現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用-第7章第5節(jié)人工皮膚觸覺(jué)

第七章觸覺(jué)傳感器7.5人工皮膚觸覺(jué)7.6接近覺(jué)傳感器1現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用-第7章第5節(jié)人工皮膚觸覺(jué)共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁(yè)!&觸覺(jué)傳感器的發(fā)展&觸覺(jué)傳感器用于機(jī)器人中模仿觸覺(jué)功能的傳感器。觸覺(jué)是人與外界環(huán)境直接接觸時(shí)的重要感覺(jué)功能，研制滿(mǎn)足要求的觸覺(jué)傳感器是機(jī)器人發(fā)展中的技術(shù)關(guān)鍵之一。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和各種有機(jī)材料的出現(xiàn)，已經(jīng)提出了多種多樣的觸覺(jué)傳感器的研制方案，但目前大都屬于實(shí)驗(yàn)室階段，達(dá)到產(chǎn)品化的不多。2現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用-第7章第5節(jié)人工皮膚觸覺(jué)共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁(yè)!&觸覺(jué)傳感器3現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用-第7章第5節(jié)人工皮膚觸覺(jué)共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁(yè)!&觸覺(jué)傳感器4現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用-第7章第5節(jié)人工皮膚觸覺(jué)共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁(yè)!7.5人工皮膚觸覺(jué)

人工皮膚觸覺(jué)是集觸覺(jué)、壓覺(jué)、滑覺(jué)和熱覺(jué)于一體的多功能復(fù)合傳感器，以PVDF為敏感材料，模仿人的皮膚，有柔順的接觸表面和滑、觸、熱的感知，通過(guò)各觸元的輸出信號(hào)獲取有關(guān)的信息。5現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用-第7章第5節(jié)人工皮膚觸覺(jué)共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁(yè)!7.5.1人工皮膚的結(jié)構(gòu)如圖7-28，人工皮膚是一種層狀結(jié)構(gòu)。表皮是一層柔軟的帶有圓錐體小齒的橡膠包封表皮，上下兩層PVDF為敏感層，上層PVDF薄膜鍍整片金屬電極，下層PVDF膜電極為條狀金屬膜，通過(guò)硅導(dǎo)電橡膠引線(xiàn)接電極板上。上下PVDF層間加有電加熱層和柔性隔熱層。6現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用-第7章第5節(jié)人工皮膚觸覺(jué)共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁(yè)!7.5.1人工皮膚的結(jié)構(gòu)

加熱層是厚度小于1mm的導(dǎo)電橡膠，電阻值為100~150Ω，兩邊用導(dǎo)電膠與金屬極粘結(jié)固定。當(dāng)電極間加12V的電壓后，功率為1W左右，環(huán)境溫度為20攝氏度時(shí)，人工皮膚表皮的溫度為52度（熱動(dòng)態(tài)平衡）。7現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用-第7章第5節(jié)人工皮膚觸覺(jué)共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁(yè)!7.5.2信號(hào)檢測(cè)圖7—29為PVDF敏感信號(hào)采樣電路圖：8現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用-第7章第5節(jié)人工皮膚觸覺(jué)共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁(yè)!7.5.2信號(hào)檢測(cè)由于電路性能的不穩(wěn)定和模擬開(kāi)關(guān)切換對(duì)電荷放大器的影響，輸出信號(hào)存在漂移和噪聲干擾。為濾除干擾，可采用二次采樣器，對(duì)第i個(gè)信號(hào)源采樣后，間隔時(shí)間T后，不去采樣第i+1個(gè)信號(hào)源，而仍然采樣第i個(gè)信號(hào)源。次采樣值為F(I),第二次采樣值為S(I),則重構(gòu)信號(hào)值為R(I)=F(I)+[F(I)-S(I)]9現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用-第7章第5節(jié)人工皮膚觸覺(jué)共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁(yè)!7.5.3信號(hào)提取當(dāng)人工皮膚表面觸壓物體時(shí)，上層PVDF產(chǎn)生觸覺(jué)和熱覺(jué)混合信息，如圖7-30（a）10現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用-第7章第5節(jié)人工皮膚觸覺(jué)共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁(yè)!7.5.3信號(hào)提取1.提取觸覺(jué)信號(hào)通常采用閾值法，對(duì)輸出信號(hào)設(shè)置一個(gè)觸覺(jué)閾值，大于閾值判為接觸，小于閾值判為噪聲。2.提取熱覺(jué)信號(hào)用熱覺(jué)信號(hào)的上升斜率作為特征值判別被測(cè)物體導(dǎo)熱性。3.滑覺(jué)信號(hào)的模糊處理滑覺(jué)信號(hào)由誘導(dǎo)微震動(dòng)產(chǎn)生，是一系列接觸和釋放信號(hào)的疊加。11現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用-第7章第5節(jié)人工皮膚觸覺(jué)共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁(yè)!7.6接近覺(jué)傳感器接觸覺(jué)傳感器用來(lái)判斷機(jī)器人是否接觸物體的測(cè)量傳感器，可以感知機(jī)器人與周?chē)系K物的接近程度。接近覺(jué)傳感器可以使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中接觸到障礙物時(shí)向控制器發(fā)出信號(hào)。12現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用-第7章第5節(jié)人工皮膚觸覺(jué)共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁(yè)!7.6接近覺(jué)傳感器接近覺(jué)傳感器按工作原理可分為：（1）感應(yīng)式接近覺(jué)傳感器（2）霍爾效應(yīng)接近覺(jué)傳感器（3）電容式接近覺(jué)傳感器（4）光接近覺(jué)傳感器目前國(guó)內(nèi)外對(duì)接近覺(jué)傳感器的研究，主要有以上幾種。由于接觸覺(jué)是機(jī)器人接近目標(biāo)物的感覺(jué)，并沒(méi)有具體的量化指標(biāo)。故與一般的測(cè)距裝置比，其精確度并不高。13現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用-第7章第5節(jié)人工皮膚觸覺(jué)共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁(yè)!7.6.2紅外接近覺(jué)傳感器紅外接近覺(jué)傳感器與光接近傳感器具有相同的工作原理，由紅外發(fā)光管發(fā)射經(jīng)調(diào)制的信號(hào)，再經(jīng)目標(biāo)反射，紅外光敏管收到紅外光強(qiáng)的調(diào)制信號(hào)。由信號(hào)調(diào)制和專(zhuān)用紅外濾光片來(lái)消除環(huán)境紅外光的干擾。接近覺(jué)接收信號(hào)的處理分檢測(cè)、調(diào)制、濾波三部分。14現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用-第7章第5節(jié)人工皮膚觸覺(jué)共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁(yè)!7.5.1人工皮膚的結(jié)構(gòu)

人工皮膚是指利用工程學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)的原理和方法，在體外人工研制的皮膚代用品，用來(lái)修復(fù)、替代缺損的皮膚組織。人工皮膚高度近似人類(lèi)皮膚，在治療燒傷、燙傷方面具有減輕患者疼痛，愈后不留瘢痕的特效，并且對(duì)治療糖尿病足等長(zhǎng)期難愈性潰瘍具有良好療效。15現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用-第7章第5節(jié)人工皮膚觸覺(jué)共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁(yè)!7.5.1人工皮膚的結(jié)構(gòu)16現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用-第7章第5節(jié)人工皮膚觸覺(jué)共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁(yè)!7.5.1人工皮膚的結(jié)構(gòu)電加熱層使表皮保持在適當(dāng)?shù)臏囟龋?0-70度），進(jìn)行恒溫控制或是恒功率加熱，可利用PVDF的熱釋電性來(lái)測(cè)量被接觸物體的導(dǎo)熱性能。柔順的隔熱層將上層的熱覺(jué)測(cè)試和下層的觸覺(jué)、滑覺(jué)和滑移距離測(cè)試隔開(kāi)。17現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用-第7章第5節(jié)人工皮膚觸覺(jué)共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁(yè)!7.5.1人工皮膚的結(jié)構(gòu)當(dāng)人工皮膚接觸物體后發(fā)生熱傳導(dǎo)，表皮的溫度下降。上層PVDF有觸壓和熱覺(jué)的混合輸出信號(hào)，而下層PVDF，因有隔熱層保護(hù)，只輸出觸壓信號(hào)，并且當(dāng)物體滑動(dòng)時(shí)，可檢測(cè)滑動(dòng)。根據(jù)條狀電極的輸出信號(hào)特征和觸壓區(qū)域的轉(zhuǎn)移，可推得物體的滑移距離。由上下層PVDF輸出信號(hào)的綜合處理可以區(qū)分熱覺(jué)和觸覺(jué)信號(hào)。18現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用-第7章第5節(jié)人工皮膚觸覺(jué)共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁(yè)!7.5.2信號(hào)檢測(cè)電荷放大器采用高阻抗MOSFET輸入型高精度放大器，反饋回路由云母電容并接反饋電阻R=100MΩ組成。電路采用多路模擬開(kāi)關(guān)，完成上層PVDF面和下層PVDF各條之間的采樣切換。每次采樣后，閉合一次使放大器復(fù)位，以保證每次讀數(shù)起點(diǎn)一致。A/D轉(zhuǎn)換采用逐次比較方式的A/D轉(zhuǎn)換芯片。19現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用-第7章第5節(jié)人工皮膚觸覺(jué)共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁(yè)!7.5.2信號(hào)檢測(cè)這種二次采樣方式，雖然采樣時(shí)間間隔延長(zhǎng)一倍，使響應(yīng)頻率降低，但輸出信號(hào)消除了模擬開(kāi)關(guān)切換的影響，阻止了漂移和噪聲的干擾。20現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用-第7章第5節(jié)人工皮膚觸覺(jué)共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁(yè)!7.5.3信號(hào)提取這一混合信號(hào)可分解為觸覺(jué)信號(hào)（虛線(xiàn)）和熱覺(jué)信號(hào)（實(shí)線(xiàn)）。一般觸覺(jué)信號(hào)響應(yīng)和衰減均比較快，而熱覺(jué)信號(hào)為緩變低頻信號(hào)。下層PVDF條產(chǎn)生單一的觸覺(jué)信號(hào)，圖（b）。最簡(jiǎn)單的信號(hào)處理方法就是將(a)和(b)兩信號(hào)做比例減法運(yùn)算，徹底區(qū)分觸覺(jué)和熱覺(jué)信號(hào)。21現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用-第7章第5節(jié)人工皮膚觸覺(jué)共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁(yè)!7.5.3信號(hào)提取為了識(shí)別滑覺(jué)信號(hào)引入了模糊控制，因?yàn)樽ト〉奈矬w不同，抓取的效果也不同。對(duì)易碎易爆物體，要求抓取夾緊時(shí)無(wú)沖擊，夾緊力小，且不產(chǎn)生滑落。因此有無(wú)滑動(dòng)是識(shí)別滑覺(jué)信號(hào)的依據(jù)。如圖7-32所示模糊控制是模糊集合與控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物，它是基于模糊推理、利用人的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和技巧模仿人類(lèi)思維方式、對(duì)難以建立受控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)施的一種控制策略。22現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用-第7章第5節(jié)人工皮膚觸覺(jué)共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁(yè)!7.6接近覺(jué)傳感器與精確測(cè)距不同，接近覺(jué)是一種粗略的距離感覺(jué)。它是感知敏感元件與物體之間的接近程度，其目的是是機(jī)器人在移動(dòng)和操作過(guò)程中獲知與目標(biāo)的接近程度。可實(shí)現(xiàn)避開(kāi)障礙和避免抓取物體時(shí)由于接近速度過(guò)快而造成的沖擊碰撞。大多數(shù)情況下，只要求給出簡(jiǎn)單的閾值判斷，即接近與否。特殊用途要求提供遠(yuǎn)、中、近等分檔距離。23現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用-第7章第5節(jié)人工皮膚觸覺(jué)共25頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁(yè)!7.6.1超聲