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4 感测资讯撷取与分析模组 圖3.壓電點陣列元件形式之壓力分佈感測模組之設計示意圖.错误!未定义书签。 摘要從人類科技發展的歷史觀察，驅使科技進步的原動力來自於如何使人類的生活與環境提昇，達到更便利、舒適與環保的目的。 因此，科技與人類之間的互動日漸頻繁，例如電腦、手機、家電用品等。 科技與人類之所以能有互動在於介面(Interface)的設計，如何能將訊息輸入與輸出(Input/Output)為最重要的目的，隨著資訊科技的精進，科技與人類之介面將趨於更自然與方便性。 人類的感知來自於五種知覺視覺、聽覺、味覺、嗅覺與觸覺，其中以視覺、聽覺與觸覺為最普遍的介面，但觸覺則為最直接的感知源，人類於接觸時可獲得物體表面的物理性質，如接觸時的作用力/壓力的大小、空間上分佈、待測物體的形狀及位置、物體表面的紋路質地、溫度、硬/軟度或溼度等特性。 因此，觸覺感測器(Tactile Sensor)仍不斷地以仿生的角度持續開發中，傳統的觸覺感測器大多是建構在不可撓曲的基材上諸如矽基板或是玻璃基板等，但是由於待測物體可能為平面、曲面等不規則面，使其應用較為受限。 然而，近年來由於有機導體與有機半導體材料的發展突飛猛進，使建構在可撓曲之高分子基材上的軟性電子(Flexible Electronics)概念變為極為可行，因此觸覺感測器的發展開始朝向可撓曲化，使觸覺感測器得以擴展其應用領域。 所以此次研究目的為將預先製作好之觸覺感測器應用在機器人足底上，使機器人於行進時能根據足底受力不同之情形，將訊號輸出並透過程式語言處理後及時回饋至機器人上，使其能調整行進時的狀態，而本研究所採用之觸覺感測器是以壓電感測方式的觸覺感測器，其無須額外的電力提供，純粹乃機械能轉電能之被動式感測器，此項優點提供了穿戴式感測器(wearable sensor)的可能性，其中高分子壓電材料聚偏二氟乙烯（polyvinylidene fluoride,PVDF），除了擁有可撓曲的特性外，且應力與輸出電壓之線性度佳、對於重複性施載亦有低遲滯效應的特性，相當適合做為軟性觸覺感測器的感測材料。 1.技術規格說明機器人用壓力分佈感測模組應用技術是整合許多現有先進技術的一門學問，包含壓力分佈感測模組、機器人適型合扣機構模組、感測資訊擷取與分析模組目的不同整合所需之技術，是一項受到矚目的新興發展產業。 本計畫機器人用壓力分佈感測模組開發目標規格如下1.壓力分佈感測模組本模組應至少包含53壓力感測陣列與其包覆，力量測值5500g，訊號量測反應時間10ms。 2.機器人適型合扣機構模組本模組類似鞋子的功能主要作用為，將壓力感測模組與機器人的足部做緊密的契合，使其可以量測機器人足底充分之壓力分佈資訊，且不影響機器人之行動能力。 3.感測資訊擷取與分析模組壓力感測器將量測之壓力物理量，轉換成為類比電壓訊號，本模組則是將該電壓訊號提升至一特定準位，以利類比數位轉換器作取樣轉換，並將取樣轉換後之數位訊號，傳送至微處理器中進行分析處理，可將壓力分佈之資訊，比對為機器人步態與姿態之資訊和地面凹凸之情形，可作為機器人站立及行走平衡控制之依據。 4.ZMP軌跡分析腳在接觸地面時有反作用力也會產生力矩。 若存在一點其反作用力、慣性力的淨力矩和為零的點稱之為零力矩點ZMP（Zero MomentPosition），能夠知道重心的位置，就可以了解機器人的平衡點，如果ZMP落在腳掌的範圍裡面，則機器人可以穩定的行走。 本計畫機器人其各項功能之說明及規格如下列表1所示表1.兩足腳步壓力感測機器人規格表項目說明與規格壓力分佈感測模組壓力感測元件至少包含53壓力感測陣列與其包覆，力量測值5500g壓力量測靈敏度訊號量測反應時間10ms。 機器人適型合扣機構模組適型合扣機構設計將壓力感測模組與機器人的足部做緊密的契合，使其可以量測機器人足底充分之壓力分佈資訊，且不影響機器人之行動能力感測資訊擷取與分析模組感測壓電訊號轉換壓力感測器將量測之壓力物理量，轉換成為類比電壓訊號數位訊號擷取及分析將取樣轉換後之數位訊號，傳送至微處理器中進行分析處理地面資訊、壓力訊號及步態之整合分析將壓力分佈之資訊，比對為機器人步態與姿態之資訊和地面凹凸之情形，可作為機器人站立及行走平衡控制之依據電源訊號擷取及轉換電路之電源模組提供訊號擷取及轉換電路之電源，壓電元件為被動材料，無須供給電源。 控制系統機器人控制器主要提供機器人之運動控制，本計畫並無針對此部分之設計壓力感測分析由訊號整合電路提供給PC架構之處理器，進行壓力感測訊號分析、顯示及步態分析計算2.壓力分佈感測模組測試與原理說明2.1壓力感測元件(製程原理及整合)本研究感測元件之製作流程如圖(2-1)所示1.將FPC薄膜，製作成陣列式之矩形銅電極。 2.將高分子壓電薄膜（PVDF）當作中間層，並在其上下二側黏接上已完成電極製作之FPC薄膜。 3.之後將矽膠（Silicone Rubber）注入壓克力模仁中，加熱固化後即完成所需之微結構，並將其黏接在微電極陣列上。 4.最後再將所製成的感測器放入壓克力模仁中，並將PDMS注入加熱使其固化，即圖(2-1)製作完成之感測器。 PVDFPMMASilicone RubberPDMSCuFPCAdhesionlayer（a）FPC thinfilm（b）PVDF thinfilm（d）Silicone rubberMolding forstructures（e）Bonding Siliconerubber Structuresupon electrodes（f）Package withPDMS（c）Bonding圖(2-1)觸覺感測器之製作流程圖及完成之實體圖2.2感測元件實作測試與結果觸覺感測器之實驗架構如下圖(2-2)所示，先將製作完成之感測器固定在X-Y-Z三軸平台上，使用函數波形產生器(Tektronix AFG3022)產生500mV、2Hz之sinusoidal週期訊號至激振器(Shaker)，使其產生上下往復之週期性作用力去推感測器，讓週期動態力可經由PDMS傳至矽橡膠微結構，進而讓底下之PVDF薄膜輸出訊號，訊號經由電荷放大器(Charge Amplifier)接到示波器之CH3作訊號擷取，本次實驗中電荷放大器之增益調整為1倍，即原輸出訊號並無放大之狀態，示波器中CH1為振動台頂針上所設置之力規(Force Sensor)訊號，經由調整功率放大器(Power Amplifier)可控制激振器產生之週期作用力的大小，進而擷取示波器CH1之資料去分析。 圖(2-2)35陣列式觸覺感測器靈敏度測試實驗架構下圖(2-3)為示波器擷取出來之力規及觸覺感測器於施加力約為3.5N時輸出之電壓訊號圖，觸覺感測器之靈敏度趨勢另繪製於圖(2-4)，可看出感測器輸出訊號與所施加之力呈一線性上升趨勢，且本實驗之觸覺感測器由結果可知其量測之最小力量範圍約為0.25N，及最大可量測力量範圍約可到8.5N，也經由curve fitting之結果可看出感測之靈敏度約為41.96mV/N。 The Signalof ForceSensorThe Signalof TactileSensorExerting forceis about3.5N andthe outputvoltage oftactile sensoris132mV.圖(2-3)示波器擷取之訊號圖0246810ForceN0100xx00400Sensor OutputmVSensitivity ofTactile SensorY=41.96*X;R2=0.994圖(2-4)觸覺感測器靈敏度趨勢圖3.機器人適型合扣機構模組3.1機構設計分析為了將壓力感測模組與機器人的足部做緊密的契合，使其可以量測機器人足底充分之壓力分佈資訊，且不影響機器人之行動能力。 所以在合扣的部分，我們使用了容易剪裁，可塑性高的壓克力板去製作，我們把壓克力板製作成符合機器人足底板一樣大小，在腳底板的上方與下方，各做了一塊壓克力板，下方壓克力的中央裁掉，並把感測器置入中央，為了使其可以準確的與地板接觸，所以在最底部的地方鋪上一層薄薄的矽膠，形成一個可以合適機器人足底的機器人合扣。 如下圖所示。 圖3.1機器人合扣剖面圖3.2機構模組與機器人之整合測試我們以螺絲先將壓克力與足部的馬達固定，在把腳底板鎖上去，最後再固定底下的壓克力與感測器，下圖為機器人鞋子合扣示意圖與機器人整合後模組。 圖3-2-1合扣示意圖圖3-2-2機器人整合合扣示意圖在整合測試後，可以發現機器人的感測如預期一般，並不會受到壓克力影響，而造成量測上的不準確，也可以順利量測到壓力數值，跟受力的大小。 如下圖所示圖3-2-3整合測試4.感測資訊擷取與分析模組4.1運作及訊號處理流程本研究是利用壓力感測器，感測機器人的足底壓力，將其訊號回傳於機器人本身的控制器做身體重心與腳步的移動，在此次的機器人運用腳底的壓力感測器做運動控制，採用了一隻腳掌3*5的感測器矩陣共15個感測點來作感測。 在機器人的頭頂上方有一塊專責處理壓力訊號的微控制板，當感測器受到壓力時，先將類比訊號傳至電流放大器將電流放大，再傳入微控制板的AD多工器，經由60Hz慮波後再經過OP做電壓訊號放大，再傳進MCU的AD做訊號轉換，再經由ARM晶片做處理，再將處理後的數位訊號經由RS-232轉USB的傳輸線，把訊號傳至電腦，在電點端再做一個簡單的人機介面與後端的程式設計，將其訊號於電腦螢幕做即時顯示。 軟體方面所使用的是C#語言，不但可以在電腦上顯示壓力的數值，也利用圖型顯示去表現出壓力的大小，並且計算出ZMP（Zero MomentPosition）零力矩點的值，在其電腦上顯示數值及圖形表示。 4.2訊號擷取模組設計架構我們是將訊號傳入多工器，再經慮波跟訊號放大後，傳入CPU內部做處理，之後再經由RS-232轉USB線，把數位訊號傳入電腦做顯示，如下圖所示。 將左右兩隻腳掌的感測器訊號，經由多工器擷取類比的訊號，再將訊號做60HZ的濾波，再將訊號做放大進入MCU的AD將訊號轉換再經由ARM晶片做處理，再將處理後的數位訊號經由RS-232轉USB的傳輸線把訊號傳至電腦。 4.3電路設計我們採用的是壓電式的感測器，一隻腳掌各使用3*5的矩陣共15個感測器，兩隻腳掌共30個感測器，因此採用2的16通道的AD多工器。 首先當感測器受壓力時會產生一類比訊號，此類比訊號有一缺點為電流非常小，因此若直接將感測器訊號直接送入微控制板做處理會有雜訊干擾的問題，因此在感測器與微控制板中有加裝一電流放大器，而其電流放大器是採用CMOS的OP，其優點為高輸入阻抗、低耗電、低輸出阻抗，利用這電流放大器將訊號的電流放大使其不受雜訊干擾，但因OP的高輸入阻抗與感測器的阻抗相比之下，因雜散電容的效應，會使多餘的電荷累積在感測器端造成干擾，因此在感測器的輸出端，再併接一10M歐姆的電阻做為放電用。 當訊號經電流放大器放大電流後進入微控制板後，先經過2個AD，即一個腳掌使用一個AD多工器，再經由60HZ的濾波電路將訊號做60HZ的濾波，再將訊號用一儀表放大器的OP做電壓訊號的放大，再進入ARM晶片的AD做訊號轉換，再經由ARM晶片做訊號處理，當ARM晶片把訊號處理完後經由RS232再轉USB傳進主電腦做後端的處理與顯示。 下圖為60Hz慮波電路，用來消除雜訊用。 下圖為多工器的電路圖上下分為2個，剛好用於2個感測器。 下圖為CPU電路圖。 下圖為RS-232跟電源端的電路圖。 4.4訊號擷取程式架構當受到壓力時，會傳訊號出去，把訊號放大後會傳入CPU，當CPU接受到訊號的時候，就會把數值往電腦裡面送，經過RS-232轉USB線把訊號傳至電腦，再由電腦即時顯示數值與圖型來表示。 如果壓力感測器繼續傳送訊號，則新的數值將會取代舊的數值顯示出來，所以電腦上會一直顯示出新的圖型與數值，流程圖如下圖所示。 4.5整合實作測試及結果下圖為電路板、感測器整合在機器人身上的背面圖示。 下圖為電路板、感測器整合在機器人身上的正面圖示。 下圖為電路板、感測器整合在機器人身上的側面圖示。 下圖為程式的初始畫面，如果沒有訊號時，則沒有任何數值與圖型。 下圖為受力時的圖型，圖型採紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫7種顏色組成，當力越小的時候，則呈現紅色越往外擴則力越大，白色的點代表ZMP值，下面框框裡的數字為力的大小。 5.ZMP軌跡分析5.1ZMP軌跡模擬地面上一點的慣性力和重力之淨力矩無水平軸成分，稱此點為零力矩點ZMP（Zero MomentPosition）。 下圖為模擬時的情況，當我們敲擊感測器的右上方時，程式的上方也會顯示圖型，與ZMP的點。 紅色點表示壓力大小的，白色的部份表示ZMP點。 下圖為模擬時的情況，當我們敲擊感測器的右方時，程式的右方也會顯示圖型，與ZMP的點。 紅色點表示壓力大小的，白色的部份表示ZMP點。 下圖為模擬時的情況，當我們敲擊感測器的下方時，程式的下方也會顯示圖型，與ZMP的點。 紅色點表示壓力大小的，白色的部份表示ZMP點。 5.2ZMP軌跡分析比較下圖為壓力圖型顯示與數值顯示，紅點為壓力大小，白點為ZMP位置點，旁邊為ZMP在X軸的位置與Y軸的位置，由此圖可知當壓力點在上方時，ZMP的位置也在上面，也就是機器人的重心位置。 下圖為壓力圖型顯示與數值顯示，紅點為壓力大小，白點為ZMP位置點，旁邊為ZMP在X軸的位置與Y軸的位置，由此圖可知，當施力在左邊時，ZMP的位置也在左邊。 下圖為感測器受力時的壓力分佈圖型與ZMP的位置分佈圖，此圖為機器人踩到物品時的壓力分佈圖，由此圖可知採到物品時壓力的分佈。 下圖為機器人行走時的壓力分佈圖與ZMP值，此圖為機器人行走時的壓力分佈圖，由此圖可知當機器人在行走時力量是平均分配的。 6.討論及建議本次計畫所採用的是3*5個感測點的壓力感測器，原本是以10個感測點去做測試，發現到其效果並不如預期，因為感測點分佈的並不緊密，導致某些角度測不到任何壓力，為了避免這種情況發生，所以把感測器從10個增加到15個，並以3