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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,H,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章 触觉传感器,7.5,人工皮肤触觉,7.6,接近觉传感器,1,&,触觉传感器的发展,&,触觉传感器用于机器人中模仿触觉功能的传感器。,触觉是人与外界环境直接接触时的重要感觉功能,，研制满足要求的触觉传感器是机器人发展中的技术关键之一。随着微电子技术的发展和各种有机材料的出现，已经提出了多种多样的触觉传感器的研制方案，但目前大都属于实验室阶段，达到产品化的不多。,2,&,触觉传感器,3,&,触觉传感器,4,7.5.1 人工皮肤的结构,人工皮肤,是指利用工程学和细胞生物学的原理和方法，在体外人工研制的皮肤代用品，用来修复、替代缺损的皮肤组织。人工皮肤高度近似人类皮肤，在治疗烧伤、烫伤方面具有减轻患者疼痛，愈后不留瘢痕的特效，并且对治疗糖尿病足等长期难愈性溃疡具有良好疗效。,5,7.5,人工皮肤触觉,人工皮肤触觉,是集触觉、压觉、滑觉和热觉于一体的,多功能复合传感器,，以,PVDF,为敏感材料，模仿人的皮肤，有柔顺的接触表面和滑、触、热的感知，通过各触元的输出信号获取有关的信息。,6,7.5.1 人工皮肤的结构,7,7.5.1 人工皮肤的结构,如图,7-28,，,人工皮肤是一种层状结构,。表皮是一层柔软的带有圆锥体小齿的橡胶包封表皮，上下两层,PVDF,为敏感层，上层,PVDF,薄膜镀整片金属电极，下层,PVDF,膜电极为条状金属膜，通过硅导电橡胶引线接电极板上。上下,PVDF,层间加有电加热层和柔性隔热层。,8,7.5.1 人工皮肤的结构,电加热层,使表皮保持在适当的温度（,50-70,度），进行恒温控制或是恒功率加热，可利用,PVDF,的,热释电性,来测量被接触物体的导热性能。柔顺的隔热层将上层的热觉测试和下层的触觉、滑觉和滑移距离测试隔开。,9,7.5.1 人工皮肤的结构,加热层,是厚度小于,1mm,的导电橡胶，电阻值为,100150,，两边用导电胶与金属极粘结固定。当电极间加,12V,的电压后，功率为,1W,左右，环境温度为,20,摄氏度时，人工皮肤表皮的温度为,52,度（热动态平衡）。,10,7.5.1 人工皮肤的结构,当人工皮肤接触物体后发生热传导，表皮的温度下降。上层,PVDF,有触压和热觉的混合输出信号，而下层,PVDF,，因有隔热层保护，只输出触压信号，并且当物体滑动时，可检测滑动。,根据条状电极的输出信号特征和触压区域的转移，可推得物体的滑移距离。,由上下层,PVDF,输出信号的综合处理可以区分热觉和触觉信号。,11,信号检测,图,729,为,PVDF,敏感信号采样电路图：,12,信号检测,电荷放大器,采用,高阻抗,MOSFET,输入型高精度放大器，反馈回路由云母电容并接反馈电阻,R=100M,组成。电路采用多路模拟开关，完成上层,PVDF,面和下层,PVDF,各条之间的采样切换。每次采样后，闭合一次使放大器复位，以保证每次读数起点一致。,A/D,转换采用逐次比较方式的,A/D,转换芯片。,13,信号检测,由于电路性能的不稳定和模拟开关切换对电荷放大器的影响，输出信号存在漂移和噪声干扰。,为滤除干扰，可采用二次采样器，对第,i,个信号源采样后，间隔时间,T,后，不去采样第,i+1,个信号源，而仍然采样第,i,个信号源。第一次采样值为,F(I),第二次采样值为,S(I),则重构信号值为,R(I)=F(I)+F(I)-S(I),14,信号检测,这种二次采样方式，虽然采样时间间隔延长一倍，使响应频率降低，但输出信号消除了模拟开关切换的影响，阻止了漂移和噪声的干扰。,15,信号提取,当人工皮肤表面触压物体时，上层,PVDF,产生触觉和热觉混合信息，如图,7-30,（,a,）,16,信号提取,这一混合信号可分解为触觉信号（虚线）和热觉信号（实线）。一般触觉信号响应和衰减均比较快，而热觉信号为缓变低频信号。下层,PVDF,条产生单一的触觉信号，图（,b,）。最简单的信号处理方法就是将,(a),和,(b),两信号做比例减法运算，彻底区分触觉和热觉信号。,17,信号提取,1.,提取触觉信号,通常采用阈值法，对输出信号设置一个触觉阈值，大于阈值判为接触，小于阈值判为噪声。,2.,提取热觉信号,用热觉信号的上升斜率作为特征值判别被测物体导热性。,3.,滑觉信号的模糊处理,滑觉信号由诱导微震动产生，是一系列接触和释放信号的叠加。,18,信号提取,为了识别滑觉信号引入了,模糊控制,，因为抓取的物体不同，抓取的效果也不同。对易碎易爆物体，要求抓取夹紧时无冲击，夹紧力小，且不产生滑落。因此有无滑动是识别滑觉信号的依据。如图,7-32,所示,模糊控制,是,模糊集合与控制理论相结合的产物，它是基于模糊推理、利用人的经验、知识和技巧模仿人类思维方式、对难以建立受控对象数学模型的复杂系统实施的一种控制策略。,19,7.6 接近觉传感器,接触觉传感器用来判断机器人是否接触物体的测量传感器，可以感知机器人与周围障碍物的接近程度。接近觉传感器可以使机器人在运动中接触到障碍物时向控制器发出信号。,20,7.6接近觉传感器,与精确测距不同，,接近觉,是一种,粗略的距离感觉,。它是感知敏感元件与物体之间的接近程度，其目的是是机器人在移动和操作过程中获知与目标的接近程度。可实现避开障碍和避免抓取物体时由于接近速度过快而造成的冲击碰撞。大多数情况下，只要求给出简单的阈值判断，即接近与否。特殊用途要求提供远、中、近等分档距离。,21,7.6接近觉传感器,接近觉传感器按工作原理可分为：,（,1,）感应式接近觉传感器,（,2,）霍尔效应接近觉传感器,（,3,）电容式接近觉传感器,（,4,）光接近觉传感器,目前国内外对接近觉传感器的研究，主要有以上几种。由于接触觉是机器人接近目标物的感觉，并没有具体的量化指标。故与一般的测距装置比，其精确度并不高。,22,超声接近觉传感器,与上述各种工作原理的超声接近觉传感器相比较，超声接近觉传感器对材料的依懒性小，可测非金属和绝缘材料的接近觉，精确程度也高。,1.,超声换能器,2.,发射与接收信号波形分析,23,红外接近觉传感器,红外接近觉传感器与光接近传感器具有相同的工作原理，由红外发光管发射经调制的信号，再经目标反射，红外光敏管收到红外光强的调制信号。由信号调制和专用红外滤光片来消除环境红外光的干扰。,接近觉接收信号的处理分检测、调制、滤波三部分。,24,谢谢！,25,
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