（模式识别与智能系统专业论文）三维柔性触觉传感器的信息提取与分析.pdf

摘要 摘要 随着机器人技术的进步，智能化越来越成为其发展的方向，而感知则是实 现机器人智能的基础。同视觉、听觉一样，触觉是机器人感知外部信息的重要 手段，它可以帮助机器人感觉并识别物体，完成多种复杂的任务。 目前，对于单维力触觉传感器的研究已经较为成熟，但是单纯对法向力的 检测已经很难满足智能机器人对触觉传感器的要求。鉴于多数物体的表面并不 是平整的，因此触觉传感器在检测接触物体表面的各项参数时，对切向力的检 测是必需的。近年来，人们不断尝试从压电，电容，p v d f ，m e m s 等技术出发来 研究可以检测三维力的触觉传感器。但取得实质性进展的研究成果大都是盔甲 式或者组合式的触觉传感器阵列，它们基本上是很难满足服务机器人特别是仿 生机器人的实际需求的。 本论文创新的开发了一套专门针对一种基于压敏导电橡胶的并且可以 “整体注射成型”的新型三维柔性触觉传感器的数据采集与分析系统以及标 定平台，该采集系统可以实时高速的对三维柔性触觉传感器的变化信息进行采 集，并且可以实时的在p c 机上显示信息；新型标定平台对传感器的静态特性 进行了标定。 本文是在国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 资助项目“用于检测三维力 的人工皮肤”( 编号：2 0 0 7 a a 0 4 2 2 2 0 ) 以及国家自然科学基金课题“一种新型柔 性三维阵列触觉传感器的研究 ( 编号：6 0 6 7 2 0 2 4 ) 的资助下完成的。 本文的主要内容如下： 1 、三维柔性触觉传感器采集系统的设计。 对三维柔性触觉传感器采集系统的总体框图做了简单介绍，其后对三维柔 性触觉传感器的设计、检测原理以及检测中可能存在的串扰问题给予了解决。 对三维柔性触觉传感器的功能电路进行了详细的介绍，从器件的选择到最后形 成电路都给予了介绍。对固件程序的开发进行了比较完整的介绍，包括开发环 境的建立固件程序的具体设计。并且单独对基于u s b 的通信设计进行了详细介 绍。 2 、基于p c 的系统软件设计。 由于三维柔性触觉传感器系统应用程序是在w i n d o w sx p 环境下开发的，所 以对w i n d o w sx p 环境下的i o 请求处理方式进行了介绍。并对驱动程序进行 介绍，主要对w d m 驱动程序跟u s b 驱动程序进行了介绍。对三位柔性触觉传感 器采集系统的滤波算法进行了介绍，后面主要介绍了三位柔性触觉传感器采集 系统的应用程序设计。 摘要 3 、标定试验台的搭建以及实验结果分析。 针对三维柔性触觉传感器系统要进行实时、高速的采集、分析等特点。下 位机a d 采集和总线通信系统是以c 8 0 5 1 f 3 2 0 单片机为核心的硬件进行了设计， 上位机主要采用基于u s b 的p c 机的软件系统设计，此系统包括三维柔性触觉传 感器信号的采集、分析以及上下位机通信的u s b 端口的设计。 通过实验室自己设计的标定试验台对柔性触觉传感器的静态特性进行了标 定。文中详细描述了利用该标定试验台的搭建，以及传感器标定的基本方法与 步骤，给出了传感器的标定并提出了对数据进行校验的优化方法，以便于使得 数据更接近实际。 关键词：三维柔性触觉传感器数据采集数据分析 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fr o b o tt e c h n o l o g y m u c ha t t e n t i o nh a sb e e na t t r a c t e dt o t h er e s e a r c ho nt a c t i l es e n s o r b e i n ga i li m p o r t a n ts e n s i n gc a p a b i l i t yo fi d e a lr o b o t s ， t a c t i l es e n s o ra c q u i r e st h ee x t e r n a li n f o r m a t i o nv i ai n t e r a c t i o nt oh e l pr o b o t st o c o m p l e t eav a r i e t yo fc o m p l e xt a s k sw i t ha c c u r a t ep e r c e p t i o n t h et a c t i l es e n s o ru s e d a sar o b o t ss k i ns h o u l db ea b l et op r o v i d es p a t i o t e m p o r a li n f o r m a t i o no nc o n t a c t b e t w e e ni t sb o d ys u r f a c ea n dm a n i p u l a t e do b j e c t e s p e c i a l l y ，i ts h o u l db ea b l et o m e a s u r e3 df o r c e t h et a c t i l es e n s o ra l s on e e d st ob es of l e x i b l et h a ti tc a nb e m o u n t e do nc u r v e dr o b o t ss u r f a c e r e c e n t l y ，d i f f e r e n tt y p e so ft e c h n i q u e sh a v eb e e ne x p l o r e di nr e a l i z i n gt h et a c t i l e s e n s o r sb a s e do nm e m s ，c a p a c i t i v e ，p i e z o e l e c t r i ca n dp v d ft e c h n i q u e s m o s to f s e n s o r sa r ej u s tc o m b i n e da r r a y s ，w h i c hl i m i tt h e i rf l e x i b i l i t y h o w e v e r ，f o rm o s to f o b j e c t st ob ei n t e r a c t e d 、i t hr o b o t s t h e i rs u r f a c e sa r eh i g h l yc u r v e dr a t h e rt h a nb e i n g s i m p l ep l a n a r t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft a c t i l es k i n l i k es e n s o r a r r a y 谢t hg o o df l e x i b i l i t yi se s s e n t i a l a n dt h eo t h e ri st h i na n df l e x i b l e ，b u td e t e c t e d t a c t i l ei n f o r m a t i o ni sg e n e r a l l yl i m i t e dt op r e s s u r ef o r c e h e n c ei tc a n n o tm e e tt h e a c t u a ld e m a n df o rr o b o t s ，e s p e c i a l l yf o rb i o r o b o t i nt h i sp a p e r ，w ed e s i g naa c q u i s i t i o na n da n a l y z i n gs y s t e mf o ran e wf l e x i b l e t h r e e d i m e n s i o nf o r c es e n s o rm a d ev i a ”o v e r a l li n j e c t i o nm o l d i n g ”t e c h n i q u e t h i s s e n s o ri sf l e x i b l ea n di tc a na l s om e a s u r et h r e e d i m e n s i o n a lc o n t i n u o u sf o r c e i nt e r m s o ff e a t u r so fs e n s o rd a t ep r o c e s ss y s t e m ：r e a l - t i m e ，h i g h s p e e ds i g n a la c q u i s i t i o na n d a n a l y s i s ，m e a n w h i l e ，i n f o r m a t i o n c a nb e d i s p l a y e d i np ci nr e a lt i m e s e s o r p e r f o r m a n c et e s tp l a t f o r mb u i l d i n ga n de x p e r i m e n tr e s u l t sa n a l y s i s n l i sp a p e ri ss u p p o r t e db yt h ef o u n d a t i o no f8 6 3p r o g r a m ( g r a n t 2 0 0 7 a a 0 4 2 2 2 0 ) a n dn a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( g r a n t # 6 0 6 7 2 0 2 4 ) t h em a i nc o n t e n t so ft h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 aa c q u i s i t i o na n da n a l y z i n gs y s t e mf o ran e wf l e x i b l et h r e e d i m e n s i o nf o r c e s e n s o r ab r i e fd e s c r i p t i o no fb l o c kd i a g r a ma c q u i s i t i o ns y s t e mo ff l e x i b l e t h r e e d i m e n s i o nf o r c es e n s o r ，a n dt h e ni n t r o d u c et h ed e s i g no ff l e x i b l e t h r e e d i m e n s i o nf o r c es e n s o ra n dt e s tp r i n c i p l e ，s o l v i n gt h ec r o s s t a l kp r o b l e m a d e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h ec i r c u i to ff l e x i b l et h r e e d i m e n s i o nf o r c es e n s o ri s i n t r o d u c e d ，f r o md e v i c es e l e c t i o nt ot h ef i n a lf o r m a t i o no ft h ec i r c u i ta r eg i v e na a b s t r a c t d e s c r i p t i o n ar e l a t i v e l yc o m p l e t e dd e s c r i p t i o ni sg i v e nt ot h ed e v e l o p m e n tf i r m w a r e ， i n c l u d i n gt h ee s t a b l i s h m e n to fd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，t h es p e c i f i cd e s i g no f a n d i n t r o u d u c i n gt h ed e s i g no fu s b - b a s e dc o m m u n i c a t i o ni nd e t a i l 2 t h ed e s i g no fs o f t w a r es y s t e mo np c - b a s e d a st h es y s t e ma p p l i c a t i o ns o f t w a r eo f t h ef l e x i b l et h r e e - d i m e n s i o nf o r c e s e n s o ri sd e v e l o p e du n d e rw i n d o w sx p e n v i r o n m e n t i or e q u e s tp r o c e s s i n gm e t h o dw a si n t r o d u c e d i nw i n d o w sx p e n v i r o n m e n t a n dd r i v e r sa r ei n t r o d u c e d ，m a i n l ya b o u tt h ew d m d r i v e ra n du s b d r i v e r t h ef i l t e r i n ga l g o r i t h m so ft h ef l e x i b l et h r e e d i m e n s i o nf o r c es e n s o r 、糨 i n t r o d u c e d ，a n dt h e ni n t r o d u c i n gt h ed e s i g no fs y s t e ma p p l i c a t i o ns o f t w a r eo ft h e f l e x i b l et h r e e d i m e n s i o nf o r c es e n s o r 3 s e s o rp e r f o r m a n c et e s tp l a t f o r mb u i l d i n ga n de x p e r i m e n tr e s u l t sa n a l y s i s i n t e r m so ff e a t u r so fs e n s o rd a t ep r o c e s ss y s t e m ：r e a l t i m e ，h i 曲一s p e e ds i g n a la c q u i s i t i o n a n da n a l y s i s t h em c ua c h i e v e st h ef u n c t i o no ft h ea d s a m p l i n ga n dc o m m u n i c a t i o n w i t hp cb yu s i n gc 8 0 51f 3 2 0 ，a n dp ci sm a i n l yt h es o f t w a r es y s t e mw h i c hi n c l u d e s t h ea c q u i r e m e n to ft h es e n s i n gi n f o r m a t i o n ，s i g n a lp r o c e s s i n ga n dt h e d e s i g no ft h e u s b p o r t t h r o u g ht h ec a l i b r a t i o np l a t f o r m ，w ec a l i b r a t et h ef l e x i b l et h r e e d i m e n s i o n f o r c es e n s o r i nt h i sp a p e rw ea l s oi n t r o d u c et h ep r o c e s so fp l a t f o r mb u i l d i n g ，c a l i b r a t e e x p e r i m e n tp r o c e s sa n da sw e l la st h eo p t i m i z em e t h o df o ra d j u s t i n gd a t e s k e yw o r d s ： f l e x i b l et h r e e - d i m e n s i o nf o r c es e n s o r s i g n a la c q u i s i t i o n d a t ea n a l y s i s 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中 国学位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：趑整 签字日期：幽! ：! ：! ! 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 随着人类探索过程的不断深入以及人类活动的不断扩大，机器人的研究正 在朝着自主、精密、特种以及智能化的方向发展，而机器人智能化就需要机器 人能够获取自身以及周围环境的大量信息，并根据这些信息来采取相应的决策， 这是智能机器人在未知或者时变环境下，自主作业时所必须解决的理论与技术 i t - 3 o 机器人的感知系统来完成对信息的获取。尽管机器人的视觉可以获取大量 的视觉信息，但是由于图像处理的实时性差、复杂性以及在视觉传感器与物体 之间有障碍或者在没有光源时就不能正确获取相关信息的缺点，因此目前视觉 传感器还远远没能够使机器人的视觉具有与人类的视觉差不多相同的功能，在 目前的情况下，一般仅仅把视觉传感器限定于去完成特殊的作业。相反，机器 人触觉传感器的研究，经过不断的探索、努力，已经取得了非常令人瞩目的成 就，具体表现在触觉信息的获取具有多样性以及各种信号处理的实时性；另外， 触觉传感器的灵敏度比较好、并且具有能耐高低温的性能，可以应用到特殊环 境等特点，则是人类所不能比拟的。因此机器人触觉传感技术的研究已经成为 机器人研究领域中比较热门的课题之一h 呻。 机器人的仿生触觉是模仿人的触觉功能，通过触觉传感器与被识别物体相 互接触，或者互相作用来完成对物体性能以及物体表面情况和的感知。目前， 机器人技术已经进入智能化的时代，这样就需要智能机器人的任何部位都应具 有实时感知外部环境的能力，由于新型压敏导电橡胶的研制、传感器技术快速 发展，在智能机器人触觉传感器技术领域呈现出了一个新的研究热点“机 器人柔性敏感皮肤”，具有感知功能的机器人柔性敏感皮肤可以增强机器人在 各种环境下完成各种精细、复杂作业的能力，提高机器人系统的作业水平和智 能化水平，对高级服务机器人、空间机器人以及危险环境下的精密操作微驱动 机器人等领域都将会产生重要的影响。它在研究方法、学科基础、研究内容等 方面都将与传统的机器人感知系统所不同，许多关键的基础研究都可以得到长 足的发展。 本论文中所介绍的是一种可以整体注射成型，类似于生物皮肤组织的柔性 三维触觉传感阵列。该国家项目的研究突破了传统的三维触觉阵列传感器是由 多个触觉传感器单元组成的组合式的阵列结构，此项目将会解决现有三维触觉 传感器不能连续测量三维力特征信息以及同时兼有柔韧性等难题；并以此为基 第1 章绪论 础研制一种将来可用于智能机器人的，可检测出三维力的柔性触觉传感器( 人 工皮肤) ，这种人工皮肤使机器人既能敏感地准确地感知外部的环境，同时又 能灵活的自如地运动，实现了与人类安全自然的接触交互。此研究成果不仅有 望推动仿生智能机器人和智能服务机器人的发展，而且在先进制造、航空航天、 体育训练、康复医疗等诸多领域中，也具有广泛的应用前景。 本论文涉及的研究内容来源如下： 1 项目名称：“一种新型柔性三维阵列触觉传感器的研究 。国家自然科学 基金项目( 编号：6 0 6 7 2 0 2 4 ) 。执行时间：2 0 0 7 1 - 2 0 0 9 1 2 。 2 项目名称：“用于检测三维力的人工皮肤”。国家高技术研究发展计划 ( 8 6 3 计划) 资助项目，所属专题：智能机器人技术( 编号：2 0 0 7 从0 4 2 2 2 0 ) 。执 行时间：2 0 0 7 9 - 2 0 1 0 9 。 1 2 柔性阵列触觉传感器及其应用 触觉传感器从物理特性上像人类的皮肤一样的柔软既是触觉传感器的柔性 化，并且不会受到载体的面积和结构的影响，制作在任意的载体的表面进行接 触压力的测量。特别对于有迫切需求的智能服务机器人和仿生物智能机器人来 说，都要求智能机器人配备足够柔软的触觉传感器叫。由于柔性触觉传感器必 须在接触物体的情况下才能够能够获取信息。因此在一般情况下，表面接触的 面积越大，获得的信息量就会越大，因此这种模仿触觉感觉功能的智能机器人 需要的是具备高速响应、具备高精度、具备高分辨率且能任意分布的柔性触觉 传感器。并且在许多需要接触的压力测量情况下，一方面需要触觉传感器具有 一定的柔韧性，并且能具有感触大表面积的敏感性来准确地去感知丰富的触觉 信息以及信息的分布情况，另一方面此种触觉传感器还需要能够提供足够的空 间分辨率和测量范围。在这种情况下就需要利用触觉传感器阵列来实现了，触 觉传感器阵列是由多个触觉敏感单元组成。这种具备数据处理功能的阵列触觉 传感器可以部分的或全部的覆盖于机器人的体表面，目的就是为了能够使机器 人准确地感知并获得温度、压力等触觉信息哺1 。目前智能机器人所涉及到的 敏感皮肤领域是智能机器人触觉传感器研究的主要方向，这种柔性敏感皮肤不 但可以使智能机器人具备柔软的触觉传感器皮肤，同时又可以即灵巧又安全的 去实现人类与机器人的互动。 目前所研究的柔性阵列式触觉传感器大多数是利用触觉传感器来检测垂直 于被检测表面的接触信息即只能实现测量单维触觉传感功能。但是当机器人需 要精确且灵巧地完成操作和抓持任务时就必须具有感知三维触觉力的传感能 力，也就是说至少要能精确测量x 、y 、z 三个方向的作用力。也就是说此类柔 2 第1 章绪论 性触觉传感器除了能够探测到所施加的法向力外，还必须能够探测出所施加的 切向力，此外更为重要的是对切向力的信息提取，对于机器人的灵巧操控是相 当有用的u 。因此柔性阵列触觉传感器就出现了一个新的研究方向：能够检测 三维力。希望应用三维力触觉传感技术来更精确地检测触觉的接触状态，推动 智能机器人技术和人体生物力学等领域的研究快速发展。 对各种触觉压力分布的测量以及分析，在体育训练和安全，康复医疗，人 体健康，运动生物力学等诸多领域均有广泛应用。比如在汽车行业中，需要测 量人体对座椅的触觉压力分布副以便于能更很好的研究座椅的舒适性；为了 确保车门密封性的良好，需要测量车门的密封条在关门时的受力分布：为了提 高轮胎的性能以及检测轮胎和路面的磨损程度，需要测量地面与轮胎的压力分 布和接触轮廓。柔性触觉在人体生物力学中是非常常见的，比如人体足部与地 面的接触压力等副。目前足底压力的分布在临床医学以及生物力学等方面的重 要性，越来越引起人们的高度重视。另外在康复医疗、体育训练中更有诸多需 要测量柔性接触压力的场合u 铲坩。通过对接触压力的测量与分析，可以对运动 员在体育项目中提高竞技水平取得好成绩起到关键的指导作用。通过对运动员 的动作进行监测，结合以前的情况给出数据分析结果，及时纠正错误技术动作， 提高训练的技术含量。正是由于对人体触觉分布提出更高的测量要求，使得触 觉传感器的应用范围得到了更为广泛的提高，这种具备很好柔性的触觉传感器 将可用于监测与人类健康和安全等密切相关的各种接触压力分布信息。图 卜1 表明了柔性触觉传感器在人体接触中的应用例子。 在当今世界，计算机技术俨然已经成为人们日常生活中的一部分，人们在 家中，无论是工作还是休闲都会与计算机以及各种电子产品进行互动，而柔性 触觉传感器技术作为计算机应用技术中一项创新，是外围人机界面与计算机的 一个新的发展。像有效的触觉力反馈系统和触摸式屏幕等。在这个新兴的触觉 领域中需要具有的一项特征就是柔性，以便于容易安装且灵巧和敏感的触觉传 感器来检测力和压力的分布信息。正是鉴于目前的触觉研究，特别是近期对柔 性触觉力传感器技术的研究，开创了包括娱乐，医疗，制造业等各种新的触觉 应用领域。对此问题的研究不仅利于机器人自身的控制系统，如医疗机器人外 科手术的操作，机器人对人的服务，而且越来越适用于各行业的虚拟现实系统， 如娱乐、军事、航空航天应用等u 。 第1 章绪论 二曼爨 一、妻 图卜1 触觉传感器在人体接触压力分布中的应用 来自英国敦提大学的m e h e l t a i b 等人详述了人工触觉传感技术在微创外 科手术m a s ( m i n i m a la e e e s ss u r g e r y ) d p 的应用，并提出了利用柔性触觉传感器 来探测身体复杂且柔软的器官和组织的接触信息，比如力，温度，纹理和湿度 等，这些接触信息给外科医生提供了关键的诊断信息，因此对于保证人体安全 是极其重要的。同时触觉反馈模拟系统的腹腔镜手术也被应用在了m a s 的外科 医生培训中“。如图卜2 所示。 图卜2 微创外科手术( m a s ) 中的触觉传感系统 触觉传感器的应用领域除上述的之外，在机器人领域中的柔性触觉传感器 应用也是是显而易见的。像目前发展非常迅速的各种服务型机器人，通过给机 器人配备柔性的敏感皮肤，使得它们能够更好地为人类服务，比如家庭用的清 洁、保姆等各种服务型机器人，都实现了良好的人机互动功能。日本东京大学 i k u o m i z u u c h i 预测了图卜3 所示的具有肌肉和柔性骨关节的仿人机器人太郎在 2 0 2 0 年的发展趋势，预示着未来可通过对太郎的全身配置触觉传感器使机器人 太郎的身体整体赋予柔性，更接近于人类，也能更方便的进入人类科技文明领 第1 章绪论 域中，精细的完成各种复杂环境下的艰巨任务。同时特别提出了压力敏感导电 橡胶应用于机器人太郎检测触觉信息具有可行性挣2 “。 图卜3 日本仿 机器人太邮 1 3 柔性触觉传感器的研究背景 人类在过去的3 0 多年中运用了各种各样的新的敏感机理以及新的敏感材 料来仿真触觉、模仿触觉，使触觉传感技术的研究取得了较大的进步。特别是 在2 0 世纪八十年代以后各个国家开始对机器人触觉传感器技术进行比较系统 的研究，涉及的种类也比较繁多，其工作原理包括磁敏式、压阻式、超声式、 电容式、压电式以及光波导式等。智能机器人技术的发展使各种新型的触觉传 感器得到越来越多的应用，目前的研究热点是实现触觉传感器的三维力测量以 及柔性化。 1 , 3 1 国外柔性触觉传赌器的研究现状 最早研制敏感皮肤的是美国m s l 公司，此个敏感皮肤是由气体和温度传感 器、非接触式超声波传感器、薄膜电容接近传感器所组成该敏感皮肤可以根 据所需的实际需要切削成合适的形状，粘贴在自动化仪器或者智能机器人身上， 可虬为宿主系统提供外界环境距离和温度信息皿1 ，该敏感皮肤应用在工业机器 人手臂上如图卜4 所示。由于传感嚣本身受环境湿度、温度等条件的影响，以 及超声固有的宽波束角，敏感皮肤的测量值与实际值之间存在着较大的误差。 第1 章绪论 图1 - 5 传感器结构示意图 在2 0 0 3 年，来自美国伊利诺斯州大学的j o n a t h a n e n g e l 等人研究了用聚酞 亚胺和金属薄膜应变计的柔性触觉传感器皮肤临3 。2 0 0 6 年他们又利用利用聚合 物结构，将能够识别材质、温度和力、硬度及热传导等材料特性的独立传感器 件分布在聚合物内部，制备了可识别物体性能的柔性多功能触觉敏感系统。图 卜6 为多功能柔性敏感阵列。 第1 章绪论 o - n - u ( 目) 黧。 图1 - 6 多功能柔性敏感阵列 圈 第1 章绪论 来自日本大阪大学的研究者h o s o d a 开发了一种用于软手的触觉传感器“。 其具体设计如下：将两种不同硬度的硅胶灌入中间插有金属棒的模子中，并且 分内外两层，在每层中分别将6 片p v d f 薄膜和6 片金属电阻应变计位置任意 的埋入硅胶中，共构成2 4 个“感受器”。表层的应变计可以用以感受局部静态 受力应变，而内层靠近金属棒的应变计则用以感受整体静态受力应变情况， p v d f 薄膜用以感知受力的动态变化。其结构如图卜8 所示。但是，由于此种结 构的设计，造成力的敏感体是随机分布于柔性硅胶材料之中的，因此传统的三 维力触觉传感器的力与输出之间的线性关系将不再适用而需要采用较复杂的 数据处理方法，从测量信号中提取有用的信息。 图卜8 软手指触觉传感器结构示意图 来自美国明尼苏达州大学的l e e 等人”研制出一种类似皮肤的薄膜，利用 薄膜的压电效应来感知外部压力，薄膜结构如下图卜9 所示。美国伊利诺大学 香宾分校的a n 等人利用导电橡胶来做覆层材料，设计传感皮肤，内部有触 觉传感阵列，采用液体金属合金材料( 成分：6 85 镓、2 l5 锢、1 0 锡) 实现传 感皮肤信号间的联系，从而增加了皮肤的灵活性，但是具体实现起来就比较困 难了。 围1 - 9 薄膜结构示意图 第1 章绪论 1 3 2 国内柔性触觉传感器的研究现状 一种基于p v d f 的仿生皮肤在重庆大学的张玲等人的团队中研制成功，该仿 生皮肤是由聚偏二氟乙烯( p v d f ) 材料所构成，它是通过呈立式放置和缠绕式放 置大量的几十微米的p v d f 薄膜丝神经纤维束( 其构造示意图如图1 - 1 0 所示) 在合 成橡胶基片上的高分子充水薄膜微球中，来更好的模拟仿生皮肤的触觉。由于压 电效应而产生电荷是x 、y 、z 方向，因此可感知三维力。应用中存在的主要问题 是：传感器所用材料对温度太敏感，使得压电信号同热电信号耦合在一起，不能 测纯静态信号；另外，由于压电材料产生的电荷是需要单独积累的，因此必须为 每个传感器都配备一个电荷放大器，这样不仅价格非常昂贵，而且电路实现起来 也是较复杂的。 图1 1 0p v d f 薄膜丝神经纤维束构造示意 来自杭州电子工业学的院罗志增等人研制了一种人工皮肤，其结构剖面图如 图卜1 l 所示，其表面是由柔软且带有小齿的橡胶来作为表皮的，人工皮肤触觉的 两个钡0 试空间是由柔性隔热层来营造的，下层是触觉测试，上层是热觉测试。通 过检测接触力，并对一系列接触和释放信号进行叠加，经过模糊处理，便可获取 滑觉信息。但是作为一个传感系统，它还是需要进一步完善的，如热觉灵敏度的 提高、触觉需拓展成阵列形式、外引线问题的解决等。 图1 1 1 人工皮肤结构剖面图 来自哈尔滨工程大学的林晓艳等人研制了一种光纤智能皮肤，在此皮肤中布 设t - 维分布式光纤阵列，它是利用了光纤微弯损耗的传感机理，实现了对压觉 的识别，光纤微弯传感器虽然结构实现比较简单，但是仍存在光强漂移、光源的 9 第1 章绪论 温度补偿、系统的标定、输出的非线性等问题。光纤微弯传感器装置如图1 - 1 2 所示 图1 1 2 微弯型光纤传感器装置 来自重庆大学的秦岚等人研制了一种基于导电橡胶的触觉传感服装技术，这 种触觉传感服装的分层结构如图1 - 1 3 所示。此技术也是利用导电橡胶所具有的压 阻特性，来实现对触觉信息的采集识别，并且可以感知所受外力以及接触物外形 轮廓，另外触觉分辨率也具有可调的特点。 1 爱盏保护层：作为外层 保护层的普通布 2 下电板皈；在p b 板上用 银浆印刷电路 6 阵列触点层- 用导电橡 胶翻成粘接在下电极扳 上 5 网状村垫层t 用来隔断 上下电极 3 下电极扳t 在p b 板上用 银浆印刖电路 4 覆盖保护层t 作为外 层保护层的普通布 图1 1 3 触觉传感服装的分层结构示意图 中国科学院合肥智能机械研究所成功研制出一种以m e m s 技术制作的阵列 式触觉传感器，再将多个三维力触觉传感器单元分别通过倒装焊技术集成在已经 加工好的柔性电路板基底上，如图1 - 1 4 所示，从而实现了传感器的柔性化和三维 力的检测。该传感器可以定量地检测出三维接触力信息，通过对三维力信息的处 理来获取接触力大小、接触力的分布、滑动的趋势及发生等多种有用信息。 第1 章绪论 图1 - i 4 柔性三维力触觉传感器阵列 来自哈尔滨工业大学机器人研究所的王嘉力等人研制的微型六维力，力矩传 感器，被应用至r j h i t d l r 机器人灵巧手指尖上，能模仿人手去做各种灵巧操作。 其实物图与结构剖面图如图卜1 5 所示。 圈：匿 图1 1 5 微型六维力、力矩传感器实物圈与结构削面圈 1 4 论文的主要研究内容和目标 1 f 4 1 研究内容 本论文的工作是在国家8 6 3 项目( n o 2 0 0 7 a a 0 4 2 2 2 0 ) 咀及国家自然基金项 目( n o6 0 6 7 2 0 2 4 ) 的资助下，针对耳前三维阵列触觉传感器研究和应用中不能兼 有测量三维力特征信息以及柔韧性等难题提出一种基于压力敏感导电橡胶的 新型柔性三维阵列触觉传感器。此个国家课题是以传感技术、材料科学、人工 智能以及纳米技术等学科的原理为基础研究基于压力敏感导电橡胶的复合材 料和能感知三维力信息的新型三维柔性阵列触觉传感器。本文所涉及的研究内 容如下：为了实现对三维柔性触觉传感器的特征信息进行提取与分析，设计了 相应的软硬件系统，整个柔性触觉传感器的信息提取系统可以分为下位机以及 上位机两部分，下位机是基于增强型5 l 单片机c 8 0 5 1 f 3 2 0 为核心的信号采集、 第1 章绪论 信号处理和信号传输单元；上位机采用v c + + 编程来实现采集数据的界面化，并 可以通过界面按钮对采集数据进行保存分析。 1 4 2 研究目标 本文针对目前三维阵列触觉传感器的研究以及应用中不能兼有测量三维力 特征信息以及柔韧性等难题，提出一种基于压力敏感导电橡胶的新型柔性三维 阵列触觉传感器，建立能够并行获取三维力信息量的智能信息处理模型，构建 基于注射式三维柔性阵列触觉传感器的标定实验研究平台。研究工作及成果可 为人工智能、传感器技术、材料科学、仪器仪表科学等学科交叉的研究提供一 种新思路，为进一步研究柔性触觉传感器以及机器人敏感皮肤的推广应用奠定 良好的基础。有望推动仿生智能机器人和智能服务机器人的发展，在运动生物 力学、人体建模与仿真、体育训练、康复医疗等诸多领域中，也将具有广泛的 应用前景。 1 5 论文的章节安排 本文所述的内容是国家高技术研究发展计划资助项目“用于检测三维力的 人工皮肤”以及国家自然基金项目“一种新型柔性三维阵列触觉传感器的研究” 研究任务中的一部分。文章的章节安排如下： l 、第一章绪论。本章概述了柔性多维阵列触觉传感器及其在智能机器人 和医学等领域中的应用，以及柔性多维阵列触觉传感器的发展概况；详细的介 绍了目前国内外触觉传感器研究的现状以及不足。针对国内外目前在柔性触觉 传感器方面的不足，提出了基于本课题的三维柔性触觉传感器，并给出了本文 的主要研究内容、研究目标以及本论文的构成。 2 、第二章三维柔性触觉传感器采集系统的组成。本章前两小节首先对三 维柔性触觉传感器采集系统的总体框图做了简单介绍，其后对三维柔性触觉传 感器的设计、检测原理以及检测中可能存在的串扰问题给予了解决。本章的第 三小节主要对三维柔性触觉传感器的功能电路进行了详细的介绍，从器件的选 择到最后形成电路都给予了介绍。第四小节对固件程序的开发进行了比较完整 的介绍，包括开发环境的建立固件程序的具体设计。第五小节单独对基于u s b 的通信设计进行了详细介绍。 3 、第三章基于p c 的系统软件设计。由于三维柔性触觉传感器系统应用程 序是在w i n d o w sx p 环境下开发的，所以本章第一小节首先对w i n d o w sx p 环境 下的i 0 请求处理方式进行了介绍。第二小节对驱动程序进行介绍，主要对 第1 章绪论 w d m 驱动程序跟u s b 驱动程序进行了介绍。第三小节首先介绍了三位柔性触觉 传感器采集系统的滤波算法，后面主要介绍了三位柔性触觉传感器采集系统的 应用程序设计。 4 、第四章三维柔性触觉传感器标定试验台。本章第一小节首先对设计标 定实验平台的软件s o l i d w o r k s 进行了简单介绍；在第二小节中对所设计的 标定试验台进行了比较清楚的介绍。最后第三小节给出了标定实验的设计 思路。 5 、第五章实验结果及其分析。本章中对采集到的数据进行分析，得到了 传感器的静态特性指标。 6 、第六章总结与展望。这一部分充分的总结了本文的主要内容和成果， 同时根据现有的工作中的不足之处提出了今后的工作方向与重点。 第2 章三维柔性触觉传感器采集系统的组成 第2 章三维柔性触觉传感器采集系统的组成 2 1 三维柔性触觉传感器采集系统的组成 三维柔性触觉传感器采集系统作为一种针对三维柔性触觉传感器的信息采 集系统，能够直接获得由于力的加载而使柔性触觉传感器产生弹性形变进而使 得柔性触觉传感器的阻值变化而产生的电压信号，并能对获取的信息进行实时 显示。三维柔性触觉传感器采集系统由触觉传感器、标定加载试验台、数据采 集软硬件系统、上位机软件体统组成。图1 是三维柔性触觉传感器采集系统的 原理框图。 k 。 一j 1 黔+ 一。q i 渺譬感曼p数据采； 数据处理数据 k 。，_ 。j 号| ! 生能分 卜 输出集软硬 叫 1。? ： 件系统析系统i系统 加载试验台 叫 i 。i k i ! ! ，藕 图2 - 1 柔性触觉传感器采集系统原理框图 通过加载试验台对触觉传感器实施力的加载，由于压阻效应而使得触觉传 感器有电压的输出，硬件采集电路将采集到的信息通过u s b 接口传送给上位机。 上位机用普通的p c 机就可以满足速度方面的要求，其上配置三维柔性触觉传 感器采集系统的系统软件，通过系统软件提供的友好操作界面，可以通过u s b 接口从下位机那里获取传感器的信息，并对信息进行显示和必要的处理。本章 将主要对触觉传感器及下位机系统进行介绍。 2 2 三维柔性触觉传感器 本文将介绍一种新型的三维柔性触觉传感器，此种传感器是基于压敏导电 橡胶的并且可“整体注射成型”的，此种传感器兼有可检测三维力以及具有很 好的柔韧性的特性，在一定程度上实现了类人的皮肤传感器。该三维柔性触觉 传感器所具有的一大优势就是在于，我们可以先固定三维柔性触觉传感器的结 构框架，而后再填充橡胶用来定型，这样做有利于三维柔性触觉传感器的产品 化以及市场化。 1 4 第2 章三维柔性触觉传巷器采集系统的组成 2 , 2 1 压敏导电橡胶 在绝缘的高分子材料中均匀的加入其它导电粒子( 如炭黑) 所形成的就是 压敏导电橡胶，这种复合材料一方面具有金属的导电性1 ，同时又具有橡胶的 弹性当在有外力作用的情况下，导电粒子将会被迫彼此互相接近，橡胶的导 电性就会加强，从而呈现出低阻状态；在不受力的时候，橡胶中的导电粒子彼 此是不会接触的，电流就无浃通过，橡胶呈现出高阻状态；这种特性即被称为 为导电橡胶的压敏性。正是由于外力的作用与压敏导电橡胶的阻值之间存在的 这样的一种直接关系，以及橡胶本身的柔性，目前已经有研究者将压敏导电橡 胶用于柔性触觉传感器的设计上，并且取得了一定的成果“1 。 本文的三维柔性触觉传感器所采用的导电橡胶是目前正在研制并取得一定 成果的一种新型的压敏导电胶，它同样具备导电橡胶的压敏特性，即：当导电 橡胶受到外力作用的情况下，它的电阻值会发生显著的变化，在不受力的时候， 导电橡胶韵电阻值是固定不变的。 2 z 2 三维柔性触觉传感器的设计 该传感器的敏感单元是整个传感器系统的核心，敏感单元采用整体两层的 特殊结构如图2 所示：通过在漆包线上设计电极，并且电极及导线在导电橡 胶内部呈上下两层分布，上层电极通过导线连接横向捧列，下层电极通过导线 连接纵向捧列上层的电极可认为是受力点。 ，_ 图2 - 2 三维柔性触觉传感器阵列结构示意图 这样的整体结构突破了以往触觉传感罂的盔甲式阵列捧布可以通过扫描 上层行导线与下层列导线之间的电阻值来对橡胶的形变进行分析，从而获得传 感器的受力信息。本文中，翕们将上述电阻值称为行列阻值。该传感器的布线 简单，降低了外部电路的设计冗繁度。三维柔性触觉传感器的模型图如图2 3 所示。 第2 章三维柔性触觉传感器采集系统的组成 网 图2 - 3 三维柔性触觉传感器模型图 2 2 3 三维柔性触觉传感器的检测原理 由于橡胶材料的导电性，不同层的电极之间是存在电阻值的，如图2 4 所 示。在此我们将不同层电极之间的橡胶所具有的电阻值称为“节点电阻”。 下叠。j 皤 图2 4 节点电阻 导线 通过加载平台，对柔性触觉传感器的各个节点进行力的加载，从而使得柔 性触觉传感器产生弹性形变，使得电阻阻值