（仪器科学与技术专业论文）触觉传感器阵列信息获取与分析处理.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 触觉传感器阵列的研究是目前学术界十分感兴趣的研究热点之一，因其有着 广阔应用前景而备受国内外研究机构和研究人员的重视。本文在分析国内外触觉 传感器技术研究现状、发展趋势、存在问题及原因的基础上，研究了一种基于导 电橡胶的新型触觉传感器阵列及其信息获取与分析处理系统，设计并研制出具有 面阵面积大、灵敏度高、柔韧性较好，受冲击时不易损坏、耐磨损、分辨率可调 等特点的新型触觉传感器阵列，以及结构简单，成本低、灵活性高的信息获取与 处理系统。可望为智能机器人服装的研制提供新的解决方法。 触觉传感器阵列信息获取与分析处理系统由触觉传感器阵列、p c i - 6 2 5 9 数据 采集卡、s c b 一6 8 板卡连接器、扫描电路、信号采集电路、信号处理电路和屏蔽电 缆以及p c 机等组成。当触觉传感器阵列受外力作用时，构成敏感元的导电橡胶电 阻变小，导通开关电路，电路输出信号的变化可反映外部作用的状况。本文将每 个触觉传感器阵列的行列接入扫描电路，通过扫描电路进行块选，将每个敏感元 件感测到的电压信号依次送入信号调理电路，再由计算机控制的p c i 6 2 5 9 将已调 理好的信号按照逐行扫描的方式采集到计算机中，从而实现阵列传感信号的获取； 设计了基于图形化编程语言l a b v i e w 的数据采集及分析系统，驱动数据采集卡完 成对模拟电压信号、数字信号的采集和发出地址控制信号；使用o p e n g l 技术设 计了三维显示处理系统，通过对数据信号的处理、分析和显示，实现接触物体的 外形轮廓和接触面压力分布的直观显示：开展了信息获取及分析处理实验研究， 完成了对触觉传感器阵列信号的采集、数据处理和接触物轮廓的显示。 理论分析和实验研究表明，本文研究的基于导电橡胶的新型触觉传感器阵列 及其信息获取与分析处理系统是完全可行的，能够实现对大面积触觉传感信息的 准确获取，从而为触觉传感器阵列的研制提供了一种新方法。 关键词：触觉，传感器，阵列，数据采集，l a b v i e w 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t a so n eo ft h er e s e a r c hh o t s p o t s ，t a c t i l es e n s o ra r r a yr a i n sp o p u l a r i t ya m o n g r e s e a r c h e r sd o m e s t i c a l l ya n da b r o a df o ri t sa p p l i c a t i o np r o s p e r i t y i nt h i st h e s i s ，an e w t a c t i l es e n s o ra r r a yw i t hc o n d u c t i v er o b b e ra n dt h es e n s o ri n f o r m a t i o na c q u i s i t i o na n d a n a l y s i ss y s t e mh a v eb e e nd e v e l o p e da st h ec u r r e n tr e s e a r c h i n gs t a t u s ，t h ed e v e l o p m e n t t r e n d ，a n dt h ep r o b l e m so ft a c t i l es e n s o rb e i n gs t u d i e d t h et a c t i l es e n s o rh a st h ew i d e a r e am a t r i x ，h i g hs e n s i t i v i t y , q u a l i f i e df l e x i b i l i t y , d u r a b i l i t y , a d a p t a b l er e s o l u t i o n f e a t u r e s ，e t c m e a n w h i l e , t h ec o r r e s p o n d e n ti n f o r m a t i o na c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e m i ss i m p l ys t r u c t u r e d ，l o wc o s t ，a n dh a sh i g ha g i l i t y t h ew h o l es y s t e mi sc o n s i s to ft a c t i l es e n s o ra r r a y , p c i - 6 2 5 9d a t aa c q u i s i t i o nc a r d s c b 一6 8c o n n e c t o r , s c a n n i n gc i r c u i t ，s i g n a la c q u i s i t i o nc i r c u i t ，s i g n a lp r o c e s s i o nc i r c u i t ， s h i e l d e dc a b l ea n dp c w h e no u t s i d ef o r c ee f f e c t so nt a c t i l es e n s o ra r r a y , r e s i s t a n c eo f t h ec o n d u c t i v er u b b e r , w h i c ha c t sa st h es e n s ec e l l r e d u c e s t h es w i t c hc i r c u i t sa r e t u r n e do na n dt h e r ef o l l o w st h ec h a n g eo fc i r c u i t s o u t p u t ，w h i c hi n d i c a t e st h eo u t s i d e e f f e c t i o n a r r a y so fs e n s o rs i g n a l sa r ea c q u i r e da sf o l l o w s ：s e n s o ra r r a y sa r ec o n n e c t e dt ot h e s c a n n i n gc i r c u i t s e c t i o n so fa r r a y sa r es e l e c t e dt h r o u g hs c a n n i n g , a n dv o l t a g es i g n a l s d e t e c t e db ye a c hs e b s ec e l la r ei nt o mt r a n s m i t t e dt os i g n a lc o n d i t i o nc i r c u i t s ，a n dt h e n p c i 一6 2 5 9w i l la c q u i r et h ec o n d i t i o n e ds i g n a lt oc o m p u t e r si nap r o g r e s s i v es c a n n i n g w a y t h ed a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e db yl a b v i e ww h i c h m a k e st h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r dc a p a b l eo fa c q u i r i n ga n a l o gs i g n a la n dd i g i t a ls i g n a l ，a t t h es a m et i m es e n d i n go u ta d d r e s sc o n t r o ls i g n a l s o b j e c t s c o n t o u ra n di n t e r f a c e s s t r e s sd i s t r i b u t i o nc a l lb ed i s p l a y e di nt h r e ed i m e n s i o n sw i t ht h eo p e n g lt e c h n o l o g y e x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n es u c c e s s f u l l yi ni n f o r m a t i o na c q u i s i t i o na n da n a l y s i s r e s e a r c h i n ga n de x p e r i m e n t i n gs h o wt h ef e a s i b i l i t yo ft h ec o n d u c t i v er o b b e r s e n s o ra r r a ya n di t si n f o r m a t i o na c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e m n es y s t e mc a ng a i n w i d ea r e at a c t i l ei n f o r m a t i o na c c u r a t e l ya n dt h u sp r o v i d e san e wm e t h o df o rt a c t i l e s e n s o ra r r a yd e v e l o p m e n t k e yw o r d ：t a c t i l e ，s e n s o r , a r r a y , d a t aa c q u i s i t i o n ，l a b v l e w 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：多阵k 签字日期：力7年彭月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入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。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名： 参炎 导师签名： 套赢 签字日期：砌7 年f 月f e t 签字日期：加刁年6 月i e t 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 触觉是机器人获取环境信息的一种仅次于视觉的重要知觉形式，是机器人实 现与环境直接作用的必需媒介。与视觉不同，触觉本身有很强的敏感能力可直接测 量对象和环境的多种性质特征，因此触觉不仅仅只是视觉的一种补充。触觉的主 要任务是获取对象与环境信息，是为完成某种作业任务而对机器人与对象、环境 相互作用时的一系列物理特征量进行检测或感知。机器人触觉与视觉一样基本上 是模拟人的感觉，广义的说它包括接触觉、压觉、力觉、滑觉、冷热觉等与接触有 关的感觉，狭义的说它是机械手与对象接触面上的力感觉。机器人触觉传感器主要 有检测和识别功能，检测功能包括对操作对象的状态、机械手与操作对象的接触 状态、操作对象的物理性质进行检测。识别功能是在检测的基础上提取操作对象 的形状、大小、刚度等特征，以进行分类和目标识别。机器人触觉能达到的某些 功能，虽然其它感觉如视觉也能完成，但具有其它感觉难以替代的特点。与机器 人视觉相比，许多功能为触觉独有。 自8 0 年代以来触觉传感技术虽有了较大发展，但与机器人视觉等技术相比明 显落后。目前商品化的视觉传感器已差不多成为机器人系统不可缺少的部分而从 工业应用到业余爱好的几乎所有机器人依然没有使用真正意义上的触觉传感器。 因此有必要对触觉传感技术研发的历史、现状进行客观分析评价，检查落后原因， 以有助于实现人们对触觉技术与触觉传感器期盼以久的飞跃发展。 1 1 触党传感技术研究发展的现状 随着机器人技术的发展和对智能机器人的认识，近年来与触觉技术相关的方 面都已充分为人们所关注，触觉传感技术研究内容已非常丰富且具有成效。即使 最受关注的触觉传感器设计研制也从单纯的传感器研究发展成为对涉及触觉传 感、控制、信息处理等较复杂的系统及其过程的研究。 1 1 1 发展历程及主要特点 机器人触觉传感技术的研究始于7 0 年代。三十多年的历程可分为三个时段： 7 0 年代、8 0 年代、9 0 年代以后。这三个时段的研究与成就各有特点，7 0 年代国 外的机器人研究己成热点，但触觉技术的研究才开始且很少。这可从n i c h o l l s 与 l e e 的综述p 1 所引用的文献数看出。当时对触觉的研究仅限于与对象的接触与否， 接触力大小。虽有一些好的设想，但研制出的传感器少且简陋。8 0 年代是机器人 触觉传感技术研究、发展的快速增长期。此期间对传感器设计、原理和方法作了 大量研究，主要有电阻、电容、压电、热电、磁、磁电、力、光、超声和电阻应 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 变等原理和方法。开始了对检测接触点和区域、接触截面形状、压力分布的触觉 阵列的研究。研制出了能检测对象形状、尺寸、有无、位置、作用力模式和温度 的传感器。但对诸如表面纹理、硬度、粘度等材料物理性质的触觉感知被证明要 难得多，这些问题也未得到有效解决。对触觉信号的处理集中于图像处理技术， 采用计算机视觉研究所用方法研究从触觉阵列得到的静态图像。因认识到动态信 号的重要性，研究了探测应力变化、滑动和暂态接触的传感器，后来遵循主动视 觉的研究模式开始了主动触觉研究。从总体上看8 0 年代的研究可分为传感器研制、 触觉数据处理、主动触觉感知三部分。其突出特点是以传感器装置研究为中心， 主要面向工业自动化在此期间主要的、也是常用的触觉传感器技术标准是h a r m o n 提出的触觉传感器技术要求h 【，这也主要是为用于工业自动化的机器人提出的。 到8 0 年代末，许多人都乐观的认为随着商品化的传感器出现，触觉技术就将成熟， 不久的将来触觉传感器就将集成到工厂的机器人系统中。9 0 年代对触觉传感技术 的研究继续保持增长，并多方向发展。按宽的分类法，有关触觉研究的文献可分 为：传感技术与传感器设计、触觉图像处理、形状辨识、主动触觉感知、结构与 集成。这个时期的研究还可按不同方式分类，如l e e 所列u j 。最活跃的研究依然是 新型传感器的设计与构造，如从8 0 年代的触觉阵列发展到了高密度多阵列，这部 分还包括传感器数据处理和分析实验。其次是含集成传感器、驱动器和控制的主 动触觉感知，它一度被认为是触觉传感技术发展的关键。包括多指手及其设计的 灵巧操作、柔软材料也是重要的研究方面。此外还有对触觉传感技术在非传统领 域的应用研究和用于遥操作机器人的触觉临场感技术的研究。 9 0 年代触觉传感技术研发的成就主要有：( 1 ) 对工程问题的研究。如器件封装、 对传感器性能与操作的深入了解、新材料研究、改变软接触特性等。( 2 ) 增加对传 感器作用的了解。如通过几种具有不同响应率的触觉传感器的互补性，使集成系 统能在一定范围内处理给定任务中的不同接触特征。( 3 ) 改进了机器人的灵巧手， 使多指手对对象的操作性能有了相当大的进步。( 4 ) 触觉应用于医疗领域。触觉传 感器在此领域的应用研究己受至关注。9 0 年代总的特点是触觉技术与传感器未能 按先期人们预料的那样渗透到工业领域中，但其研究并未减少，仅仅是从限定的 工业领域的固体世界中转向柔软些的自然系统里相对无序的世界中】。我国8 0 年 代左右开始研究机器人传感器，受客观条件限制，1 9 8 7 年国家8 6 3 计划实施后才 加快步伐。在8 6 3 计划支持下，9 0 年代初我国的触觉传感器研究就取得了进步。 如在阵列触觉传感器研究方面，东南大学实现了压阻式1 6 x 1 6 触觉敏感阵列及其 数据处理和触觉图像识别。北京理工大学研制了有接触觉、滑觉和触觉图像识别 功能的传感系统j 。杭州电子工业学院研制了用于多传感器手爪的接近觉、接触觉、 滑觉复合传感器p j 。近年来在8 6 3 计划支持下合肥智能所、东南大学、北京理工、 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 杭电、哈工大、华中理工、北京信息学院等对触觉传感技术都作了各有特色的研 究，如东大研究了三维触觉信息获取方法【9 l ，北理工研制了用于触觉临场感的指形 触觉传感器【1 0 】等。 目前触觉传感技术研究的主要特点 敏感材料的实验探索。敏感材料性能是传感器性能的基础。没有表面柔顺 性和缺乏通用性、造价贵、可靠性差被认为是触觉技术难以商用化的主要原因， 缺乏柔顺性是它难以和人类皮肤相比的一个主要原因【1 l 】。因此选择合适材料研制 传感器倍受关注。过去最常用而现在用得最广的柔性材料是压电材料，如p v d f 聚 合物j ，但对其它材料的研究也很多。罗志增等用各向异性压阻材料c s a 研究了 一种高分辨力柔性阵列触觉传感器“。李铁军等采用由柔性硅橡胶与导电橡胶制 成的整体薄膜作表皮，在皮下结合充满电流变流体的绝缘体泡沫结构研制了新型 电流变流体柔顺触觉传感器【1 3 1 。日本佐贺大学用柔软、韧性好的压感导电橡胶研 制了检测温度、硬度、热传导性的触觉传感系统【l ”。 充分利用新制造工艺技术。随着科技的发展进步，制造技术与工艺有了提 高创新，对触觉传感技术的研究也正充分利用新技术。梅涛、戈瑜等利用半导体 微机械加工与集成技术研制了可定量检测三维接触力的多功能阵列式触觉传感器 1 1 3 j o 日本利用表面微加工技术研制了平面盘绕式线圈，通过多功能复用这种单一 结构的触觉传感器可识别材质u o j o j d a r g a h i 等利用硅条和p v d f 膜构成的夹层构 造研制了一种用于腹腔镜外科的微加工压电触觉传感器1 1 7 】。b l g r a y 等用表面微 机械加工技术研究了具有高分辨力的微触觉传感器阵n t l 8 l 。 多功能化。目前触觉传感器的多功能化( 含多功能复用) 主要有以下实现方 式。几种不同敏感元件组合或集成：这种集成或组合传感器具有接触觉、压觉、 滑觉、热觉、力觉等功能。如文献【8 】介绍的复合传感器，利用同一敏感元件在不 同激励下的不同响应实现多功能。j y uj i 等利用一种具有热敏功能的压感导电合 成橡胶研制了可输出两种信号的多功能触觉传感器，通过有选择的信号处理可获 得接触力、温度变化、接触状态信息，利用同一敏感元件的不同效应。文献 1 6 1 介绍的触觉传感器的多功能是利用平面盘绕线圈具有的电感、电容、温度特性构 成的。利用敏感材料的微阵列结构具有的力学特性：文献 1 5 】中的多维力阵列式触 觉传感器就是通过分布于微阵列结构不同位置上的电阻受力后变化不同来获取三 维接触力信息的。 传感器数据处理和融合。数据处理包括处理传感器数据的方法和算法目 前有许多将神经网络、模糊逻辑、基于模型的方法等应用于触觉数据处理的研究。 目前关键问题是多信息融合，例如y a m a d a 等用基于模型的方法对视觉和触觉数 据做了融合研究，他们把触觉数据用于对一个粗略参数模型的精细处理。罗志增 重庆大学硕士学位论文i 绪论 等用两种多信息融合法研究了由热觉与力觉信息融合实现目标样本分类口2 1 ，【2 3 1 。 虚拟触觉传感器的研究。虚拟现实技术为机器人感知系统提供了新的研究 平台，人们开始利用虚拟现实系统平台研究动态拟实操作过程的物理模型，以便 了解对刚体和变形体操作的动态特性。为研究基于传感信息的机器人柔性操作和 精密操作，赵春霞等根据触觉传感原理对虚拟触觉传感器模型及其实现作了研究 2 4 1 。 1 1 2 发展中的不足与原因 经过三十多年尤其是近十年的发展，触觉传感技术已开始成熟，但还面i 临诸 多困难，主要如下： 触觉传感技术的应用和商用化明显滞后。所取得的研究成果大多停留在实 验室阶段，与视觉传感技术相比这种不足更明显【2 4 】。目前摄像机和视觉传感器己 差不多是机器人系统不可缺少的部分，相关的硬软件市场上有售且配置使用容易。 即使与力觉传感器相比触觉也明显落后，以国内情况为例，国内的腕力传感器在 9 0 年代初完成研制后即可进入商用，而到现在国内外市场上基本上没有出现耐用、 可靠、具有通用性的触觉传感器。 触觉技术研究的内容与方法方面存在的不足。这些不足主要有对传感器技 术性能要求不是从市场或从工程应用角度确定的，而是由传感器的研究和制造者 确定的【“。存在着过多的从学术观点研究触觉的现象，有时存在着过多的仿人类感 知方式的倾向。在多传感器系统研究中对触觉与其它感觉的互补性重视不够，如 在阵列式触觉传感器的研究中，对用触觉来识别规则图形或形状有大量研究，而 实际表明自动化生产对形状的识别都优先选择视觉方式【2 】。 机理上还存在障碍。尽管人们对人的触觉感知及皮肤的特性有了更深的了 解，但人的触觉不是一个通过皮肤将物理特性转换为电信号的简单过程，而是综 合复杂过程，因此难以模仿。 受敏感材料限制。人们一直在探索用于触觉的合适材料，但敏感材料与其 性能不是主要由触觉研究解决的问题，基本上有赖于材料科学本身。 在原理上几乎没有新发现。目前传感原理主要还是人们所熟知的那些。 相对而言可供选用的基础条件如制造、工艺等还有限。 虚拟传感器研究中模型有效与准确性还难以保证。例如软组织这种变形 体，即便在实验条件下其力学特性与其在自然条件下的力学特性也不同 2 5 1 。 缺少有效驱动力。触觉技术进步会促进机器人的发展，但触觉技术发展的 驱动力受制于机器人的发展，没有有效的需求就没有有效的驱动力。 产生上述不足或者说触觉技术相对落后的原因有两方面。首先是基础的欠缺， 其次是当初对触觉传感器应用的技术与市场定位不当。基础欠缺主要在机理与材 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 料上。人们对人的触觉机理的了解显然不及视觉、听觉。在人的感觉方式中，视 觉、听觉、嗅觉都有具体的对应器官，触觉却没有。入的整个身体表面都有触觉 功能。这使触觉本身很复杂，研究难度也最大。机器人的感觉基本上是模拟人的 感觉，所以实现机器人触觉感知在原理上存在大的困难。与此同时，受现有材料 科学、制造加工技术、工艺等限制，可供触觉研究选择的敏感材料及其性能均有 限，远远不及人的皮肤，这使触觉传感器的性能从根本上受到限制。触觉传感器 应用的定位最初是在8 0 年代根据机器人技术发展与对其在最有希望和具有最大市 场的工业自动化领域的应用预测而做出的，事实表明这个定位不适当。8 0 年代以 来机器人在制造业的自动化中得到广泛应用，但触觉传感器并未象人们期盼的那 样随机器人而广泛应用于生产自动化。究其原因主要在于工业自动化的环境是结 构化环境。一方面触觉传感器还不具备通用、可靠、耐用等优良性能，另一方面 经过努力研究而使触觉传感器具有的形状识别功能在结构化环境中要么不需要， 要么不及视觉传感器l 斗j ，因此触觉传感器缺少了主要市场的需求。然而人们对触 觉传感器应用于工业自动化的预期到9 0 年代前期还依然如故。这说明这种技术与 市场定位的不当是人们对事物的认识受时代局限所致。当时人们对机器人应用于 医疗、康复、农林等非传统领域也有认识和研究，但认为机器人应用于这些领域 要困难得多。 1 2 触觉传感技术发展新趋势 1 2 1 机器人技术发展与应用的趋势 9 0 年代以来机器人技术的发展以向智能化方向发展为重要标志【2 6 】，呈现出一 些新特点和趋势。例如传感型智能机器人发展加快，微型机器人的研究有所突破， 新型智能技术不断开发，应用领域向非制造业和服务业扩展等。 智能机器人技术快速发展促进了机器人在制造领域的应用与发展，也使机器 人开始向非制造领域扩展。这些非传统领域有航天、海洋、军事、医疗、护理、 服务、农林、采矿等，机器入在这些领域有着广阔诱入的前景。在当今还不能或 难以发展全自动智能机器人的情况下，工作于人机交互方式下的具有临场感的遥 操作机器人系统是完成复杂或有害以及人无法进入的环境下作业的有力手段【2 ”。 而微机器人在现代生物、医学工程，微机械加工与装配等工程中将大有作为。 1 2 2 触觉传感技术发展与应用的趋势 机器人在传统领域继续发展的同时向非传统领域扩展，为自身找到了新发展 方向，开拓了新市场，有了新动力。作为机器人技术基础之一的传感技术也是如 此，对其中的触觉技术则更不寻常。与制造业的自动化环境不同，这些非传统领 域中的环境一般都是非结构化的甚至高度的非结构化。相对结构化环境，非结构 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 化环境更需触觉、依赖触觉。这使过去在工业自动化中未得到充分发挥的触觉传 感器有了一个能充分发挥其特有功能的舞台，在触觉的新机遇中当然存在着新挑 战，非传统领域的环境的主要物理特征与结构化环境的特征明显不同。而在非传 统领域中，不同领域有着不同环境和对触觉的不同要求。因此触觉技术的发展在 现有基础上有不同的侧重点和方向、不同技术要求与市场需求。 根据对触觉特殊性和触觉传感技术研发的历史现状及存在不足的分析思考， 触觉传感技术的发展趋势为： 研发新型触觉传感器。鉴于传感器的传感原理是各种效应和定律，因此我 们可以进一步探索具有新效应的敏感材料，并以此研制出基于新原理的传感器。 这是研制高性能、多功能、低成本和小型化触觉传感器的重要途径。 触觉传感器技术的信息融合。触觉感受到的信息是多方面的并不是单纯某 一个信号，因此对采集到的信号进行融合处理并将其还原就变得非常重要，也是 众多科研工作者的研究方向。 传感阵列的大面积化。穿戴于机器人的触觉服装要求全身都能够感知外 力，而阵列式触觉传感器由于工艺等原因都还限于小范围设计。因此研发大面积 的触觉传感阵列成为一个新的发展方向。 1 3 本项目的提出及研究意义 在一些涉及人体的冲撞试验( 例如，载人汽车的冲撞试验) 中、或者其他可能对 人体造成伤害的有接触压力的试验中，为避免真人的身体受到伤害，人们往往会 利用具有相应感知能力的智能机器人来代替人体进行试验。为此，人们要在智能 机器人的相关部位上安装若干感应压力大小的触觉传感装置。通过这些触觉传感 装置，检测出人体可能受至冲撞的部位和对这些部位的冲撞力的大小，从而为改 进产品( 例如，载人汽车) 的设计提供依据。 近十年机器人触觉技术的发展十分迅速，触觉传感技术已广泛深入工业领域， 在修复学，矫正学，遥控操作发挥重要作用。机器人触觉是模仿人的触觉功能， 通过触觉传感器与被识物体相接触，或相互作用来完成对物体表面特征和物体性 能的感知。由于机器人与外界接触，抓取物体，要求传感器能够安装到机器人的 任何部位。因此出现了一个研究热点人工触觉皮肤，要求触觉传感器从其物 理特性应象一张皮，可粘贴或穿戴在任何欲使用的载体表面，从而实现触觉的拟 人化【1 3 】。 根据机器人和传感技术发展趋势，结合对触觉特殊性和触觉技术研发的历史 现状及存在困难的分析思考，在教育部重点项目智能机器人触觉传感服装的研 究的支持下，我们开展了一种新型智能机器人触觉传感阵列的研究。利用导电 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 橡胶所具有的压阻特性，实现对触觉信息的采集识别。触觉传感器阵列具有大面 积、高灵敏度，较好的柔韧性，受冲击时不易损坏、耐磨损，可像缝制普通布一 样进行剪裁和缝制加工，能感知外力及接触物外形轮廓，触觉传感器阵列的触觉 分辨率可以调节等特点。本文研究的重点是：研制针对该种触觉传感器阵列的信 息获取及分析处理系统，解决大面积传感单元的信息获取与处理问题，通过实验 验证触觉传感器阵列及其信息获取与分析处理系统设计的正确性、可行性及优缺 点，为智能机器人触觉传感服装的研制创造条件。 1 4 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容是： 对触觉传感技术进行系统的分析研究，论述课题的相关背景及研究意义。 在已有前期工作的基础上，研制面阵面积更大的机器人触觉传感器阵列， 重点开展信号获取与处理的扫描电路、信号处理电路和信号采集电路的研制。 主要完成在n i 公司的p c i 6 2 5 9 数据采集卡的基础上，开发基于虚拟仪器 技术的数据采集及分析处理系统，以实现数据采集、分析处理、实时显示与控制 同步；应用o p e n g l 技术设计显示单元，集成软件系统。 通过实验验证触觉传感器阵列及其软硬件系统的可行性和优缺点。 对实验结果的误差进行分析，讨论误差来源，总结尚存在的问题，提出下 一步工作的方向。 7 重庆大学硕士学位论文2 触觉传感器研究设计 2 触觉传感器研究设计 触觉传感器作为机器人传感器的重要类型之一，它的设计也遵循传感器设计 的基本原则。传感器的主要构成如图2 。1 所示，主要由敏感元件，转换元件和信号 调理及测量电路组成。 ( 曲传感器的基本型结构框图 ( b ) 传感器的有源型结构框图 图2 1 传感器组成框图 f i g 2 1d i a g r a mf o rs e i g s o r sc o m p o s i n g 敏感元件：是指传感器中能直接感测被测量( 一般为非电量) ，并输出与被测量 成确定关系的其它量( 主要为电学量) 的元件，如膜片和波纹管可以把被测压力变成 位移量，压电陶瓷可以把压力变化变成电容变化。 转换元件：将敏感元件输出的非电物理量( 如位移、压力、光强、温度等) 转换 为电学量( 如电压、电流、电阻等) 如热电偶和热敏电阻。转换元件也可以不直接感 测被测量，而是感测与被测量成确定关系的其它非电量。例如，差动变压器式压 力传感器并不是直接感测压力，只是感测与压力成确定关系的衔铁位移量，通过 转换元件再转化为电量。然而不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件。 如果敏感元件直接输出的是电学量，它就同时兼为转换元件；在实际生产设计中， 敏感元件和转换元件合二为一的传感器是很多的。例如，热电偶传感器感测被测 温差时直接输出电动势、压电振子、压阻式压力传感器、光电器件等都是这种形 式的传感器。 信号调理及测量电路：是指能够把转换元件输出的电信号转换为便于显示、 重庆大学硕士学位论文 2 触觉传感器研究设计 记录、处理和控制的，有效的电信号的电路。由于传感器的输出信号一般都很微 弱，同时常常还会夹杂或多或少的干扰信号，因此需要信号调理电路对其进行放 大、滤波、调制等处理：测量电路的类型则主要依据传感器传感原理和转换元件 的类型而定，如电桥电路、高阻输入电路、差动放大电路等。 2 1 触觉传感器传感原理分析 机器人触觉的原型是模仿人的触觉功能，通过触觉传感器与被测物体相接触 或相互作用来完成对物体表面特征和物理性能的感知。为了实现这一功能，研究 人员设计了各种各样的触觉传感器以满足多种需要；总结触觉传感器传感原理主 要有以下七种，其各自的优缺点如表2 1 所剥1 3 】【1 4 】 1 5 1 。 表2 1 七种传感原理的解释及优缺点 传感原理传感原理具体解释 优点缺点 压阻效应 阵列中两个相邻( 或相对)动态范围宽，耐用，原材 存在迟滞，敏感材料的机 电极之间的电阻随施加料易得，后续处理电路相械和电性能需优化，空间 压力而变化对简单，良好的负载能力，分辨率有限，布线较多， 与集成电路相容不完全线性 压电效应敏感元件上施加压力( 或动态范围宽，经久耐用，很难把压电效应和热电 和热电效湿度) 时，两端产生电压压电和热电材料具有良好效应区分开；当负载恒定 应的机械特性，能同时感受时。输出可能衰减为零； 力的作用和温度的变化阵列扫描困难；空间结构 比较复杂 电容式两平行极板间弹性介质动态范围宽，线性响应，易受噪声干扰，介电性易 层受压变形使容量变化 坚固耐用受温度影响，电容随结构 而变化，有限空间分辨率 磁电传感基于磁阻和磁致伸缩两动态范围宽，低滞后，线易受磁场和噪声干扰，需 种效应。性响应，坚固耐用，对垂a c 电路，空间分辨率差 直力、剪切力、扭矩敏感 光电传感用弹性体变形法调制光高分辨率，与视觉技术相 在一些设计中，性能对弹 波，使压力转换为光图像容性好；无电气干扰问题，性体依赖较强；存在滞后 信号处理电路可远离传感 器，低布线要求 机械传感岁 力引起机械位移采用简单而成熟的技术，阵列结构复杂，空间分辨 适宜于探针、探头类应用率受限制 超声传感 弹性层受压处超声波路 与压阻相比，只要求弹性 布线困难，有时存在滞后 径变短，传播时间更快 体机械性能：高空间分辨和非线性 率；不受电磁干扰 9 重庆大学硕士学位论文2 触觉传感器研究设计 2 2 敏感材料的分析 传感器材料的主要功能是从被测物体接收其所能反应的声、光、电、热、磁、 机械、化学等形式的能量信息，并转化为电信号。具有这样功能的材料一般具有 压电、压阻、热电、磁电、光电、电化学等效应或特性。就材料构成来说，一般 可以分为金属材料、无机材料和有机材料三大类。金属材料包括单质金属和合金。 无机材料大多指陶瓷材料，例如在传感器制造中常用的压电陶瓷，这是由于随着 半导体技术的兴起，特别是氧化物或其他化合物半导体在传感器材料中日益显现 的重要作用，已经被从无机材料中划出专门的一类。同样由于生物传感器的崛起， 也被从有机材料中划出，另立一类。表2 2 给出了各类材料在传感器中的应用情况。 表2 2 各类材料在传感器中的应用情况 分类举例 半导体 单晶硅，l n s b ，g a g s ，i n p , g a a s p , h g ，c d ，t e ，i i v i 族及一v 族化合物，t a 2 0 5 氧化物，金属硫化物等 无机材料 石英晶体，b a t i o h n a s 0 4 , l i t a 0 3 ，b i g e 3 0 2 ，金属氧化物等 金属材料合金：钨镍合金，铂钼合金，钽、碲、铋合金以及铁、硅、铝合金 单体：p t ，m o ，n i ，a u 等 金属化合物 锗化铌( n b 3 g e ) ，铯化锑( s b c s ) 等 有机高分子材料聚二氯乙烯( p v d f ) ，多阴离子树脂，多阳离子树脂，聚苯乙烯，向列液晶 等 生物酶葡萄糖氧化酶，尿酸酶等 复合材料导电橡胶等 其他 微生物等 各类传感器敏感材料的主要应用分析如下： ( 1 ) 金属传感材料 金属向来是材料领域中不可或缺的。在传感器所使用的材料中金属可以说是 最早使用的，早期的结构型传感器大多使用的是金属材料。这主要得益于金属材 料具有良好的导电特性、电磁特性和热传导特性，其次还由于其具有明显的热胀 冷缩的特性。长期以来大量使用的金属传感器主要用于热敏传感方面。有利用金 属热胀冷缩特性的双金属片感温元件、温度一形状记忆合金元件；也有利用输出 电量变化的热电阻、热电偶；除此之外，还有利用金属材料优越的电磁特性开发 和应用的大量磁敏、磁阻元件和磁记忆材料等。 1 0 重庆大学硕士学位论文2 触觉传感器研究设计 随着半导体和复合材料的崛起，使的某些金属材料的传感器被取代，但在许 多领域由于金属传感器性能稳定，使用可靠，仍然继续被广泛使用。另外一些金 属材料的传感器甚至还得到了进一步的发展。例如，新型高级合金记忆材料；金 属与半导体或陶瓷的复合敏感材料；金属与高分子材料或生物材料复合的敏感材 料( 如导电橡胶) 等。 ( 2 ) 无机传感材料 无机传感材料主要包括半导体材料、敏感功能陶瓷材料等。自1 9 4 8 年发明半 导体晶体管以来，由半导体晶体管及相应的元件形成了第二代电子器件。作为电 子器件的一个重要分支，传感器也是由于半导体材料的发明得到了很大的发展。 用于敏感材料的半导体材料主要是无机的，也有一些有机半导体，但目前从使用 的范围来看还很不够。用半导体材料构成的敏感元件主要测量光、温度、磁、形 变、湿度、气体等能量信息，且多数正积极利用半导体微加工技术向集成化、多 功能化迈进。 “陶瓷”就其传统意义是指将黏土一类的无需经过高温处理变成坚硬有用的多 晶材料，很少有用于传感器技术上。而“现代陶瓷”实际上泛指除半导体以外的所有 无机非金属材料，包括了玻璃、人工晶体、无机涂层和薄膜等。敏感功能陶瓷材 料常被称为先进陶瓷，主要是利用材料的电、磁、光、声、热和力等性能及其耦 合效应、压电效应、电阻一温变效应、快离子传导等效应来实现传感器将非电量 信号进行换能和传输的功能。 ( 3 ) 有机和生物敏感材料 天然的、合成的和复合的有机及生物材料，已经遍及我们生活、生产以及科 研等各个领域，其所具有的各种良好性能和广泛应用主要得益于本身灵活多变的 分子结构。遗憾的是有机及生物材料在传感器上单独使用的相对来说还不是很多， 比较多的是与其它材料复合使用，这主要可能是受到对该类材料本身换能和对电 荷的传输性能了解和应用开发不足的影响。不过同时我们也注意到还是有不少的 传感器采用了有机及生物敏感功能材料。特别是多数生物物质具有优秀的分子识 别功能，如能方便识别酶的特定的酶作用物，识别抗体的抗原及能鉴别特定核酸 的物质。生物传感器可根据需要和所用的生物物质选择性地对待物质响应，使得 很多物质的选择性检测成为可能。 2 3 触觉传感器阵列的设计 压阻式传感器由于具有后续信号处理电路相对简单、对传感器的封装形式及 工作环境要求较低、易于阵列化等优点，目前被广泛应用于大面积触觉传感系统。 本文所设计的触觉传感器也采用压阻原理。 重庆大学硕士学位论文2 触觉传感器研究设计 在传感器敏感元件所使用的敏感材料选择方面，我们选择复合材料导电橡胶。与 其它材料相比，导电橡胶由于具有原材料易得、生产工艺较简单、成本较低和电 阻率调节范围较大等优点，已经成为应用十分广泛的复合材料。一般而言，导电 橡胶的导电性远远小于金属导体，一截导电橡胶基本上可以看作是一个电阻，导 电橡胶所拥有的一个重要特性就是压力电阻特性，即一截导电橡胶的电阻不是固 定不变的，随着施加在它上面压力的增大( 导电橡胶形变增大) ，它的电阻会显著减 小。这样，每一小截导电橡胶都可以成为触觉传感器的一个敏感单元，并且只需 要简单的电路就可以把传感器信号拾取出来。再加上导电橡胶本身所具有的良好 弹性，以及它的小体积、低成本等特点，使导电橡胶可以作为一种较理想的制作 触觉传感器的敏感材料。 2 3 1 触觉传感单元的结构设计 基于导电橡胶压阻特性的阵列式触觉传感器的基本结构是由相互平行的电极 构成敏感单元的外接引线，上( 行) 电极与下( 列) 电极相互垂直，压阻材料放在中间， 上下电极的交叉点定义为触觉阵列的一个敏感单元，如图2 2 所示。阵列触觉传感 器采用行列电极的结构形式，其目的是为了减少传感器的外接引线，来增加阵列 的稳定性和准确性 4 2 - 4 “。 鼢 o h ) _ c r 一。o d _ ( 卜c p | | l o _ ) _ ( 卜o o d _ ( ) 一。一| | | | o ) _ c 卜o d _ ) _ c 卜_ 叫l 鼷嚣 图2 2 触觉传感器阵列上下电极平面图 f i g 2 2t h ep l a no f a r r a yt a c t i l es e n s o r se l e c t r o d e s 在压阻式阵列触觉传感器设计中，最关键的构件是敏感材料和电极。上面已 经设计了上下电极，我们在两电极之间黏贴导电橡胶片作为敏感材料。当单元受 压时，电极两端的电阻随压力的变化而变化。 该触觉传感阵列主体材料为p b 塑料薄板和导电橡胶片。该阵列由上下电极 板、衬垫网、导电橡胶传感点阵和上下覆盖层组成。上下电极板采用p b 塑料薄板 通过化学方法镀上银浆制作，根据前期试验，此种方式可以达到薄而均匀的效果， j 2 重庆大学硕士学位论文2 触觉传感器研究设计 在p b 塑料薄板上印刷银浆，镀层牢固且耐弯折。上下电极板之间用塑料衬垫隔离， 当身上布置有触觉传感服的机器人受到外力时，上下电极通过导电橡胶传感点导 通，而且导电橡胶的电阻随着外力的变化而变化，从而可计算出接触力的大小， 同时由受力的阵列式传感点位置信息可知接触物的外部轮廓。 鬻 1 覆盖保护层：作为外层 保护层的普通布 2 下电极板：在p b 板匕用 银浆印刷电路 6 阵列触点层：用导电橡 胶制成，粘接在下电极板 上 5 网状村垫层：用来隔断 上下电极 3 下电极板：在p b 板匕用 银浆印刷电路 4 覆盖保护层：作为外 层保护层的普通布 图2 3 触觉传感器阵列的分层结构 f i g 2 3t h e6 eo f t a c t i l es e n s i n ga r r a y 触觉传感器阵列具体制作方法如图2 3 所示，由五层构成。由下而上第一层为 普通布，作为外层的覆盖保护层，可保护第二层的电极板不被损坏并防止短路。 第二层为下电极板布线层，然后将选定的导电橡胶切割成圆形触觉单元，再将这 些触觉单元用导电胶水粘接在下电极板的各个电极上。第三层是网状衬垫，第四 层是上电极板，该层与下电极板相似。第五层为普通布，该层与第一层相同，不 赘述。最后将以上五层依次用胶水粘接在一起，同时在一侧由两个电极层引出阵 列线路的接头，这些接头用5 4 3 1 0 接线头引出接入硬件电路中。这样，当受到外 力作用时，上下电极板通过嵌入网状衬垫层网眼中的导电橡胶而导通，导电橡胶 的电阻随之变化，再通过后续的采集电路输出触觉传感信息。 1 3 重庆大学硕士学位论文2 触觉传感器研究设计 行列式阵列电极触点的数量以及疏密程度可以根据对测试结果的要求、相应 的后端处理系统的性能等因素确定。在这里我们制作的实验用阵列为1 6 x 8 阵列( 图 3 2 为绘制方便和清晰，以3 x 4 阵列示意绘出) ，单个敏感单元设计成半径为3 5 聊” 的圆