機(jī)器人多感知技術(shù)觸覺教學(xué)

2024/11/5河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)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(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，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(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。2024/11/5河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)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(jìn)：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(qiáng)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(jī)。注：CSA－碳?xì)旨夹g(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(xué)機(jī)械學(xué)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(shí)現(xiàn)的。2024/11/5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在機(jī)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(yàn)有助于發(fā)展機(jī)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(jī)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(xué)機(jī)械學(xué)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(xué)機(jī)械學(xué)院61.1觸覺傳感器的一般要求除了疼痛信號外，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。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(shí)那樣冷，這是因?yàn)榘l(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(lì)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(kuò)張尖端的未梢，或如Pacinian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(xué)機(jī)械學(xué)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(xué)機(jī)械學(xué)院81.1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(diǎn)的距離為1mm)。

3)每個(gè)指尖有50~200個(gè)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(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)輸出信號單值，線性度良好。8)輸出頻響100Hz~1kHz。2024/11/5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(xué)機(jī)械學(xué)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(dòng)器件。工業(yè)上利用小型開關(guān)陣列形成一種價(jià)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(yán)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(xué)機(jī)械學(xué)院111.2觸覺傳感器開關(guān)氣動(dòng)式觸覺傳感陣列2024/11/5河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)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(xué)機(jī)械學(xué)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(qiáng)固性等技術(shù)指標(biāo)。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(shí)外接引線也是一個(gè)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(gè)較好的途徑。2024/11/5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(diǎn)定義為陣列觸覺的一個(gè)觸覺單元2024/11/5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

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(dòng)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(shí)用價(jià)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(xué)機(jī)械學(xué)院161.3壓阻式陣列觸覺傳感器碳?xì)郑–SA）是一種滲碳的纖維材料，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)，其缺點(diǎn)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(jìn)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(dāng)單元受壓時(shí)，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(xué)機(jī)械學(xué)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?dāng)_噪聲。2024/11/5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解決干擾噪聲的方法每觸覺單元單獨(dú)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(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。2024/11/5河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院191.3壓阻式陣列觸覺傳感器改進(jìn)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(tuán)像的采樣時(shí)間要增加一倍。2024/11/5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上面幾種掃描采樣電路的一個(gè)共同點(diǎn)：每次只掃描一個(gè)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(fù)載，電路穩(wěn)定的時(shí)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(dāng)觸覺的陣列數(shù)增加時(shí)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，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(xué)機(jī)械學(xué)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(gè)觸覺系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性打下硬件基礎(chǔ)。在提高觸覺采樣速度的同時(shí)，同樣較好地解決了行列間的串?dāng)_噪聲問題。2024/11/5河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院221.4光學(xué)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(jī)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(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)的界面上。光波導(dǎo)表面跟外部物體接觸時(shí)，接觸點(diǎn)處全內(nèi)反射被破壞，光從光波導(dǎo)相反一側(cè)出射。2024/11/5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。2024/11/5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2024/11/5河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院251.5其它類型的觸覺傳感器

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(xì)化較好地解決了信號的不穩(wěn)定性(隨機(jī)件)和交叉干擾噪聲。2024/11/5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(xué)性能，目前被認(rèn)為是最好的制作機(jī)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(xué)