機器人觸覺傳感器的設計及標定測試

冷明鑫， 宋愛國

(東南大學 儀器科學與工程學院， 江蘇 南京 210096)

機器人觸覺傳感器的設計及標定測試

冷明鑫， 宋愛國

(東南大學 儀器科學與工程學院， 江蘇 南京 210096)

本文介紹了一種典型的畢業(yè)設計工作，以傳感器技術為基礎，設計一種基于導電橡膠的柔性陣列式觸覺傳感器，構建完整的數(shù)據(jù)檢測、分析和應用系統(tǒng)并進行標定測試，實現(xiàn)了對壓力檢測，應用于小型機械臂控制系統(tǒng)中。

畢業(yè)設計；觸覺傳感器；系統(tǒng)設計

0 引言

測控技術與儀器專業(yè)是一門由光學、精密機械、電子電氣、自動控制、信號處理、計算機、信息技術等高新技術相互滲透而形成的密集型綜合專業(yè)。由于其涉及面廣，內(nèi)容豐富，為了學好這門專業(yè)，學生在本科培養(yǎng)階段需要完成機械、電子、信息等各方面基礎知識的學習和與之相關的技能的培養(yǎng)，屬于寬口徑多方向的基礎培養(yǎng)。這就造成學生在本科學習階段要求掌握的知識覆蓋面很廣，畢業(yè)設計可選的課題方向很多，選題難度大，差異明顯，選題范圍不易把握。

“傳感器技術”是測控技術與儀器專業(yè)的核心課程之一，本文針對于感知型機器人進行柔性陣列式觸覺傳感器的研發(fā)，以此作為畢業(yè)設計的一項選題，其中包括原理分析、電路設計、機械設計、軟件編程、數(shù)據(jù)分析等方面，該項選題提高了學生對所學基礎理論、專業(yè)知識、基本技能的綜合分析與運用能力，是一種典型的畢業(yè)設計工作。

1 選題背景

機器人感知技術是機器人智能決策與控制的基礎與支撐，力覺感知、觸覺感知與視覺感知共同構成了機器人感知的核心內(nèi)容。視覺傳感可以為機器人提供大部分信息，但成本相對較高，控制過程復雜，局限性大，且在特殊情況下單一的視覺傳感器難以準確地獲取環(huán)境目標的運動位置與物理特性，力覺、觸覺信息必不可少。而觸覺系統(tǒng)簡單，成本低，對環(huán)境要求小，分布靈活，應用范圍更廣[1]。本項目以本科畢業(yè)設計為載體，對于感知型機器人進行柔性陣列式觸覺傳感器的研發(fā)，并應用于小型機械臂的控制中，構建感知性機器人實驗驗證系統(tǒng)。

2 項目的設計

2.1柔性陣列觸覺傳感器設計

1)敏感材料選取

目前常用的觸覺傳感器，其原理包含了電阻、電容、電磁、壓電、光電、機械、超聲等各個方面，本項目中采用壓阻式原理，創(chuàng)新性地提出了以復合導電橡膠作為敏感材料，完成陣列式壓阻式傳感器的設計。其具有良好的柔韌性，低成本，在一定的壓力范圍內(nèi)，通過簡單的分壓電路及ADC采集電路即可完成電壓與壓力間的轉(zhuǎn)換[2][3]的優(yōu)點。

2)結構設計

(a)結構圖 (b)實物圖圖1 觸覺傳感器

(a)原理圖 (b)實物圖圖2 觸覺傳感器電路圖

整個結構由上層電極、隔離層、橡膠觸點和下層電極四部分組成，如圖1(a)所示。上層電極為柔性PCB層，下層電極為硬質(zhì)PCB層，其上對應位置以4x4的陣列結構分布著1.5 mmx1.5 mm的正方形電極，電極之間以1.5 mmx1.5 mmx3 mm的立方體導電橡膠連接并通過4x4陣列結構隔離層隔開，將外力傳遞到橡膠觸點，如圖1(b)所示。下層硬質(zhì)PCB層上設有定值電阻，濾波電容等分壓濾波電路(如圖2)，假設敏感材料阻值為R，定值電阻阻值為r，則觸點電壓值為Vout =V*R/(r+R)，該項目中選取r=1 kΩ，R=10 kΩ，完成觸覺傳感器結構設計[4]。

2.2標定裝置設計

本項目中所設計的觸覺陣列傳感器體積較小，觸點的接觸面積小，需要設計小型的標定裝置對其進行標定。利用杠桿平衡原理，通過對鋁合金進行精加工，設計標定裝置如圖3所示。

圖3 標定裝置

圖中，1：微調(diào)螺母2：粗調(diào)配重3：中心轉(zhuǎn)動軸4：橫臂5：施力探針6：掛孔，用來掛砝碼7：支撐座8：底座9：調(diào)平針10：調(diào)平孔，用于檢測標定裝置是否平衡。

2.3數(shù)據(jù)信息獲取與分析處理

1)系統(tǒng)結構

整個處理系統(tǒng)由處理電路、單片機數(shù)據(jù)采集、上位機顯示終端三部分組成，測試系統(tǒng)結構圖如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)結構圖

2)下位機系統(tǒng)

下位機系統(tǒng)使用STM32F103單片機及AD轉(zhuǎn)換芯片完成。傳感器將采集到的壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，AD轉(zhuǎn)換芯片將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過單片機讀取并通過藍牙發(fā)送至上位機。

3)上位機系統(tǒng)

當上位機接收到下位機發(fā)來的信號后，對信號進行相關處理并進行相關數(shù)據(jù)的圖像化展示。上位機系統(tǒng)包括串口通信、圖表顯示、數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)顯示四個部分。上位機使用MFC進行開發(fā)，利用了MSCOMM控件完成串口數(shù)據(jù)的讀取，MSCHART控件完成圖表信息的展示，同時輔助以文件讀取、定時器等相關部分完成整個系統(tǒng)的相關功能，上位機系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 上位機系統(tǒng)軟件

2.4觸覺傳感器測試

觸覺傳感器測試采用自制的校準裝置和若干個50 g標準砝碼完成，任意選取三個觸點，逐漸增加觸點上方的壓力大小，并記錄測試數(shù)據(jù)。

實驗得知，觸點受力越大，對應的電阻越小，檢測到的電壓值也越小。觸點在受力的瞬間阻值快速下降，隨著時間的延長，阻值緩慢下降，30 s后基本達到穩(wěn)定。

假定60 s時測量的值即為穩(wěn)定值，取三個點正向和逆向在不同壓力下測量的穩(wěn)定值。由于觸點電壓與外力呈現(xiàn)負線性關系，為了便于分析，將初始電壓-測量電壓的差值作為傳感器的輸出值y，將裝置上砝碼的重量乘以比例系數(shù)0.44，再將砝碼g數(shù)轉(zhuǎn)換為分辨力N數(shù)，作為輸入值x進行分析。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

首先，對數(shù)據(jù)進行線性度分析。對正反行程的各個測量值分別取平均值，得到各個壓力下對應的電壓平均值，在Matlab中，用polyfit()函數(shù)，對得到的數(shù)據(jù)分別擬合，得到擬合的直線方程為：

y=0.244x+0.272

(1)

其測量值和擬合曲線如圖6所示。

根據(jù)擬合方程計算各個壓力下對應的擬合值，與測量值相對比，由此可知其非線性誤差為

表1觸覺傳感器測試數(shù)據(jù)

圖6 擬合曲線圖

(2)

其次，進行遲滯誤差分析。計算正反行程測量值的差值，根據(jù)遲滯誤差的定義可以計算：

(3)

綜上所述，該柔性陣列觸覺傳感器線性度和靈敏度較好，但滯回誤差比較大，滯后性比較大，動態(tài)特性較差，從受到外力到達到穩(wěn)定需要較長的時間，原因可能是導電橡膠的馳豫特性導致的。

2.5感知型機器人系統(tǒng)

該傳感器可應用于基于schunk機械臂的地面遙操作驗證系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用手控器作為人機交互設備，遠程控制schunk機械臂進行遙操作任務。主要由手控器、地面主控端、通信網(wǎng)絡、空間機械臂等部分組成。系統(tǒng)主控端，使用網(wǎng)絡UDP通信協(xié)議完成對schunk機械臂的控制，并進行數(shù)據(jù)的傳輸，人機交互模塊與手控器之間采用串口通信的方式進行數(shù)據(jù)傳輸交互。由于觸覺傳感器需要安放在機械手的頂端，為了不影響其操作性能，采用無線藍牙與主控端進行數(shù)據(jù)傳輸，主控端直接獲取壓力信息，主控端界面如圖7所示:

圖7 系統(tǒng)主控端界面

實驗證明，整個系統(tǒng)運行良好，可以在實現(xiàn)原有機械臂的操作、虛擬環(huán)境預測、力反饋的基礎上，對機械臂末端的觸覺力進行讀取。通過控制手爪的張開角度來調(diào)整夾持的力度，完成對物體的有效抓取。由于觸覺傳感器與系統(tǒng)通過串口通信，適用性強，可以更換不同的傳感器，便于移植。

3 項目中的問題及解決方法

(1)理論準備：整個項目包括傳感器原理分析、敏感材料選擇、硬件電路設計、機械結構的設計及裝配以及軟件編寫等部分，涉及到學生在本科階段所學的傳感器、C++、單片機、模擬電路、機械設計等各方面知識。在項目進行的過程中加深了學生對這些理論的理解，如各種傳感器的原理及各自的優(yōu)缺點，MFC中串口類的使用等，同時提高了學生查閱文獻、歸納總結、自主創(chuàng)新的能力，提高了他們的科研能力。

(2)硬件結構搭建：在校準裝置的設計過程中，除了需要考慮功能性，還需要考慮制作成本、裝配順序、加工精度、公差尺寸、穩(wěn)定性等，否則理論上可行的設計方案，但在實際操作中由于加工誤差等因素可能會導致裝配失敗。同理在PCB設計制作過程中也要考慮焊接、隔離、布線等問題。

(3)軟件學習：整個過程需要用到Altium Designer、SolidWorks、VS2010等軟件，學生通過書籍閱讀、網(wǎng)絡查閱、視頻教學等，掌握軟件的用法以及MFC編程知識來實現(xiàn)所需功能，將理論用于實踐，學以致用。

4 結語

本文以柔性陣列式觸覺傳感器研發(fā)為基礎，介紹了一個典型的畢業(yè)設計工作，構建了一套數(shù)據(jù)獲取、分析以及應用的軟硬件系統(tǒng)。實驗證明，該傳感器結構簡單，成本低，柔韌性好，便于大面積擴展和陣列化，可以用于點壓力檢測和面壓力的檢測。將傳感器應用到遙操作系統(tǒng)中加以驗證，通過控制機械臂運動，傳感器可以實時采集并返回相關實驗數(shù)據(jù)，為后期該傳感器的進一步拓展提供了保證。該畢業(yè)設計被評為“東南大學2016年校級優(yōu)秀本科畢業(yè)設計(論文)”，是測控技術與儀器專業(yè)典型的選題案例。

[1] 龔雪,張認成,張曉華等.觸覺傳感器述評[J].天津：儀器儀表用戶,2005,12(5):3-4.

[2] 付朝陽,李斌,張學勇等. 導電橡膠力敏傳感器研究進展[J]. 哈爾濱：傳感器與微系統(tǒng), 2013, 32(6):1-4,8.

[3] 黃英. 基于壓力敏感導電橡膠的柔性多維陣列觸覺傳感器研究[D]. 合肥:合肥工業(yè)大學, 2008.

[4] 劉穎. 觸覺傳感器陣列信息獲取與分析處理[D]. 重慶:重慶大學, 2007.

TheDesignandCalibrationTestofTactileSensorforRobot

LENGMing-xin,SONGAi-guo

(SchoolofInstrumentScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)

This paper introduces a kind of typical graduation project, that is developing a small flexible array tactile sensor with conductive rubber. Meanwhile, a complete system is designed to obtain and analyze data and to complete the calibration test, achieving pressure detection. In the end,this sensor is applied to the control system of small manipulator.

graduation project ;tactile sensor;system design

2016-10-09;

2016-11-22

冷明鑫(1992-)，女，在讀研究生，研究方向為測控技術與智能系統(tǒng)，E-mail:lmx_seu@qq.com 宋愛國(1968-)，男，教授，主要從事機器人技術、傳感器的研究，E-mail:a.g.song@seu.edu.cn

A

1008-0686(2017)05-0062-04