假手仿生智能传感技术的研究进展.docx

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1、假手仿生智能传感技术的研究进展自前苏联假肢中心研制出世界上第一个肌电假手以来，经历几十年的开展，假手的仿生智能传感技术有了很大进步。目前研究的重点研发多自由度有传感智能假手，目的是进步假手的灵敏性及与环境的信息交互才能，增加假手操纵的自主性。人手是一个拥有多级控制、刺激和信息接收的输入输出通道的生物机械系统，在神经系统协调控制下完成各种精巧复杂的动作。而普通假手通常以视觉作为反应，通过眼睛来判定物体是否握紧和有无滑落，不能像人手那样在没有视觉反应情况下进展正常作业。因此使假手像人手一样，具有触觉、滑觉、角度以及热觉等智能传感才能，可以感悟触滑、冷热及物体外表外形等外界环境变化，成为康复工程研究

2、的一个前沿和热门，下面将对假手仿生智能感觉技术的研究进展进展系统介绍。1、触滑传感假手的触滑感觉研究开场于60年代，在假手的手指上安装了滑觉传感器，使得在握取经过中发生滑动时增加握力。英国南安普敦大学开发出的一种假手4有拇指、食指和中指，后两个手指上安装传感器，传感器采用Interlink公司的压力感应电阻(forcesensingresistor,FSR)传感器，发生滑动时传感器可以识别外表微振动。这种FSR传感器在假手传感系统中有很多应用。Tura5等人也采用此类传感器，在奥托博克公司的假手上增加了传感系统。FSR压电传感器由两个聚合体薄片组成，共0.2mm厚，其中一个有电极网，另一个由半

3、导体材料组成。当有压力作用时，电极间的阻抗变高，半导体材料与电极接触，组成一个回路以降低阻抗。Mingrino6也利用Interlink公司的FSR传感器设计了一种假手滑觉传感系统，当假手抓取物体时，由金属盘和橡胶组成的倾斜台将接触力传到传感器，从一个由4个一样传感器组成的传感阵列得到正向力和切向力。除此之外，还有多种得到触滑感觉反应的方法。Yamada等人利用应变片的三维力传感器检测触滑的存在7。Curcie等8人通过假手手指中安装的气压传感器，获取压力信号并反应到控制系统。还有一种方法是在假手上贴应变片进展测力研究的9，其中连接件位于拇指和其他手指之间，作用于拇指上的作用力与连接件上的应力

4、成近似成线性关系。为了测定握取经过中拇指上的力，在连接件处贴应变片，并经过桥式连接、放大、低通滤波之后获得电压大小，以此来检测握力。Maeno等10人利用硅树脂制成弹性手指，将其安装在人造手指中以获取触觉反应。这些研究都是为了增加反应功能以获取更高的仿生性能。在国内也有将传感技术应用于乖巧手的研究11，清华大学已进展了在肌电假手上安装触滑觉传感器的实验研究12。与应用于假手上类似，感觉反应技术也广泛应用于机器人手的感觉反应中，Dario等人在机器人手的手指套上安装触觉传感器13，通过触觉反应和手指关节上的电位计进展握取气力和位置的控制。贾铭新等利用基于光全反射原理的触觉传感器作为反应系统14，

5、安装在多触点机器人手，实现操纵臂与外界的交互。此外还有的研究利用分布式触觉传感器提供反应信息，控制智能手的抓取力15。2、物体外表特征传感与上面提到的触觉中的接触力和滑觉反应不同，这种接近觉主要是用于判定假手手指与目的物体接触的外表情况，判定目的物体的外部纹理和外形特点等等，包括用影像法和记忆合金法进展的外表外形检测研究。Angelo等人采用了基于立体影像和激光扫描的技术16，采用了性价比更高的图形系统来感悟外表外形，防止了使用昂贵的传感器和复杂的信号处理系统。这种接近觉传感用具有简单和低本钱的上风，采用8位微处理器的电路非常简单。Wang-taiLo使用了光学方法进展接触外表的检测17，这种

6、接触感觉的测定是基于光的全反射定理。系统由可以测量接触外表的触觉传感器和用于显示接触面信息的局部组成。触觉传感器基于全反射原理，可以提供高分辨率和高质量的触觉图像，将这种传感器安装在机械手的5个手指之中进展实验。系统由弹性薄膜、透明柔软的橡胶光波导路、有机玻璃基体、一个透镜、光纤和微小的光源组成。光源位于一个特制的管中防止分散光，并可将光导入到光波导路之中。通常状态下与导路接触的是空气，而空气的折射率比导路的折射率小，根据全反射定理导路中的光不会被折射出来，而当手指接触到物体，导路与基体接触，由于基体的折射率小，所以导路中的光会折射出来并被电荷耦合器件(chargecoupledevice,C

7、CD)所接，进而可以表示出已经接触的外表特点。这种方法中使用了可变形的材料，所以传感器拥有更加有高分辨率。1600个触点/cm2；可以使探测到的力小于2g。这种传感用具有高分辨率、快速响应、低功耗、构造简单等多种优点。此类传感器主要应用于接触面和纹理的判定，对于机械手夹取较大型物品非常重要，由于假手主要进展小型物体的抓取和小幅度运动，因此采用此类传感器的必要性不是很大，可以作为一种辅助的感觉反应进展讨论。3、冷热传感除了触觉和滑觉，冷热觉对于人来讲也是相当重要的。冷热觉是人体最根本的感觉之一，过热和过冷会引发人手的疼痛，同时过冷和过热也会破坏假手的外表材料。因此冷热觉反应也是假手研究中的一个组

8、成局部。目前大多数的热觉反应都是使用具有珀耳贴效应的材料。Shuichi研究的反应系统由珀耳贴模块和比例积分微分proportionalintegrationdifferential，PID控制器组成18。主要是用于辨识当手指接触不同物体时，感悟其温度的变化进而分辨不同的物体外表。实验中他们改变温度，对包括铝、玻璃、橡胶、聚合体、木材在内的多种材料进展了热觉判定。实验说明对于铝和木材的识别率分别到达91和82，玻璃、橡胶、聚合体的识别率在4050左右。Leoni等研究的集成传感器中的热传感器由两个微型电阻嵌在热传导橡胶组成19，一个用于加热、一个用于检测温度变化，所以传感器需要加热和测量两个相

9、位。在加热相位中，加热电阻加上电之后传感器的温度提升到定温，测量相位中，加热电阻断电，进而测定温度相对于时间的变化，这个功能与传感器与物体间的热传导相关。4、多感觉集成在研究各种感觉反应的根底上，有人开场研究多种传感系统的集成。将各种感觉反应的传感器分别安装在假手或机械手上，分别接收感觉信号并反应到控制系统之中。Dario研究的多传感器系统可以探测各种信息，包括接近觉、关节扭矩、触觉等等20。在这种集成多传感技术中使用了三种不同的材料，包括应变仪、半导体聚合体、压电聚合体等。最下层是力/扭拒传感器，所使用的256阵列的触觉阵列是基于FSR技术的。上面是用于检测动态感觉的传感器，它需要用压电聚合

10、体材料支撑。另外还有一局部是超声传感器，可以发射和承受超声波，用于检测一定间隔范围内的目的物体的几何外形。控制系统接收多传感器的信号后进展处理并发出指令。同样是Dario等人研究的多集成传感器，其动态传感器由有机压电材料聚偏氟乙稀polyvinylidenefluoride,PVDF组成。当被握物体有滑动时PVDF发生振动进而判定滑觉的存在，而FSR传感器作为开关传感器，设置一个接触力阈值判定物体是否被完全抓取。Taddeucci等人研究的集成传感器由触觉、热觉、动态三个传感器组成21，分别用于检测接触图像、测量物体外表的热传导性和感悟滑动中的微振动。触觉感应采用阵列式传感器，可以检测每个单位

11、面积中的接触情况。动态传感器由压电晶体元素组成，热觉传感器使用具有珀耳贴效应的单元。Darwin所研究的多种集成的触觉传感器22可以探测包括硬度、外表特性、温度、滑动、外表轮廓、热传导性在内的多种感觉。这种集成传感器包括聚合体光纤、电磁场系统、热电偶、珀耳贴效应元素等多种传感单元。其中：1压力/硬度/外形传感器使用塑胶光纤阵列红外二极管源、塑胶纤维、红外感光仪基于光在纤维内部的全反射原理制成。2热传导用一个简单的热电偶用于获取完全的温度测量，热传导数据由珀耳贴效应产生，珀耳贴装置获取这种温度的变化，输出为电压，并且可以快速准确的被测量，这种珀耳贴应变片贴在手指的指尖部位。3纹理和滑动使用了一种

12、利用电磁场交互作用的高灵敏的装置，手指与与物体外表产生的振动被一个结合在橡胶薄膜上传感探针所传送，当物体在手指外表滑动时，探针/薄膜的运动驱使电枢运动，并改变磁场进而获取滑动感应。实验说明纹理的识别准确度根本在90以上，热觉反应实验中对于铁和铝等金属的分辨率到达90以上、泡沫到达84。多传感器集成可以检测多种信号，对于控制系统正确有效地抓取物体是非常有用的。不太多传感器的复合使得安装构造变得复杂，接收系统随之也增加，而控制系统的算法和速度也需要考虑。这种复杂的反应系统可以应用于对于反应要求较高的机械手之中，假如能用于智能假手是比拟理想的，不过还需要针对假肢的特点开战进一步的研究。最正确方法是能找到一种材料可以同时检测多种感觉，或忽略不重要的感觉，把重点放在最根本的感觉上。5、展望假手的研究和制作的目的是可以给失去肢体的残疾人带来便利，可以尽可能地模拟人的真实功能是研究的最终目的。然而人的上肢系统的构造相当复杂，感觉反应系统非常丰富，完全实现人体上肢的众多功能几乎是不可能的，需要从最根本和最简单的功能入手，进展多种探究。增加感觉反应将进步假手的仿生性，以便有效地模拟人手在实际工作中根据反应信号进展必要的调整。本文所综述的在仿生智能传感技术所获得的进展，均可作为进一步开展智能假手的参考，对于假肢来讲，研究一种构造简单、反应准确有效的传感系统将是今后智能假手研究中的重点之一。