机器人多感知技术-触觉.ppt

第一章第一章 触觉、滑觉传感器及人工皮肤触觉触觉、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。2022/10/271第一章第一章 触觉、滑觉传感器及人工皮肤触觉触觉、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。2022/10/272第一章第一章 触觉、滑觉传感器及人工皮肤触觉触觉、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。2022/10/2731.1 触觉传感器的一般要求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触觉获得的信息来实现的。2022/10/2741.1 触觉传感器的一般要求触觉传感器的一般要求 在机器人触觉敏感中，我们试图仿效人体触觉敏感系统的某些功能。为此要求掌握人体触觉敏感及其功能的知识，但是，不可能短期内重现生物传感器的功能。生物系统的存在和人自身的触觉经验有助于发展机器人触觉敏感。人体有两种感觉系统能与外部物体接触而产生反应：n(1)(1)内体感觉系统内体感觉系统。该系统检测诸如手足关节角、肌肉打张和肌肉拉紧等内部参量。机器人通过这些参量间接地与外部物体接触；n(2)(2)外体感觉系统外体感觉系统。该系统出于皮肤表面温度和形状的改变而产生反应，这些参量是直接接触外部物体的结果。2022/10/2751.1 触觉传感器的一般要求触觉传感器的一般要求n外体感觉传感外体感觉传感器系统的神经器系统的神经末梢封闭在真末梢封闭在真皮和表皮层之皮和表皮层之间，它由许多间，它由许多特种神经末梢特种神经末梢构成。构成。n皮肤能直接响皮肤能直接响应接触压力、应接触压力、温度和疼痛。温度和疼痛。2022/10/2761.1 触觉传感器的一般要求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，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。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，一类对递，一类对“冷冷”起反应，另一类则对起反应，另一类则对“温暖温暖”产生反应。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，神经经未梢的形类似自由神经末梢的裸神经。如未梢的形类似自由神经末梢的裸神经。如Merkel圆盘具圆盘具有扩张尖端的未梢，或如有扩张尖端的未梢，或如Pacinian细胞之类的压缩末梢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。器响应的另一因素是神经末梢接触周围组织结构的方式。2022/10/2771.1 触觉传感器的一般要求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。2022/10/2781.1 触觉传感器的一般要求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510，1020阵列单元数)。4)触元的力灵敏度小于，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。2022/10/2791.1 触觉传感器的一般要求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触觉传感器按传感原理基本上可以分为n开关式开关式n压阻式压阻式n压电式压电式n光电式光电式n电容式电容式n电磁式电磁式n其它其它2022/10/27101.2 触觉传感器开关触觉传感器开关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。2022/10/27111.2 触觉传感器开关触觉传感器开关n气动式触觉传感阵列2022/10/27121.2 触觉传感器开关触觉传感器开关n光电开关式触觉传感阵列2022/10/27131.3 压阻式阵列触觉传感器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对于阵列触觉传感器人们最关心的是阵列数阵列数、阵列密阵列密度度、灵敏度灵敏度、柔软性柔软性、强固性强固性等技术指标。等技术指标。对于对于开关式触觉传感器开关式触觉传感器，阵列密度难以提高。阵列数增加，阵列密度难以提高。阵列数增加时时外接引线外接引线也是一个很大的问题。也是一个很大的问题。利用利用敏感材料和和硅工艺制作的阵列触觉可使阵列数及阵列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，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很难安装到不同形状的通用应用载体(如手指如手指)上。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。的途径。2022/10/27141.3 压阻式阵列触觉传感器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压阻式阵列触觉传感器器的基本结构是由相互的基本结构是由相互平行的电极构成触觉单平行的电极构成触觉单元的外接引线，上元的外接引线，上(行行)电极与下电极与下(列列)电极相互电极相互垂直，压阻材料放在中垂直，压阻材料放在中间，间，行列电极的交叉点行列电极的交叉点定义为阵列触觉的一个定义为阵列触觉的一个触觉单元触觉单元2022/10/27151.3 压阻式阵列触觉传感器压阻式阵列触觉传感器 二、压阻材料二、压阻材料 在压阻式阵列触觉传感器中，最关键的构件是在压阻式阵列触觉传感器中，最关键的构件是敏感材料敏感材料和和电极电极。理想的敏感材料应该是有高的理想的敏感材料应该是有高的压力动态范围压力动态范围，能承受较，能承受较大的大的过载过载，有，有柔性柔性，重复性重复性好，好，最好线性最好线性，滞后滞后小，耐小，耐疲劳疲劳。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。信号处理上下功夫，取得了一些有一定实用价值的成果。各向异性压阻材料各向异性压阻材料的应用也受到很大的重视，如敏感材料的应用也受到很大的重视，如敏感材料在在z方向有压阻变化特性，在方向有压阻变化特性，在x、y方向则无论受压与否，均方向则无论受压与否，均有较大的阻值。有较大的阻值。2022/10/27161.3 压阻式阵列触觉传感器压阻式阵列触觉传感器n碳毡（碳毡（CSA）是一种渗碳的纤维材料，是一种渗碳的纤维材料，小压力时，阻值变化较大，所以，用小压力时，阻值变化较大，所以，用它制作的传感器很灵敏，过载能力强，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。其缺点是有迟滞，线性差。n导电橡胶导电橡胶也常用作触觉传感器的敏感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、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，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。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的，如用导电橡胶导线或PET板制作。板制作。注：注：PET（Ethylene Terephthalare）聚对苯二）聚对苯二甲酸乙二醇酯甲酸乙二醇酯2022/10/27171.3 压阻式阵列触觉传感器压阻式阵列触觉传感器三、采样电路n触元的触觉性能将通过该触触元的触觉性能将通过该触元上下电极间的触元阻值反元上下电极间的触元阻值反映。映。n阵列触觉采用行、列电极的阵列触觉采用行、列电极的结构形式，其目的是为了减结构形式，其目的是为了减少传感器的外接引线。少传感器的外接引线。n触元电阻是行、列并联的，触元电阻是行、列并联的，引入触元间相互耦合的串扰引入触元间相互耦合的串扰噪声。噪声。2022/10/27181.3 压阻式阵列触觉传感器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体化。成本较高、缺乏柔性。3.电压镜法电压镜法。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。2022/10/27191.3 压阻式阵列触觉传感器压阻式阵列触觉传感器4.改进的电压镜法。改进的电压镜法。与第三种方法类似，即原非与第三种方法类似，即原非选中行列的电压反馈改为直接选中行列的电压反馈改为直接接地，被选行接参考电压，被接地，被选行接参考电压，被选列直接读出电压值选列直接读出电压值(不接参考不接参考电阻电阻)。反之，被选列接参考电。反之，被选列接参考电压，被选行读出输出电压。根压，被选行读出输出电压。根据这一种选通方式得到的参数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可联合求解被选触觉单元的电阻值。阻值。显然，同样情况下，该方法显然，同样情况下，该方法与前一方法比，单帧触觉团像与前一方法比，单帧触觉团像的采样时间要增加一倍。的采样时间要增加一倍。2022/10/27201.3 压阻式阵列触觉传感器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、AD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。到很大限制，尤其当触觉的阵列数增加时。根据经验，一帧根据经验，一帧1616压阻阵列触觉图像的采集，即使选压阻阵列触觉图像的采集，即使选用高速用高速AD，触觉传感器的频响也难以超过，触觉传感器的频响也难以超过50Hz，况且随，况且随着阵列数的增加频响会更低。着阵列数的增加频响会更低。2022/10/27211.3 压阻式阵列触觉传感器压阻式阵列触觉传感器5.行扫描采样法行扫描采样法为提高扫描采样速度，为提高扫描采样速度，右图给出了行扫描采样右图给出了行扫描采样法，法，图中阵列数为图中阵列数为nn，每，每次扫描一行，从而大大次扫描一行，从而大大提高了单帧触觉图像的提高了单帧触觉图像的读出速度，为整个触觉读出速度，为整个触觉系统的实时性打下硬件系统的实时性打下硬件基础。基础。在提高触觉采样速度的在提高触觉采样速度的同时，同样较好地解决同时，同样较好地解决了行列间的串扰噪声问了行列间的串扰噪声问题。题。2022/10/27221.4 光学式触觉传感器光学式触觉传感器利用破坏全内反射原理的触利用破坏全内反射原理的触觉传感器觉传感器n空气的折射率约为空气的折射率约为1，而有，而有机玻璃机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酪聚甲基丙烯酸甲酪)的折射率约。的折射率约。n光从光密媒质向光疏媒质传光从光密媒质向光疏媒质传播时发生全内反射，并在大播时发生全内反射，并在大于临界角处照射到两种介质于临界角处照射到两种介质的界面上。的界面上。n光波导表面跟外部物体接触光波导表面跟外部物体接触时，接触点处全内反射被破时，接触点处全内反射被破坏，光从光波导相反一侧出坏，光从光波导相反一侧出射。射。2022/10/27231.4 光学式触觉传感器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。等设备检测，或者通过光纤传播。2022/10/27241.4 光学式触觉传感器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力的传感器2022/10/27251.5 其它类型的触觉传感器其它类型的触觉传感器 一、压电触觉传感器一、压电触觉传感器机器人用压电式触觉传感器机器人用压电式触觉传感器最常用的压电材料是最常用的压电材料是PVDF膜。膜。压电阵列传感器也存在引线压电阵列传感器也存在引线问题，采用集成电路的形式。问题，采用集成电路的形式。n分辨率高（）；分辨率高（）；n线形良好（）；线形良好（）；n频响为频响为33Hz；n信号采集前对触觉单元颈充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电和引线细化较好地解决了信号的不稳定性号的不稳定性(随机件随机件)和交叉和交叉干扰噪声。干扰噪声。2022/10/27261.5 其它类型的触觉传感器其它类型的触觉传感器n由于由于PVDF膜具有良好的压电和热释电性，又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。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有热觉、触觉、痛觉等多种复合感觉)。2022/10/27271.5 其它类型的触觉传感器其它类型的触觉传感器 二、电容式触觉传感器二、电容式触觉传感器右图安装在右图安装在Utah-MIT机器机器人手上的触觉传感器。人手上的触觉传感器。外力加到传感器表面时蜂外力加到传感器表面时蜂窝状电介质被压缩。外部导窝状电介质被压缩。外部导电的弹性薄层既起保护电容电的弹性薄层既起保护电容器作用，又起屏蔽作用。上器作用，又起屏蔽作用。上面的列电极用板固定在聚酯面的列电极用板固定在聚酯薄膜片上，在弹性介质的下薄膜片上，在弹性介质的下方是由印刷电路板制成的行方是由印刷电路板制成的行电极。这样在上下电极的行电极。这样在上下电极的行与列的交叉点间即可形成一与列的交叉点间即可形成一个电容。个电容。传感器灵敏度取决于介质材料的弹性模量2022/10/27281.5 其它类型的触觉传感器其它类型的触觉传感器n电容变化量的读出电路Vm=VDcos0t2022/10/2729