一種新型柔性觸覺(jué)陣列傳感器標(biāo)定平臺(tái)的設(shè)計(jì)

黃 英， 李浩洋， 張玉剛， 張津源， 李新潮， 馬金鳳

（合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

機(jī)器人技術(shù)是當(dāng)今全球高新技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志之一。機(jī)器人系統(tǒng)需要各種各樣的感知傳感器來(lái)獲取工作環(huán)境的全局信息，包括視覺(jué)傳感器、接近覺(jué)傳感器、觸覺(jué)傳感器等。觸覺(jué)作為機(jī)器人獲取環(huán)境信息的一種僅次于視覺(jué)的重要知覺(jué)形式，是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)與環(huán)境直接作用的必要媒介。隨著機(jī)器人開(kāi)始進(jìn)入人類(lèi)生活，人們要求其接觸部位具有與人類(lèi)皮膚一樣的感知能力和柔韌性［1－2］。柔性觸覺(jué)陣列傳感器作為一種測(cè)量自身敏感面與外界物體相互作用參數(shù)的裝置，包含多個(gè)觸覺(jué)傳感單元，每個(gè)傳感單元都能夠獨(dú)立獲取外界信息，可以測(cè)量接觸外界物體時(shí)所受壓力和壓力分布，有助于機(jī)器人對(duì)接觸對(duì)象的幾何形狀和硬度的識(shí)別，能夠滿足機(jī)器人對(duì)觸覺(jué)傳感器柔韌性和大面積感知的要求［3－5］。

柔性觸覺(jué)傳感器主要利用導(dǎo)電橡膠材料的特性制作，而實(shí)際的橡膠材料本身具有相當(dāng)復(fù)雜的非線性物理性能，與假設(shè)的部分理想性質(zhì)有一定差距，因此還需要對(duì)柔性觸覺(jué)傳感器進(jìn)行實(shí)際的標(biāo)定。通過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)理論與實(shí)際的誤差，并分析原因進(jìn)而對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)及模型進(jìn)行修正完善。但是，當(dāng)前壓力加卸載平臺(tái)多為工業(yè)應(yīng)用，如機(jī)械式、電子式、液壓式，其設(shè)備價(jià)格高，壓力量程較大，操作不便；而一般實(shí)驗(yàn)室所用的壓力標(biāo)定平臺(tái)大多通過(guò)手動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)壓力大小的調(diào)節(jié)，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、連續(xù)且加壓形狀可變的壓力控制［6－9］。

本文設(shè)計(jì)制作了一種用于柔性觸覺(jué)陣列傳感器的專(zhuān)用標(biāo)定平臺(tái)，可解決對(duì)該類(lèi)傳感器精度等性能的評(píng)定問(wèn)題。該平臺(tái)可利用不同形狀的加壓觸頭，在傳感器陣列各單元上實(shí)現(xiàn)不同壓力分布的標(biāo)定，并在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)輸出標(biāo)定數(shù)據(jù)和特性曲線，為新型柔性觸覺(jué)陣列傳感器的標(biāo)定提供切實(shí)可行的方案。

1 系統(tǒng)硬件組成

標(biāo)定平臺(tái)的設(shè)計(jì)包括控制端、CPU、顯示、電源、電機(jī)和測(cè)力傳感器6個(gè)部分。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

控制端設(shè)定加載壓力大小，測(cè)力傳感器實(shí)時(shí)輸出壓力信號(hào)。CPU對(duì)兩者大小進(jìn)行比較，控制電機(jī)行為，改變施加壓力大小，實(shí)現(xiàn)設(shè)定力的加載，并通過(guò)顯示模塊實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)，將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)圖形化的數(shù)據(jù)顯示。

1.1 壓力加載模塊

壓力加載模塊包括直線步進(jìn)電機(jī)、加壓觸頭、十字滑臺(tái)和支架4個(gè)部分。

本平臺(tái)選取的直線步進(jìn)電機(jī)是由鼎拓達(dá)機(jī)電有限公司生產(chǎn)的DT42N2035AA4－100型直線步進(jìn)電機(jī)，其步進(jìn)角為1.8°，步長(zhǎng)0.003 048mm，加壓精度達(dá)到實(shí)驗(yàn)室中對(duì)柔性觸覺(jué)陣列傳感器標(biāo)定的要求。該直線步進(jìn)電機(jī)由DT4015驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)微處理器的PB0和PB1引腳控制，如圖2所示。

圖2 壓力加載模塊接線圖

為了滿足對(duì)陣列傳感器進(jìn)行標(biāo)定的要求，標(biāo)定平臺(tái)附帶不同形狀的加壓觸頭，對(duì)待測(cè)物進(jìn)行壓力加載；同時(shí)，通過(guò)控制十字滑臺(tái)，載物臺(tái)可水平移動(dòng)，從而精確地對(duì)不同傳感器單元進(jìn)行標(biāo)定。

1.2 數(shù)據(jù)采集與處理模塊

數(shù)據(jù)采集與處理模塊由測(cè)力傳感器和微處理器組成，其中微處理器是整個(gè)數(shù)據(jù)處理的核心。在選擇微處理器時(shí)，需要兼顧串行通信接口、輸入輸出接口數(shù)量、功耗等方面，特別是從A／D轉(zhuǎn)換精度與大量數(shù)據(jù)處理速度等方面考慮，需要一款足夠強(qiáng)大的微處理器來(lái)滿足以上要求。本平臺(tái)選用了STM32F103VET6微處理器。

STM32［10－12］微處理器比較 突出的一個(gè) 功 能是ADC，有18個(gè)多路復(fù)用通道，允許測(cè)量16個(gè)外部和2個(gè)內(nèi)部源信號(hào)。不同通道的A／D轉(zhuǎn)換可以在單一或連續(xù)、掃描或間斷模式下進(jìn)行。12位精度，最快轉(zhuǎn)換速度為1μs，具備2個(gè)以上獨(dú)立的ADC控制器，可以同時(shí)對(duì)多個(gè)模擬量進(jìn)行快速采集。ADC采集數(shù)據(jù)時(shí)一般需要多次采集，單次ADC無(wú)意義，這也就意味著數(shù)據(jù)傳輸量大。STM32有一個(gè)與CPU并行運(yùn)行的模塊：DMA（Direct Memory Access），是一個(gè)獨(dú)立于 Cortex－M3內(nèi)核的模塊。其主要功能是起到通信“橋梁”的作用，可以將所有外設(shè)映射的寄存器“連接”起來(lái)，這樣就可以高速訪問(wèn)各寄存器，使其傳輸不受CPU的支配。

測(cè)力傳感器采用合肥科瑞公司的NR－HB1傳感器，其輸出電壓為0～5V，對(duì)應(yīng)壓力值為0～50N，綜合精度0.05%F.S。在平臺(tái)制作過(guò)程中，加入濾波電路可以顯著降低測(cè)力傳感器輸出信號(hào)的波動(dòng)，使壓力信號(hào)更穩(wěn)定。

測(cè)力傳感器輸出的壓力信號(hào)經(jīng)微處理器A／D轉(zhuǎn)換后，通過(guò)串口由DMA方式顯示在上位機(jī)界面。微處理器將采集到的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)與目標(biāo)值比較后，控制壓力加載模塊，實(shí)現(xiàn)力的加載。

1.3 控制與顯示模塊

平臺(tái)采用4×4矩陣鍵盤(pán)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的錄入和標(biāo)定控制功能。除了基本功能按鍵以外，定義了“去初重”功能鍵，以消除柔性觸覺(jué)陣列傳感器自重的影響；定義“快速上行”和“快速下行”功能鍵，使加壓觸頭可以快速上下行，方便了標(biāo)定工作；設(shè)置 “暫?！惫δ苕I，以應(yīng)對(duì)標(biāo)定過(guò)程中的突發(fā)情況。

標(biāo)定系統(tǒng)的顯示部分由2個(gè)四位八段LED數(shù)碼管組成，分別顯示當(dāng)前壓力值和設(shè)定壓力值。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 微處理器程序設(shè)計(jì)

2.1.1 總體設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)流程中，首先對(duì)A／D轉(zhuǎn)換、中斷、定時(shí)器、串口和DMA等進(jìn)行初始化，然后程序開(kāi)始掃描鍵盤(pán)，讀取控制信息，并根據(jù)信息控制電機(jī)行為，同時(shí)程序讀取測(cè)力傳感器的壓力信號(hào)，顯示壓力數(shù)值，最后，將當(dāng)前壓力值與設(shè)定值進(jìn)行比較：若兩者不相等，則根據(jù)兩者大小關(guān)系，控制電機(jī)的前進(jìn)或后退，并返回到電機(jī)控制環(huán)節(jié)，形成反饋調(diào)節(jié)；如果兩者相等，則暫停電機(jī)，程序結(jié)束。流程如圖3所示。

圖3 程序控制流程圖

2.1.2 初始化

首先完成對(duì)STM32的初始化配置，將PA0配置為ADC的第0個(gè)采樣通道，PA9和PA10引腳為串口的輸入輸出，PB0和PB1配置為電機(jī)控制引腳。ADC初始化程序如下：

2.1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

在程序的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，為了生成頻率合適、波形標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)，避免微處理器因執(zhí)行其他函數(shù)而影響電機(jī)驅(qū)動(dòng)函數(shù)的執(zhí)行，電機(jī)驅(qū)動(dòng)函數(shù)通過(guò)定時(shí)器中斷的方式運(yùn)行，以達(dá)到迅速響應(yīng)的目的。

2.1.4 數(shù)據(jù)采集與處理

在程序中，為了避免中斷過(guò)于頻繁、與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的定時(shí)器函數(shù)相互干擾，A／D轉(zhuǎn)換程序不采用定時(shí)器而采用查詢(xún)方式工作。

實(shí)際應(yīng)用中，受外界電磁、噪聲等干擾，A／D轉(zhuǎn)化模塊測(cè)出錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)總會(huì)出現(xiàn)。從某種意義上講，單次A／D所得數(shù)據(jù)可靠性不大。為了減弱干擾，對(duì)A／D采樣值通常要進(jìn)行濾波處理。本程序采用中位數(shù)均值濾波方法進(jìn)行軟件濾波。通常，平均次數(shù)越多，數(shù)值越可靠，但同時(shí)平臺(tái)工作效率會(huì)降低。對(duì)本平臺(tái)，綜合考慮數(shù)值可靠度與工作效率，在采樣6次后，取數(shù)值位于中間的4次采樣數(shù)據(jù)的均值，是比較合適的工作點(diǎn)。

2.1.5 數(shù)碼顯示

由于ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，而數(shù)碼管所要顯示的數(shù)據(jù)是十進(jìn)制數(shù)據(jù)，因此需要進(jìn)行二、十進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，ADC輸出的最大轉(zhuǎn)換值為0X0FFF（50.00N），實(shí)際要顯示的壓力應(yīng)為（adc－value／4 096×50）N。將四位數(shù)碼管小數(shù)點(diǎn)設(shè)置在第2位，使其所能顯示的范圍為00.00～50.00。將十進(jìn)制數(shù)壓力值按位模10處理得到四位數(shù)碼管需要顯示的數(shù)據(jù)，并建立字型碼數(shù)組。2個(gè)四位數(shù)碼管的八段段選分別由PE0～PE15控制，要顯示0～9其中一個(gè)數(shù)字只要讓端口輸出它對(duì)應(yīng)的字型碼。為節(jié)省占用資源、減小耗電量，采用動(dòng)態(tài)顯示，也就是利用人眼的暫留視覺(jué)，循環(huán)輪流點(diǎn)亮各數(shù)碼管的方法。2個(gè)四位數(shù)碼管的位選信號(hào)由PD0～PD7控制，通過(guò)簡(jiǎn)單的循環(huán)及延時(shí)程序即可實(shí)現(xiàn)。為了避免由于延時(shí)和“視覺(jué)暫留”等因素造成數(shù)碼管亮度不一的現(xiàn)象，在程序中應(yīng)進(jìn)行“消隱”處理。

2.2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

除了在本平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的功能之外，還采用Visual Basic語(yǔ)言編寫(xiě)了應(yīng)用程序［13］，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)PC機(jī)對(duì)平臺(tái)的控制，具有界面友好，控制簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。標(biāo)定過(guò)程中，應(yīng)用程序接收微處理器通過(guò)串行接口傳來(lái)的數(shù)字信號(hào)，并把它們成對(duì)存儲(chǔ)起來(lái)，還可利用軟件提供的制圖功能，生成相應(yīng)的圖像，如圖4所示，從而極大地方便了實(shí)驗(yàn)室對(duì)柔性觸覺(jué)陣列傳感器的標(biāo)定工作。

此外，利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算處理能力，可以繼續(xù)開(kāi)發(fā)其他功能的應(yīng)用程序，進(jìn)一步簡(jiǎn)化該標(biāo)定平臺(tái)參與的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中的步驟，更方便地得到各種計(jì)算量。

圖4 軟件界面圖形

3 平臺(tái)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

（1）平臺(tái)檢定。本標(biāo)定平臺(tái)的測(cè)力傳感器與微處理器的A／D轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成串聯(lián)系統(tǒng)，根據(jù)誤差理論［14］，系統(tǒng)總誤差為2部分誤差之和，即δ＝δ1＋δ2。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，δ1＝0.05%，δ2＝0.03%，故系統(tǒng)總誤差δ＝0.08%，理論上滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

使用F1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)砝碼［15］對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行檢定，檢定結(jié)果見(jiàn)表1所列。檢定結(jié)果表明，標(biāo)定平臺(tái)的精確度滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）平臺(tái)應(yīng)用實(shí)例。使用該標(biāo)定平臺(tái)對(duì)待測(cè)柔性觸覺(jué)陣列傳感器進(jìn)行標(biāo)定。在圖5所示的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)設(shè)定壓力值為35.00N時(shí)，標(biāo)定平臺(tái)能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地對(duì)待測(cè)柔性觸覺(jué)陣列傳感器加載35.00N壓力，并在PC機(jī)應(yīng)用程序界面上顯示出施加壓力與時(shí)間的關(guān)系曲線。經(jīng)測(cè)試，該平臺(tái)可以精確、快捷、方便地對(duì)柔性觸覺(jué)陣列傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖5 柔性觸覺(jué)陣列傳感器標(biāo)定平臺(tái)應(yīng)用

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)新型柔性觸覺(jué)陣列傳感器標(biāo)定平臺(tái)的設(shè)計(jì)和制作著眼于小型化、自動(dòng)化、靈活性和高精度。該平臺(tái)具有較高的測(cè)量精度和較強(qiáng)的適應(yīng)性，滿足了實(shí)驗(yàn)室中對(duì)柔性觸覺(jué)陣列傳感器標(biāo)定量程和精度的要求，并且可通過(guò)更換不同形狀的加壓觸頭實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性觸覺(jué)陣列傳感器上不同傳感單元的標(biāo)定，其標(biāo)定曲線和數(shù)據(jù)可方便地顯示。研究結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)，目前該平臺(tái)已經(jīng)投入了實(shí)際的應(yīng)用，并可在其他陣列式傳感器研究和標(biāo)定中進(jìn)行推廣。

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