機(jī)器人多感知技術(shù)-觸覺(jué)

2025/1/11第一章觸覺(jué)、滑覺(jué)傳感器及人工皮膚觸覺(jué)機(jī)器人觸覺(jué)在機(jī)器人感覺(jué)系統(tǒng)中占有非常重要的地位，它具有視覺(jué)等其他感覺(jué)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。視覺(jué)借助光的作用完成，當(dāng)光照受限制時(shí)，僅靠觸覺(jué)也能完成一些簡(jiǎn)單的識(shí)別功能。更為重要的是，觸覺(jué)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(jué)傳感器是機(jī)器人感覺(jué)系統(tǒng)中最重要的研究課題之一。機(jī)器人觸覺(jué)的原型是模仿人的觸覺(jué)功能，通過(guò)觸覺(jué)傳感器與被識(shí)物體相接觸或相互作用來(lái)完成對(duì)物體表面特征和物理性能的感知。2025/1/12第一章觸覺(jué)、滑覺(jué)傳感器及人工皮膚觸覺(jué)觸覺(jué)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(jué)傳感器是最早的觸覺(jué)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。2025/1/13第一章觸覺(jué)、滑覺(jué)傳感器及人工皮膚觸覺(jué)觸覺(jué)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(hào)直接與制作在底板上的MOSFET（場(chǎng)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(jué)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(jué)采樣與控制電路，使觸覺(jué)圖像的采集與視頻速率同步。2025/1/141.1觸覺(jué)傳感器的一般要求1.1.1人體觸覺(jué)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(guò)感覺(jué)特別是觸覺(jué)獲得的信息來(lái)實(shí)現(xiàn)的。2025/1/151.1觸覺(jué)傳感器的一般要求在機(jī)器人觸覺(jué)敏感中，我們?cè)噲D仿效人體觸覺(jué)敏感系統(tǒng)的某些功能。為此．要求掌握人體觸覺(jué)敏感及其功能的知識(shí)，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(jué)經(jīng)驗(yàn)有助于發(fā)展機(jī)器人觸覺(jué)敏感。人體有兩種感覺(jué)系統(tǒng)能與外部物體接觸而產(chǎn)生反應(yīng)：(1)內(nèi)體感覺(jué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)檢測(cè)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(guò)這些參量間接地與外部物體接觸；(2)外體感覺(jué)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。2025/1/161.1觸覺(jué)傳感器的一般要求外體感覺(jué)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。2025/1/171.1觸覺(jué)傳感器的一般要求除了疼痛信號(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。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(jué)到水象開(kāi)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遞，一類對(duì)“冷”起反應(yīng)，另一類則對(duì)“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(pán)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?chē)M織結(jié)構(gòu)的方式。2025/1/181.1觸覺(jué)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(jué)極敏感，通過(guò)它可檢測(cè)位移的微小變化，借助毛發(fā)腺胞周?chē)纳窠?jīng)末梢網(wǎng)絡(luò)還可傳遞信號(hào)。2025/1/191.1觸覺(jué)傳感器的一般要求1.1.2機(jī)器人觸覺(jué)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(jué)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(wú)滯后。7)輸出信號(hào)單值，線性度良好。8)輸出頻響100Hz~1kHz。2025/1/1101.1觸覺(jué)傳感器的一般要求觸覺(jué)傳感器按傳感原理基本上可以分為開(kāi)關(guān)式壓阻式壓電式光電式電容式電磁式其它2025/1/1111.2觸覺(jué)傳感器開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)是用于檢測(cè)物體是否存在的一種最簡(jiǎn)單的觸覺(jué)制動(dòng)器件。工業(yè)上利用小型開(kāi)關(guān)陣列形成一種價(jià)廉的觸覺(jué)傳感器，外形大，空間分辨率低。二值陣列觸覺(jué)傳感器，嚴(yán)重地限制觸覺(jué)傳感器可提供的信息量。2025/1/1121.2觸覺(jué)傳感器開(kāi)關(guān)氣動(dòng)式觸覺(jué)傳感陣列2025/1/1131.2觸覺(jué)傳感器開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)式觸覺(jué)傳感陣列2025/1/1141.3壓阻式陣列觸覺(jué)傳感器

對(duì)于陣列觸覺(jué)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(duì)于開(kāi)關(guān)式觸覺(jué)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(wèn)題。利用敏感材料和硅工藝制作的陣列觸覺(jué)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(jué)傳感器是一個(gè)較好的途徑。

皮肌炎是一種引起皮膚、肌肉、心、肺、腎等多臟器嚴(yán)重?fù)p害的，全身性疾病，而且不少患者同時(shí)伴有惡性腫瘤。它的1癥狀表現(xiàn)如下：1、早期皮肌炎患者，還往往伴有全身不適癥狀，如-全身肌肉酸痛，軟弱無(wú)力，上樓梯時(shí)感覺(jué)兩腿費(fèi)力；舉手梳理頭發(fā)時(shí)，舉高手臂很吃力；抬頭轉(zhuǎn)頭緩慢而費(fèi)力。皮肌炎圖片——皮肌炎的癥狀表現(xiàn)2025/1/1161.3壓阻式陣列觸覺(jué)傳感器一、傳感器結(jié)構(gòu)壓阻式陣列觸覺(jué)傳感器的基本結(jié)構(gòu)是由相互平行的電極構(gòu)成觸覺(jué)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(jué)的一個(gè)觸覺(jué)單元2025/1/1171.3壓阻式陣列觸覺(jué)傳感器

二、壓阻材料在壓阻式陣列觸覺(jué)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(guò)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(kāi)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。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(wú)論受壓與否，均有較大的阻值。2025/1/1181.3壓阻式陣列觸覺(jué)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(guò)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(jué)傳感器的敏感材料，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、形成陣列導(dǎo)電橡膠單元，對(duì)應(yīng)的觸覺(jué)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(jué)傳感器，其上層壓阻陣列觸覺(jué)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(duì)苯二甲酸乙二醇酯2025/1/1191.3壓阻式陣列觸覺(jué)傳感器三、采樣電路觸元的觸覺(jué)性能將通過(guò)該觸元上下電極間的觸元阻值反映。陣列觸覺(jué)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。2025/1/1201.3壓阻式陣列觸覺(jué)傳感器解決干擾噪聲的方法每觸覺(jué)單元單獨(dú)引線。外接引線多利用硅工藝對(duì)觸覺(jué)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(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻導(dǎo)致電路測(cè)量精度下降。2025/1/1211.3壓阻式陣列觸覺(jué)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(jué)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(jué)團(tuán)像的采樣時(shí)間要增加一倍。2025/1/1221.3壓阻式陣列觸覺(jué)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(jué)單元每一觸覺(jué)單元阻值的采樣均要經(jīng)過(guò)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(duì)單觸元掃描的方法，其觸覺(jué)圖像的采集速度會(huì)受到很大限制，尤其當(dāng)觸覺(jué)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(jué)圖像的采集，即使選用高速A／D，觸覺(jué)傳感器的頻響也難以超過(guò)50Hz，況且隨著陣列數(shù)的增加頻響會(huì)更低。2025/1/1231.3壓阻式陣列觸覺(jué)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(jué)圖像的讀出速度，為整個(gè)觸覺(jué)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性打下硬件基礎(chǔ)。在提高觸覺(jué)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(wèn)題。2025/1/1241.4光學(xué)式觸覺(jué)傳感器利用破壞全內(nèi)反射原理的觸覺(jué)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。2025/1/1251.4光學(xué)式觸覺(jué)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(cè)，或者通過(guò)光纖傳播。2025/1/1261.4光學(xué)式觸覺(jué)傳感器這類光學(xué)觸覺(jué)傳感器同樣可用反射橡皮材料制成敏感剪切力的傳感器2025/1/1271.5其它類型的觸覺(jué)傳感器

一、壓電觸覺(jué)傳感器機(jī)器人用壓電式觸覺(jué)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(wèn)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(hào)采集前對(duì)觸覺(jué)單元頸充電和引線細(xì)化較好地解決了信號(hào)的不穩(wěn)定性(隨機(jī)件)和交叉干擾噪聲。2025/1/1281.5其它類型的觸覺(jué)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(jué)傳感器的敏感材料。近來(lái)已有人用其研制模仿人類皮膚的人工觸覺(jué)(有熱覺(jué)、觸覺(jué)、痛覺(jué)等