机器人多感知技术触觉

1、2020年7月14日，河北工业大学机械工程学院，1。第一章触觉、滑动传感器和人工皮肤触觉机器人触觉在机器人感觉系统中起着非常重要的作用，具有其他感官无法实现的功能。视觉是由光的作用完成的。当光照有限时，一些简单的识别功能只能通过触摸来完成。更重要的是，触摸还可以感知物体的表面特征和物理属性，如柔软度、硬度、弹性、粗糙度、材质等。因此，触觉传感器是机器人传感系统中最重要的研究课题之一。机器人触觉的原型模仿人类的触觉功能，通过触觉传感器和被识别物体之间的接触或交互来感知物体的表面特征和物理属性。2020/7/14，河北工业大学机械工程学院，2。第一章触觉、滑动传感器和人造皮肤触觉。触觉传感器的原理

2、：由弹性机械接触和压阻式硅橡胶制成的触觉传感器是最早的触觉模型，它利用了两端电极电容因介质压缩变形而变化的原理；利用可见弹性薄膜与物体接触产生的成像原理；各种压电材料(聚偏氟乙烯、压电陶瓷等)引起电荷变化的原理。)在压力下；注：聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯压电陶瓷是压电的。压电陶瓷：PbZrTiO3用于在受噪声激励的膜片上放置压敏薄膜。当物体作用在压敏薄膜表面时，声阻抗发生变化。2020/7/14，河北工业大学机械工程学院，3。第一章触觉、滑动传感器和人工皮肤触觉、触觉发展的基础：制造工艺也有很大改进：采用半导体集成工艺，采样电路为专用集成电路，电压源信号直接与制作在底板上的场效应晶体管相连，获得

3、高输入阻抗和强抗干扰能力，专用集成电路采样电路制作外部引线。注：专用集成电路新材料：各向异性压阻材料，如CSA、FSR等。使压阻式触觉传感器的研究显得蓬勃。注：CSA碳毡技术：随着微电子技术的发展，制造了一种高速触觉采样和控制电路，以使触觉图像的采集与视频速率同步。2020/7/14，河北工业大学机械工程学院，4，1.1触觉传感器的一般要求，1.1.1人类触觉敏感的人的手具有容易抓握物体、操纵物体和确定物体的许多物理特性。这些功能是通过感受信息，尤其是触觉信息来实现的。2020/7/14，河北工业大学机械工程学院，5，1.1触觉传感器的一般要求。在机器人触觉敏感方面，我们试图模拟人类触觉敏感系

4、统的一些功能。因此，有必要掌握人类触觉敏感性及其功能的知识，但不可能在短时间内再现生物传感器的功能。生物系统的存在和人类自身的触觉经验有助于发展机器人的触觉敏感性。人体内有两种能与外界物体发生反应的感觉系统：(1)体内感觉系统。该系统检测内部参数，如手-脚关节角度、肌肉拉伸和肌肉收紧。机器人通过这些参数间接接触外部物体；(2)外部感觉系统。该系统响应皮肤表面温度和形状的变化，这些参数是与外部物体直接接触的结果。2020/7/14，河北工业大学机械工程学院，6月，1.1触觉传感器的一般要求，外体感觉传感器系统的神经末梢被包围在真皮和表皮之间，并且它由许多特殊的神经末梢组成。皮肤可以直接对接触压力

5、、温度和疼痛做出反应。2020/7/14，河北工业大学机械工程学院，7，1.1触觉传感器的一般要求，除疼痛信号外，当稳定刺激的强度随时间降低时，所有神经末梢都表现出适应性。适应性的准确性影响每个传感器的频率响应。在冷水中浸泡几分钟后，你会感觉不到水有开始时那么冷，因为神经激活特定神经纤维的兴奋源是包围无末梢神经的隔膜和具有自由神经末梢形状的裸神经。未端接的吸头，如带有扩张吸头的默克尔圆盘，或压缩吸头，如帕西尼细胞，会影响感受器对机械激发源的动态范围。影响机械感受器反应的另一个因素是神经末梢接触周围组织和结构的方式。2020/7/14，河北工业大学机械工程学院，8，1.1触觉传感器的一般要求，覆

6、盖在皮肤表面的人发不仅能保持人体热量，还具有接近传感器的功能：头发对触摸极其敏感，通过它可以检测微小的位移变化，还可以通过头发腺细胞周围的神经末梢传递信号。2020/7/14，河北工业大学机械工程学院，9，1.1触觉传感器的一般要求，1.1.2机器人触觉传感器应具备以下基本特性：1)传感器具有良好的柔顺性和耐磨性。2)空间分辨率为12毫米，接近人手指的分辨率(两个敏感点之间被人皮肤隔开的距离为1毫米)。3)每个指尖具有50，200个触觉单元(即510，1020个阵列单元)。4)触摸元件的力灵敏度小于0.05牛顿，优选约为0.01牛顿.5)输出动态范围应达到1000: 1。6)传感器具有良好的稳

7、定性、重复性和无滞后。7)输出信号值单一，线性度好。8)输出频率响应为100赫兹1千赫兹。2020/7/14，河北工业大学机械工程学院，10，1.1触觉传感器的一般要求，根据传感原理触觉传感器基本上可分为开关压阻压电光电电容电磁等，2020/7/14，河北工业大学机械工程学院，11，1.2触觉传感器开关，这是最简单的用于检测物体存在的触觉制动装置。在工业上，一种廉价的触觉传感器是用小开关阵列形成的，它的形状大，空间分辨率低。二元阵列触觉传感器严重限制了触觉传感器能够提供的信息量。2020/7/14，河北工业大学机械工程学院，2020年12月1日，河北工业大学机械工程学院，13，1.2，触觉传感

8、器开关，光电开关触觉传感器阵列，2020年7月14日。很难提高开关型触觉传感器的阵列密度。当阵列数量增加时，外部引线也是一个大问题。由敏感材料和硅技术制成的阵列触觉可以大大增加阵列的数量和密度，并减少外部引线的数量。然而，由于缺乏灵活性，很难安装在不同形状的通用应用载体上(例如手指)。用软压阻敏感材料制作阵列触觉传感器是一种很好的方法。2020/7/14，河北工业大学机械工程学院，15，1.3压阻式阵列触觉传感器，1。传感器结构压阻阵列触觉传感器的基本结构是由平行电极组成的触觉单元的外部引线，上(行)电极和下(列)电极相互垂直，压阻材料置于中间，行和列电极的交叉点定义为阵列触觉的触觉单元，20

9、20/。河北工业大学机械工程学院，16，1.3压阻阵列触觉传感器，2。压阻材料在压阻阵列触觉传感器中，最关键的部件是敏感材料和电极。理想的敏感材料应具有较高的压力动态范围、能承受较大的过载、灵活、重复性好、线性最好、滞后小和抗疲劳。一方面，这一领域的专家在探索和开发新的敏感材料，另一方面，他们在信号处理方面努力工作，并取得了一些实际成果。各向异性压阻材料的应用受到了广泛关注。例如，敏感材料在Z方向上具有压阻特性，并且在X和Y方向上具有较大的电阻值，而不管它们是否被按压。2020/7/14，河北工业大学机械工程学院，17，1.3压阻式阵列触觉传感器。碳毡是一种渗碳纤维材料，其电阻值在小压力下变化

10、很大。因此，由CsA制成的传感器是灵敏的，并且具有很强的导电橡胶也经常被用作触觉传感器的敏感材料。例如，导电颗粒在对应于电极的区域中被选择性地渗透到硅橡胶上，以形成阵列导电橡胶单元，并且相应触觉单元的电极被直接放置在下面。当电池处于压力下时，电极两端的电阻随着压力的变化而变化。为了获得软触觉传感器，其上层叠有阵列触觉的阵列电极必须是软的，例如由导电橡胶线或聚酯板制成。注：聚酯(乙烯对苯二甲酸)，2020年7月14日，河北工业大学机械工程学院，18，1.3压阻阵列触觉传感器。第三，采样电路触点的触觉性能将通过触点的上电极和下电极之间的接触电阻来反映。阵列触觉采用行电极和列电极的结构形式，其目的是

11、减少传感器的外部引线。触点的电阻器以行和列并联连接，这引入了触点之间耦合的串扰噪声。2020/7/14，河北工业大学机械工程学院，19，1.3压阻式阵列触觉传感器，解决干扰噪声的方法，每个触觉单元单独引出。外部引线大多通过硅技术进行预处理和集成，集成电路和传感器集成在一起。成本高且缺乏灵活性。电压镜像法。制造复杂，灵活性差。在电极制造中，有必要在底层电极中集成一组二极管，以使每个阵列电阻器与一个二极管串联，从而阻断干扰电流环路。电子模拟开关导通电阻导通电路的测量精度下降。2020/7/14，河北工业大学机械工程学院，20，1.3压阻阵列触觉传感器，改进的电压镜像法。类似于第三种方法，将原始未选

12、择的行和列的电压反馈改变为直接接地，将选择的行连接到参考电压，并且选择的列直接读出电压值(没有参考电阻)。相反，所选列连接到参考电压，并且所选行读出输出电压。通过这种选通方法获得的参数可以联合求解所选触觉元件的电阻值。显然，在相同的情况下，与以前的方法相比，单帧触觉图像的采样时间增加了一倍。2020/7/14，河北工业大学机械工程学院，21，1.3压阻阵列触觉传感器，在上述扫描采样电路中有一个共同点：每个触觉单元的电阻值的采样只需要经过模拟门控、电路稳定、模数采样保持、转换等。由于压阻阵列具有一定的容性负载，电路稳定时间占很大比例，介绍了单触元件扫描方法及其触觉图像。根据经验，即使选择一帧16

13、16压阻阵列触觉图像，触觉传感器的频率响应也很难超过50Hz，并且频率响应会随着阵列数量的增加而降低。2020/7/14，河北工业大学机械工程学院，22，1.3压阻阵列触觉传感器，线扫描采样方法为了提高扫描采样速度，右图显示了线扫描采样方法，图中的阵列数为nn，一次扫描一行，从而大大提高了单帧触觉图像的读取速度，为整个触觉系统的实时性能奠定了硬件基础。在提高触觉采样速度的同时，它还解决了行和列之间的串扰噪声问题。2020/7/14，河北工业大学机械工程学院，23，1.4光学触觉传感器。空气的折射率约为1，而聚甲基丙烯酸甲酯的折射率约为1.5。当光从光学致密介质传播到光学稀疏介质时，会发生全内反

14、射，并在大于临界角的位置撞击两种介质之间的界面。当光波导的表面与外部物体接触时，接触点处的全内反射被破坏，光从光波导的相对侧射出。2020/7/14，河北工业大学机械工程学院，24，1.4光学触觉传感器。可以确定从光波导背面发射的光，2020/7/14，河北工业大学机械工程学院，25，1.4光学触觉传感器，其也可由对剪切力敏感的反射橡胶材料制成，26，1.5，河北工业大学机械工程学院，2020/7/14，其他触觉传感器，1。压电触觉传感器机器人用压电触觉传感器最常用的压电材料是聚偏氟乙烯薄膜。压电阵列传感器也有引线问题，其形式为集成电路。高分辨率(0.6毫米)；良好对准(0.0080.6牛顿)；频率响应为33Hz；在信号采集之前，给触觉单元的颈部充电并使引线变细，已经解决了信号不稳定性(随机部分)和交叉干扰噪声。2020/7/14，河北工业大学机械工程学院，27/1.5其他类型的触觉传感器被认为是制造机器人触觉传感器的最佳敏感材料，因为它们具有良好的压电和热电性能、良好的柔性和综合机械性能。最近，有人用它来发展人工触觉(包括热觉、触觉、痛觉等)。)模仿人类皮肤。2020/7/14，河北工业大学机械工程学院，28/1.5其他类型的触觉传感器，