為一個人形機器人手設計一個手指末端柔性的觸覺傳感器畢業(yè)設計（論文）word格式

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1、為一個人形機器人手設計一個手指尖柔性的觸覺傳感器 Yuan-Fei Zhang1, Yi-Wei Liu1, Ming-He Jin1, and Hong Liu1,2 State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology150001 Harbin, China Institute of Robotics and Mechatronics, German Aerospace Center82230 Munich, Germany zyf_hit@yahoo 摘要：在這項研究

2、中，使用壓力導電橡膠為轟動一時的事或商人設計一個薄和靈活的觸覺傳感器的靈巧機械手是成熟的。一個采用曲面近似開展的方法通常是用于設計傳感器的形狀，確保傳感器可以覆蓋三維的手指末端外表。為了削弱相聲電流和簡化電氣電路的傳感器, 推薦使用一個取樣-電壓-反應-否認-目標-已掃描的取樣-電極(SVFNTSSE)的算法。然后一個觸覺信號采集和處理電路的結構基于此方法進行了闡述。最后, 基于SVFNTSSE方法削弱相聲的實驗根底上驗證了該方法的有效性,結果其他實驗說明該傳感器系統(tǒng)已經融入靈巧機器人的機械手。 關鍵詞：觸覺傳感器；壓力導電；人形機器人手；相聲 1 入門介紹 到目前為止，用于靈巧機器人

3、手的觸覺傳感器的主要轉導方法是光學的[1], [2]和有抵抗力的[3], [4], [5], [6]，隨著機器人靈巧手向小型化、高集成和類人的方向的開發(fā)，只附加在機器人的手的外表上的觸覺傳感器是很重要的。因此,應用于一個類人的有一個曲面的靈巧機械手觸覺傳感器應該薄和靈活的。 光學觸覺傳感器不適合一個人化靈巧機械手,因為要薄和靈活是困難的。因此,所有的應用于實際機器人靈巧手的光學觸覺傳感器,介紹了還在試驗樣機舞臺的文學。然而,電阻式觸覺傳感器可以薄和靈活。因此,在文獻中,在機器人靈巧手中電阻觸覺傳感器比光學觸覺傳感器有更多的應用。 Raparelliet al 使用武力傳感電阻器(FSR)通過

4、公司連鎖制造,作為觸覺傳感器的氣動的人化的機械手[5]。FSR的感應元素就印在了一張薄膜。那個薄膜是一個柔軟的床單,但它不是有彈性。所以這個薄膜僅能涵蓋三維(3 D)可展面,但它不能完全覆蓋一個3D不可展面。Kawasaki et al.為Gifu Hand II拓展一個分布式的觸覺傳感器的[3]。具有網格型電極和使用導電油墨的分布式觸覺傳感器安裝在手外表。同時這個傳感器可以覆蓋Gifu hand II的大局部地區(qū),還增加觸覺感應區(qū)。然而,隨著傳感器的電線在靈巧機械手的外面,它會影響到非結構環(huán)境的機械手的操作平安。Shimojo et al.設計了一個薄和靈活使用壓力導電橡膠與縫合電線觸覺傳感

5、器[4]。傳感器可以掩蓋三維實體,目前僅用于非接觸式狀態(tài)檢測聯(lián)系。雖然傳感器使用該方法可以有效地提高外表強度抵抗剪切力，但是這個方法制造傳感器的電極會繼續(xù)使敏感的薄片的面數(shù)加倍。這是不利的,因為壓力導電橡膠通常是靈活的, 憑什么外面的電極揭露了彎曲應力可以降低傳感器的使用期。Cannata和Maggiali開發(fā)出一種新的完全嵌入式觸覺傳感器系統(tǒng)[6]。這觸覺傳感器被設計安裝在由一個矩陣和64個電極的靈巧的機器人夾具(MACHAND)里,在柔性線路板(蝕刻印刷電路板)覆蓋一層導電橡膠。電極的布局站在同一邊,防止當雙面電極地使用劣勢。然而,電路的觸覺信號處理硬件和實體的傳感器是共享同樣的柔性線路板

6、,導致整個系統(tǒng)不得不被替換甚至是局部故障發(fā)生。 通過分析過去電阻式觸覺傳感器應用于機器人靈巧的雙手的特點和HIT/DLR機器人的靈巧的雙手的高度集成特點[7],我們開發(fā)了一個電阻,薄和靈活并且可以有效地覆蓋了HIT/DLRII靈巧機械手指尖的彎曲外表的觸覺傳感器。在本文中,首先,傳感器的設計方法。其次,觸覺信號采集與處理系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)作了介紹。最后,給出了實驗結果 2 觸覺傳感器的設計 HIT/DLR機器人靈巧的手是一種擁有15度的自由(DOFs)的多感官和綜合的五指手。為了到達一個新的高度模塊化的,所有的五個手指都是相同的。每個指頭的有三個自由度和四個關節(jié),最后通過一個“∞〞圖線結構

7、方法使兩個關節(jié)耦合。在手指中所有制動器直接相結合，為了一只手實現(xiàn)手的模塊化和電纜重量和數(shù)量的最小，電子和通信控制器在手指中完全整合。[7]為了看到這個機器人的手的更多細節(jié)。圖1顯示擁有興旺的觸覺傳感器的HIT/DLR機器人靈巧的機械手的一個手指。薄和靈活的傳感器安裝在手指尖面的三維實體外表。 以下是關于描述傳感器原理,傳感器的結構和過程的外形設計的細節(jié)。 圖 1 具有手指尖靈活的觸覺傳感器的HIT/DLR機器人靈巧機械手的手指 2.1 傳感器的原理 觸覺傳感器的原理是基于電阻性機制。這個傳感器采用壓力導電橡膠CSA(產品橡膠橫濱市)作為壓力敏感的材料。橡膠是一種硅橡膠和石墨顆粒復合

8、的橡膠,還可使用在灰黑的柔性薄片形式, 厚度是0.5毫米。它有許多優(yōu)良特性,例如:彈性、伸長率、彈性、耐久性[8]。 電阻外表的效果[9]主要用于增加敏感的觸覺傳感器。,如圖2, 在電極和外表電阻rs之間的壓敏材料的體積電阻rv隨著應用負載的變化而變化。然而, 當壓力F被改變時，rs的值比rv的值變化更多[10]。電阻r的觸覺細胞隨著負荷的增加減少了，相當于rs和rv加起來的兩倍。同時信息的聯(lián)系通過測量值r獲得。 2.2 傳感器的結構 這個觸覺傳感器的電極的設計提出在文學分為兩個類型:一個雙面電極布置和單面電極布置。由于壓力導電橡膠靈活,所以使用雙面電極的布局是不利的。當壓力反復增加時

9、，必須有一方電極暴露在一個降低傳感器的使用期的彎曲應力。所以單面電極的布局被興旺的傳感器采用。該傳感器具有三個層次:一個電層、一個敏感的層,一層保護層,,如圖3所示。這個傳感器的厚度和觸覺細胞的大小分別是0.65毫米和3毫米×約3毫米。 圖3 手指尖的柔性觸覺傳感器的結構 電層是由一個雙層的柔性線路板及通過特殊的膠水安裝在HIT/DLR Hand II靈巧的手指尖外表。大小為19.6毫米×50毫米×0.1毫米(長度×寬度×厚度)的柔性線路板包含36對尺寸是2.1毫米×2.1毫米的鍍金梳形電極。通過對電極的傳感器的排列, 這就只需要13只針接口接通一個觸覺信號采集和接通電路。 敏感層包

10、括壓力導電橡膠和絕緣硅橡膠膠水。為每一個觸覺元素橡膠片分成一小局部，嵌進一個絕緣網。在這里，絕緣硅橡膠應用不僅消除敏感資料相鄰采樣電極和鄰近的驅動電極之間的內部干擾,而且粘合在電層上的敏感材料 (要確保在電層上的敏感材料與電極之間不存在粘合)。 保護層是一個絕緣硅橡膠薄膜。 電層的效果不僅是保護敏感層,而且，在一個特定的程度，增加傳感器外表的摩擦系數(shù)和傳感器的不同測量規(guī)模 2.3 傳感器的形狀 為了使HIT/DLR Hand II的靈巧機械手有像人類的手的外觀,手指尖外表被設計成三維外表。從頂部到底部，一個圓柱外表,一個橢球面外表和一個圓錐形外表組成 這個有可辨的補丁參加的三維外表,

11、 如圖4中所示。因為柔性線路板加工技術的限制,只有平面柔性線路板可以生產。因此,柔性印刷電路板外形設計成為一個關鍵的研究 內容以使傳感器覆蓋手指尖的外表。簡化了問題,曲面的擬合研究反而支持了外表整平的研究。因為，除橢球面外表外，圓柱外表和圓錐形外表均是可展面,焦點問題變成怎樣做一個合理的近似橢球面外表的開展。 有三個步驟進行分析的近似橢球面的軌跡開展。首先, 從手指尖外表提取橢圓面;其次, 在提取外表插入飛鏢再分割成幾個次外表;最后,大約開展次外表。 盡管更多的鏢被插入在外表,更高開展精密是后天獲得的,這將會導致柔性電路板的布局設計的更加困難。 圖4 橢圓的近似開展的分析過程

12、因此,一定數(shù)量的飛鏢應當在很小的范圍內滿足近似精度要求的開展。在這項研究中,兩個飛鏢是插入在橢球面外表。同時外表被分為三個次外表(把上和下線分別三等分,然后用兩個特定的位面來分裂這外表)。次外表輪廓的形狀通過對軟件采用ANSYS 11.0分析獲得，如圖4所示。這提供了次外表近似的開展的指導。 所以,兩個縱劈腿次外表的里沿代替圓弧曲線,其他邊緣代替直線運動。因此, 近似開展的二維(2 D)模式的橢球面的軌跡顯示在圖5(a)。 接下來,我們即將要從整體的角度包括兩個網格線的相對角度誤差Eθ，網格線的線長度誤差EL和網格線相對面積誤差ES，分析橢球面外表精度的開展。 因為橢球面外表具有前后外表對

13、稱的性質的近似開展,只需要分析參數(shù)θ1-θ6,L1-L7 和S1-S2.的相對誤差。結果說明,各種誤差低于3%的顯示在表1、表2、表3中。因此,這個二維外表能很好地適應橢球面外表。 表1 相對角度的誤差 θ1 θ2 θ3 θ4 θ5 θ6 3D model (°) 120.60 86.23 90.81 101.90 93.77 89.19 2D model (°) 121.60 85.76 92.18 99.23 92.59 87.41 Eθ (%) 0.83 1.77 1.51 -2.62 -1.26 -2.00 表2 相對長

14、度的誤差 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 3D model (mm) 5.48 8.00 4.42 11.18 5.48 11.18 4.42 2D model (mm) 5.42 7.98 4.44 11.50 5.48 11.51 4.44 EL (%) 1.09 0.25 0.45 2.86 0 2.95 0.45 表3 相對面積的誤差 S1 S2 3D model (mm) 52.77 57.75 2D model (mm) 51.55 57.04

15、 ES (%) -2.31 1.23 根據橢球外表整平的二維模式設計了二維形狀的傳感器，如圖5所示〔b〕。A區(qū)域是電氣定位區(qū)的觸覺傳感器； B、C、D區(qū)域組成觸覺感知區(qū)域,而且是用來分別覆蓋手指尖外表的圓柱外表、橢球面外表、圓錐外表。鑒于目前柔性線路板加工技術的限制，柔性線路板的二維形狀被設計出來，如圖5所示〔c〕。最后,實際適宜的實驗驗證了所設計傳感器的形狀很好。 圖5 (a)橢圓外表的近似開展的二維模式。(b)觸覺傳感器的形狀。(c)柔性線路板的形狀。 3 電力系統(tǒng)的設計 一個使大量的數(shù)字和模擬模塊結合可編程的大型積體電路(PSoC)可配置一些根本功能的裝置(例如AD

16、C和DAC),適用于控制器。運用這種芯片可以有效減少外部支持電路的復雜度和提高觸覺信號采集處理電路的集成。可以鑲嵌在機器人的手指尖(可用空間的大小是大約16毫米×13毫米×9毫米)的電路實體在圖6中顯示。根據電路部件的不同功能,該電路可分為兩個功能單位:一個信號數(shù)據采集、處理單元和通信單元。 圖6 觸覺信號采集處理電路 3.1信號采集與處理系統(tǒng) 觸覺信號的采集與處理系統(tǒng),包括信號采集加工單位和觸覺傳感器,顯示在圖7。因為電極的數(shù)組應用,在相鄰觸覺細胞之間的相聲變成一個需要考慮問題。為了簡單起見，這個問題將會解釋,只有數(shù)組的一小部份被提出了,顯示在圖8。當一個掃描電路的掃描i-row

17、電極及j-column電極時,理論上,只有觸覺細胞C(i,j)的阻力ri,j應該測量；事實上,是由ri,j-1, ri+1,j-1, ri+1,j組成的系列路徑也納入影響了電阻ri,j的測量精度的測量回路。當ri,j-1, ri+1,j-1 和ri+1,j的全部值不再是比ri,j的值大得多時, 通過測量環(huán)有一個相比照擬大的干擾電流,嚴重影響測量的準確度。目前,只有兩種有效方法,電壓反應法[11]，[12]和零電位法[4],[14],用于削弱相聲電流。然而,基于這兩種方法電路需要更多的外部的電路設備。對于電路小型化，這是一個不利條件。因此,一個采樣-電壓-反應-否認 -掃描 -采樣 –電極(SV

18、FNTSSE)方法被提出。SVFNTSSE方法的原理是電壓的瞄準目標-掃描-取樣電極反應到否認-瞄準目標-掃描 -采樣電極,以便所有抽樣電極形成一個等價的潛力區(qū),切斷干擾回路,而漂浮否認-瞄準目標-掃描 -驅動電極。該方法不僅能有效減少了復雜的電路,而且有效地削弱相聲電流(參見具體實驗在第四局部) 傳感器系統(tǒng)的原那么是眾所周知的周期運行掃描。如圖7所示, 一個觸覺細胞信號采集過程,闡述如下: 首先,驅動電壓Vdd通過多工器的瞄準目標-掃描 -驅動電極被采用;其二, 瞄準目標-掃描 -采樣電極被內部的多路復用器的配置PSoC掃描;第三, 否認-瞄準目標-掃描 -采樣電極應用模擬開關連接,因此

19、電壓的瞄準目標-掃描 -采樣電極可以通過配置多路復用器反應到其它抽樣電極,一個配置可編程增益放大器(PGA),模擬輸出緩沖區(qū)和模擬開關;最后,電壓的瞄準目標-掃描 -采樣電極轉換成數(shù)字值配置模數(shù)轉換器,目前效力于一個8位的決議 圖7 信號采集與處理系統(tǒng) 圖8 相鄰元素之間的相聲的原理圖 3.2通信系統(tǒng) 觸覺傳感器的數(shù)字信號的一個流動的路徑如圖9所示。第一,觸覺傳感器的數(shù)據,包裝的手指尖的PSoC板，被發(fā)送到手指DSP(數(shù)字信號處理器)板通過SPI串行外設接口)總線;其次手指DSP板傳送到包含觸覺傳感器數(shù)據、關節(jié)力矩數(shù)據和關節(jié)角數(shù)據的數(shù)據包, ,對手指FPGA(可編程領域門陣

20、列)板通過SPI〔串行外設接口)總線,然后放在她的手指FPGA板發(fā)送數(shù)據包的整個手指直接向DSP-PCI卡,或間接透過手掌的FPGA板DSP-PCI卡點對點串行通訊(PPSeCo)總線,最后DSP-PCI收到卡片上傳數(shù)據到個人電腦。 為了減小手指尖的PSoC板和手指DSP板之間的通信時間、操作這個PsoC中的SPI模塊結構的頻率應該選擇頻率最高(12兆赫)。不過,正因為時鐘頻率約束的控制器,花費時間讀/寫一個八位登記這是12.6μs顯著大于666.7μs的花費時間受/送一個字節(jié)。因此,為了使SPI通信正常工作狀態(tài)下, 手指尖的SPI的功能模塊的PsoC板必須被設置為主人模式,而手指的SPI的

21、功能模塊的將DSP板被設置為附屬模式。通過考慮觸覺信號的采集和SPI通信的時間，觸覺傳感器的最后操作頻率系統(tǒng)是107.3赫茲。 圖9 通信系統(tǒng) 3 實驗和討論 4.1 運用SVFNTSSE方法削弱相聲實驗 為驗證SVFNTSSE方法的有效性,四個相鄰的觸覺細胞,分別是細胞-06, 細胞-07, 細胞-11和細胞-12,被選擇為實驗物體,,如圖10。和一個外部力量只適用于在元素上細胞-07, 細胞-11和細胞-12,然后每一個觸覺細胞的輸出電壓可以觀察到。當不使用SVFNTSSE方法, 觸覺細胞-06的輸出電壓被嚴重干擾(如圖10(a)、細胞-06的輸出電壓約等于其他的在8秒);但

22、當使用這個方法, 細胞-06的輸出電壓幾乎是不受影響,顯示在圖10(b)。因此,實驗結果驗證了該方法的有效性。 圖10。串擾分析 4.2 實驗研究傳感器特性 觸覺傳感器具有非線性滯及蠕變等特點。這些通過測量系統(tǒng)的特性進行了研究,顯示在圖11。這系統(tǒng)包括一個加載平臺和圖形可視化系統(tǒng)。測量過程如下:首先, 通過載重線應用離散載荷傳感器的平臺,然后通過串行通訊總線傳送傳感器的信號到PC上,最后通過圖形可視化系統(tǒng)處理接收到的數(shù)據。為了提高測量的準確度,四個相鄰觸覺元素被選中,應用于每一個元素的壓力都是平等的,然后元素輸出的平均值應該作為輸出傳感器。確保壓力的平衡,兩個采取了措施:設計一個具有

23、柔性層的集料器和的和調節(jié)集料器周圍六軸的角度直到每一個壓力元件的輸出值都相互相等。在完成必要的操作后,我們不斷地裝載離散負荷又不斷卸了離散載荷傳感器，兩次了。在這個過程中,傳感器的產量為壓力裝置的平均產量被獲取。遲滯特性曲線及蠕變特性曲線該傳感器如圖12(a)和(b)圖12)。圖12(a)也顯示壓力傳感器的測量范圍是0 - 600 kPa。 圖11 觸覺傳感器測量系統(tǒng) 圖12。(a) 觸覺傳感器的滯回特性曲線。(b) 觸覺傳感器的蠕變特性曲線 4.3 接觸力控制的實驗基于觸覺傳感器 在研究傳感器的非線性特性后,我們在 HIT/DLR Hand II靈巧機械手的手指的指尖外表

24、上安裝傳感器進而建立實驗硬件系統(tǒng),顯示在圖13(a)。在這個實驗中,“產品改良+摩擦補償〞控制算法被用于在考慮信號處理的這樣的非線性特征,以及接觸力建立的要求分別設為50 kPa,100 kPa,200 kPa,300 kPa,400 kPa,500 kPa和600kPa。 這實驗結果(見圖13(b))說明, 基于反應信號的觸覺傳感器，整個控制系統(tǒng)能保持不變的接觸力。因此,在未來，該傳感器的信號將用于多手指手的抓取力的控制。 圖13。(a)平臺的接觸控制實驗。(b) 基于觸覺恒定的接觸力控制的結果 5 結論 在本文中，提出一種薄而靈活的電阻性觸覺傳感器,嵌入式電力系統(tǒng)對觸覺信號采集

25、與處理進行了描述。通過采用三維曲面近似的開展方法設計出傳感器的形狀,確保優(yōu)良的傳感器符合HIT/DLR Hand II靈巧機械手的手指尖外表。被推薦的SVFNTSSE方法不僅可以有效地削弱相聲電流,而且可以簡化電路結構。 對于觸覺傳感器的系統(tǒng),有效的測量范圍近似是0 - 600kPa, 分辨率與操作頻率分別是8比特和107.3赫茲。接觸力控制試驗說明,觸覺傳感器系統(tǒng)被集成在HIT/DLR Hand II靈巧機械手的控制系統(tǒng),在未來，為觸覺信息在多手指協(xié)調中應用建立一個良好的根底。 感謝 這個工程是由國家高技術研發(fā)與開展方案(“863〞方案)(第2021號AA04Z203)和自我方案任務

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