阵 列 触 觉 传 感 器 2021-4-23河北工业大学机械学院19 1.3 压 阻 式 阵 列 触 觉 传 感 器解决干扰噪声的方法1. 每 触 觉 单 元 单 独 引 线。外接引线多2. 利 用 硅 工 艺 对 触 觉 单 元 预 处 理 集 成 ， 集 成 电 路 与 传 感 器 一体 化。成本较高、缺乏柔性。3. 电 压 镜 法。制作复杂，柔性差。 在电极制作中，设法使每个 阵列电阻串入一个二极管，阻 断干扰电流的回路，需要在底 层电极集成一组二极管。 电子模拟开关的导通电阻导 致电路测量精度下降。 2021-4-23河北工业大学机械学院20 1.3 压 阻 式 阵 列 触 觉 传 感 器4.改 进 的 电 压 镜 法 。与第三种方法类似，即原非选中行列的电压反馈改为直接接地，被选行接参考电压，被选列直接读出电压值(不接参考电阻)。反之，被选列接参考电压，被选行读出输出电压。根据这一种选通方式得到的参数可联合求解被选触觉单元的电阻值。显然，同样情况下，该方法与前一方法比，单帧触觉团像的采样时间要增加一倍。 2021-4-23河北工业大学机械学院21 1.3 压 阻 式 阵 列 触 觉 传 感 器上面几种扫描采样电路的一个共同点：a.每 次 只 扫 描 一 个 触 觉 单 元b.每 一 触 觉 单 元 阻 值 的 采 样 均 要 经 过 模 拟 升 关 选 通 、 电 路 稳定 、 A D采 样 保 持 、 转 换 等c.因 压 阻 阵 列 有 一 定 的 容 性 负 载 ， 电 路 稳 定 的 时 间 占 较 大 比重所以引对单触元扫描的方法，其触觉图像的采集速度会受到很大限制，尤其当触觉的阵列数增加时。根据经验，一帧1616压阻阵列触觉图像的采集，即使选用高速AD，触觉传感器的频响也难以超过50Hz，况且随着阵列数的增加频响会更低。 2021-4-23河北工业大学机械学院22 1.3 压 阻 式 阵 列 触 觉 传 感 器5.行 扫 描 采 样 法为提高扫描采样速度，右图给出了行扫描采样法，图中阵列数为nn，每次扫描一行，从而大大提高了单帧触觉图像的读出速度，为整个触觉系统的实时性打下硬件基础。在提高触觉采样速度的同时，同样较好地解决了行列间的串扰噪声问题。 2021-4-23河北工业大学机械学院23 1.4 光 学 式 触 觉 传 感 器利用破坏全内反射原理的触觉传感器n空气的折射率约为1，而有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酪)的折射率约1.5。n光从光密媒质向光疏媒质传播时发生全内反射，并在大于临界角处照射到两种介质的界面上。 n光波导表面跟外部物体接触时，接触点处全内反射被破坏，光从光波导相反一侧出射。 2021-4-23河北工业大学机械学院24 1.4 光 学 式 触 觉 传 感 器从光波导背面出射的光可由照相机、光电二极管阵列(CCD) 等设备检测，或者通过光纤传播。 2021-4-23河北工业大学机械学院25 1.4 光 学 式 触 觉 传 感 器这类光学触觉传感器同样可用反射橡皮材料制成敏感剪切力的传感器 2021-4-23河北工业大学机械学院26 1.5 其 它 类 型 的 触 觉 传 感 器 一、压电触觉传感器机器人用压电式触觉传感器最常用的压电材料是PVDF膜。压电阵列传感器也存在引线问题，采用集成电路的形式。n分辨率高（0.6mm）；n线形良好（0.0080.6N）；n频响为33Hz； n信号采集前对触觉单元颈充电和引线细化较好地解决了信号的不稳定性(随机件)和交叉干扰噪声。 2021-4-23河北工业大学机械学院27 1.5 其 它 类 型 的 触 觉 传 感 器n由于PVDF膜具有良好的压电和热释电性，又有很好的柔顺性及综合力学性能，目前被认为是最好的制作机器人触觉传感器的敏感材料。n近来已有人用其研制模仿人类皮肤的人工触觉(有热觉、触觉、痛觉等多种复合感觉)。 2021-4-23河北工业大学机械学院28 1.5 其 它 类 型 的 触 觉 传 感 器 二、电容式触觉传感器右图安装在Utah-MIT机器人手上的触觉传感器。外力加到传感器表面时蜂窝状电介质被压缩。外部导电的弹性薄层既起保护电容器作用，又起屏蔽作用。上面的列电极用板固定在聚酯薄膜片上，在弹性介质的下方是由印刷电路板制成的行电极。这样在上下电极的行与列的交叉点间即可形成一个电容。传感器灵敏度取决于介质材料的弹性模量 2021-4-23河北工业大学机械学院29 1.5 其 它 类 型 的 触 觉 传 感 器n电容变化量的读出电路Vm=VDcos0t