现代传感器技术基础及应用-第7章第5节人工皮肤触觉.ppt

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47.5.1 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。57.5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。67.5.1 人工皮肤的结构77.5.1 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。87.5.1 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。97.5.1 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）。107.5.1 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。117.5.2信号检测图729为PVDF敏感信号采样电路图：127.5.2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。137.5.2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)147.5.2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。157.5.3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）167.5.3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。177.5.3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。187.5.3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。197.6 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。207.6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。217.6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。227.6.1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237.6.2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