現(xiàn)代傳感器技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)和具體應(yīng)用人工皮膚觸覺

現(xiàn)代傳感器技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)和具體應(yīng)用人工皮膚觸覺&觸覺傳感器的發(fā)展&觸覺傳感器用于機器人中模仿觸覺功能的傳感器。觸覺是人與外界環(huán)境直接接觸時的重要感覺功能，研制滿足要求的觸覺傳感器是機器人發(fā)展中的技術(shù)關(guān)鍵之一。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和各種有機材料的出現(xiàn)，已經(jīng)提出了多種多樣的觸覺傳感器的研制方案，但目前大都屬于實驗室階段，達(dá)到產(chǎn)品化的不多。2現(xiàn)代傳感器技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)和具體應(yīng)用人工皮膚觸覺&觸覺傳感器3現(xiàn)代傳感器技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)和具體應(yīng)用人工皮膚觸覺&觸覺傳感器4現(xiàn)代傳感器技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)和具體應(yīng)用人工皮膚觸覺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，用來修復(fù)、替代缺損的皮膚組織。人工皮膚高度近似人類皮膚，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，并且對治療糖尿病足等長期難愈性潰瘍具有良好療效。5現(xiàn)代傳感器技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)和具體應(yīng)用人工皮膚觸覺人工皮膚觸覺人工皮膚觸覺是集觸覺、壓覺、滑覺和熱覺于一體的多功能復(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，通過各觸元的輸出信號獲取有關(guān)的信息。6現(xiàn)代傳感器技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)和具體應(yīng)用人工皮膚觸覺7.5.1人工皮膚的結(jié)構(gòu)7現(xiàn)代傳感器技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)和具體應(yīng)用人工皮膚觸覺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，通過硅導(dǎo)電橡膠引線接電極板上。上下PVDF層間加有電加熱層和柔性隔熱層。8現(xiàn)代傳感器技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)和具體應(yīng)用人工皮膚觸覺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的熱釋電性來測量被接觸物體的導(dǎo)熱性能。柔順的隔熱層將上層的熱覺測試和下層的觸覺、滑覺和滑移距離測試隔開。9現(xiàn)代傳感器技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)和具體應(yīng)用人工皮膚觸覺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，人工皮膚表皮的溫度為52度（熱動態(tài)平衡）。10現(xiàn)代傳感器技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)和具體應(yīng)用人工皮膚觸覺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有觸壓和熱覺的混合輸出信號，而下層PVDF，因有隔熱層保護(hù)，只輸出觸壓信號，并且當(dāng)物體滑動時，可檢測滑動。根據(jù)條狀電極的輸出信號特征和觸壓區(qū)域的轉(zhuǎn)移，可推得物體的滑移距離。由上下層PVDF輸出信號的綜合處理可以區(qū)分熱覺和觸覺信號。11現(xiàn)代傳感器技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)和具體應(yīng)用人工皮膚觸覺信號檢測圖7—29為PVDF敏感信號采樣電路圖：12現(xiàn)代傳感器技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)和具體應(yīng)用人工皮膚觸覺信號檢測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)起點一致。A/D轉(zhuǎn)換采用逐次比較方式的A/D轉(zhuǎn)換芯片。13現(xiàn)代傳感器技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)和具體應(yīng)用人工皮膚觸覺信號檢測由于電路性能的不穩(wěn)定和模擬開關(guān)切換對電荷放大器的影響，輸出信號存在漂移和噪聲干擾。為濾除干擾，可采用二次采樣器，對第i個信號源采樣后，間隔時間T后，不去采樣第i+1個信號源，而仍然采樣第i個信號源。第一次采樣值為F(I),第二次采樣值為S(I),則重構(gòu)信號值為R(I)=F(I)+[F(I)-S(I)]14現(xiàn)代傳感器技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)和具體應(yīng)用人工皮膚觸覺信號檢測這種二次采樣方式，雖然采樣時間間隔延長一倍，使響應(yīng)頻率降低，但輸出信號消除了模擬開關(guān)切換的影響，阻止了漂移和噪聲的干擾。15現(xiàn)代傳感器技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)和具體應(yīng)用人工皮膚觸覺信號提取當(dāng)人工皮膚表面觸壓物體時，上層PVDF產(chǎn)生觸覺和熱覺混合信息，如圖7-30（a）16現(xiàn)代傳感器技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)和具體應(yīng)用人工皮膚觸覺信號提取這一混合信號可分解為觸覺信號（虛線）和熱覺信號（實線）。一般觸覺信號響應(yīng)和衰減均比較快，而熱覺信號為緩變低頻信號。下層PVDF條產(chǎn)生單一的觸覺信號，圖（b）。最簡單的信號處理方法就是將(a)和(b)兩信號做比例減法運算，徹底區(qū)分觸覺和熱覺信號。17現(xiàn)代傳感器技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)和具體應(yīng)用人工皮膚觸覺信號提取1.提取觸覺信號通常采用閾值法，對輸出信號設(shè)置一個觸覺閾值，大于閾值判為接觸，小于閾值判為噪聲。2.提取熱覺信號用熱覺信號的上升斜率作為特征值判別被測物體導(dǎo)熱性。3.滑覺信號的模糊處理滑覺信號由誘導(dǎo)微震動產(chǎn)生，是一系列接觸和釋放信號的疊加。18現(xiàn)代傳感器技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)和具體應(yīng)用人工皮膚觸覺信號提取為了識別滑覺信號引入了模糊控制，因為抓取的物體不同，抓取的效果也不同。對易碎易爆物體，要求抓取夾緊時無沖擊，夾緊力小，且不產(chǎn)生滑落。因此有無滑動是識別滑覺信號的依據(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、知識和技巧模仿人類思維方式、對難以建立受控對象數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)實施的一種控制策略。19現(xiàn)代傳感器技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)和具體應(yīng)用人工皮膚觸覺7.6接近覺傳感器接觸覺傳感器用來判斷機器人是否接觸物體的測量傳感器，可以感知機器人與周圍障礙物的接近程度。接近覺傳感器可以使機器人在運動中接觸到障礙物時向控制器發(fā)出信號。20現(xiàn)代傳感器技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)和具體應(yīng)用人工皮膚觸覺接近覺傳感器與精確測距不同，接近覺是一種粗略的距離感覺。它是感知敏感元件與物體之間的接近程度，其目的是是機器人在移動和操作過程中獲知與目標(biāo)的接近程度。可實現(xiàn)避開障礙和避免抓取物體時由于接近速度過快而造成的沖擊碰撞。大多數(shù)情況下，只要求給出簡單的閾值判斷，即接近與否。特殊用途要求提供遠(yuǎn)、中、近等分檔距離。21現(xiàn)代傳感器技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)和具體應(yīng)用人工皮膚觸覺接近覺傳感器接近覺傳感器按工作原理可分為：（1）感應(yīng)式接近覺傳感器（2）霍爾效應(yīng)接近覺傳感器（3）電容式接近覺傳感器（4）光接近覺傳感器目前國內(nèi)外對接近覺傳感器的研究，主要有以上幾種。由于接觸覺是機器人接近目標(biāo)物的感覺，并沒有具體的量化指標(biāo)。故與一般的測距裝置比，其精確度并不高。22現(xiàn)代傳感器技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)和具體應(yīng)用人工皮膚觸覺超聲接近覺傳感器與上述各種工作原理的超聲接近覺傳感器相比較，超聲接近覺傳感器對材料的依懶性小，可測非金屬和絕緣材料的接近覺，精確程度也高。1.超聲換能器2.發(fā)射與接收信號波形分析23現(xiàn)代傳感器技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)和具