为一个人形机器人手设计一个手指末端柔性的触觉传感器.docx

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为一个人形机器人手设计一个手指末端柔性的触觉传感器

为一个人形机器人手设计一个手指尖柔性的触觉传感器

Yuan-FeiZhang1,Yi-WeiLiu1,Ming-HeJin1,andHongLiu1,2

StateKeyLaboratoryofRoboticsandSystem,HarbinInstituteofTechnology150001Harbin,China

InstituteofRoboticsandMechatronics,GermanAerospaceCenter82230Munich,Germany

zyf_hit@

摘要：

在这项研究中，使用压力导电橡胶为轰动一时的事或商人设计一个薄和灵活的触觉传感器的灵巧机械手是成熟的。

一个采用曲面近似发展的方法通常是用于设计传感器的形状，确保传感器可以覆盖三维的手指末端表面。

为了削弱相声电流和简化电气电路的传感器,推荐使用一个取样-电压-反馈-否定-目标-已扫描的取样-电极（SVFNTSSE）的算法。

然后一个触觉信号采集和处理电路的结构基于此方法进行了阐述。

最后,基于SVFNTSSE方法削弱相声的实验基础上验证了该方法的有效性,结果其他实验表明该传感器系统已经融入灵巧机器人的机械手。

关键词：

触觉传感器；压力导电；人形机器人手；相声

1入门介绍

到目前为止，用于灵巧机器人手的触觉传感器的主要转导方法是光学的[1],[2]和有抵抗力的[3],[4],[5],[6]，随着机器人灵巧手向小型化、高集成和类人的方向的开发，只附加在机器人的手的表面上的触觉传感器是很重要的。

因此,应用于一个类人的有一个曲面的灵巧机械手触觉传感器应该薄和灵活的。

光学触觉传感器不适合一个人化灵巧机械手,因为要薄和灵活是困难的。

因此,所有的应用于实际机器人灵巧手的光学触觉传感器,介绍了还在试验样机舞台的文学。

然而,电阻式触觉传感器可以薄和灵活。

因此,在文献中,在机器人灵巧手中电阻触觉传感器比光学触觉传感器有更多的应用。

Raparellietal使用武力传感电阻器（FSR）通过公司连锁制造,作为触觉传感器的气动的人化的机械手[5]。

FSR的感应元素就印在了一张薄膜。

那个薄膜是一个柔软的床单,但它不是有弹性。

所以这个薄膜仅能涵盖三维（3D）可展面,但它不能完全覆盖一个3D不可展面。

Kawasakietal.为GifuHandII拓展一个分布式的触觉传感器的[3]。

具有网格型电极和使用导电油墨的分布式触觉传感器安装在手表面。

同时这个传感器可以覆盖GifuhandII的大部分地区,还增加触觉感应区。

然而,随着传感器的电线在灵巧机械手的外面,它会影响到非结构环境的机械手的操作安全。

Shimojoetal.设计了一个薄和灵活使用压力导电橡胶与缝合电线触觉传感器[4]。

传感器可以掩盖三维实体,目前仅用于非接触式状态检测联系。

虽然传感器使用该方法可以有效地提高表面强度抵抗剪切力，但是这个方法制造传感器的电极会继续使敏感的薄片的面数加倍。

这是不利的,因为压力导电橡胶通常是灵活的,凭什么外面的电极揭露了弯曲应力可以降低传感器的使用期。

Cannata和Maggiali开发出一种新的完全嵌入式触觉传感器系统[6]。

这触觉传感器被设计安装在由一个矩阵和64个电极的灵巧的机器人夹具（MACHAND）里,在柔性线路板（蚀刻印刷电路板）覆盖一层导电橡胶。

电极的布局站在同一边,避免当双面电极地使用劣势。

然而,电路的触觉信号处理硬件和实体的传感器是共享同样的柔性线路板,导致整个系统不得不被替换甚至是局部故障发生。

通过分析过去电阻式触觉传感器应用于机器人灵巧的双手的特点和HIT/DLR机器人的灵巧的双手的高度集成特点[7],我们开发了一个电阻,薄和灵活并且可以有效地覆盖了HIT/DLRII灵巧机械手指尖的弯曲表面的触觉传感器。

在本文中,首先,传感器的设计方法。

其次,触觉信号采集与处理系统和通讯系统作了介绍。

最后,给出了实验结果

2触觉传感器的设计

HIT/DLR机器人灵巧的手是一种拥有15度的自由（DOFs）的多感官和综合的五指手。

为了达到一个新的高度模块化的,所有的五个手指都是相同的。

每个指头的有三个自由度和四个关节,最后通过一个“∞”图线结构方法使两个关节耦合。

在手指中所有制动器直接相结合，为了一只手实现手的模块化和电缆重量和数量的最小，电子和通信控制器在手指中完全整合。

[7]为了看到这个机器人的手的更多细节。

图1显示拥有发达的触觉传感器的HIT/DLR机器人灵巧的机械手的一个手指。

薄和灵活的传感器安装在手指尖面的三维实体表面。

以下是关于描述传感器原理,传感器的结构和过程的外形设计的细节。

图1具有手指尖灵活的触觉传感器的HIT/DLR机器人灵巧机械手的手指

2.1传感器的原理

触觉传感器的原理是基于电阻性机制。

这个传感器采用压力导电橡胶CSA（产品橡胶有限公司横滨市有限公司）作为压力敏感的材料。

橡胶是一种硅橡胶和石墨颗粒复合的橡胶,还可使用在灰黑的柔性薄片形式,厚度是0.5毫米。

它有许多优良特性,例如:

弹性、伸长率、弹性、耐久性[8]。

电阻表面的效果[9]主要用于增加敏感的触觉传感器。

如图2,在电极和表面电阻rs之间的压敏材料的体积电阻rv随着应用负载的变化而变化。

然而,当压力F被改变时，rs的值比rv的值变化更多[10]。

电阻r的触觉细胞随着负荷的增加减少了，相当于rs和rv加起来的两倍。

同时信息的联系通过测量值r获得。

2.2传感器的结构

这个触觉传感器的电极的设计提出在文学分为两个类型:

一个双面电极布置和单面电极布置。

由于压力导电橡胶灵活,所以使用双面电极的布局是不利的。

当压力反复增加时，必须有一方电极暴露在一个降低传感器的使用期的弯曲应力。

所以单面电极的布局被发达的传感器采用。

该传感器具有三个层次:

一个电层、一个敏感的层,一层保护层,,如图3所示。

这个传感器的厚度和触觉细胞的大小分别是0.65毫米和3毫米×约3毫米。

图3手指尖的柔性触觉传感器的结构

电层是由一个双层的柔性线路板及通过特殊的胶水安装在HIT/DLRHandII灵巧的手指尖表面。

大小为19.6毫米×50毫米×0.1毫米（长度×宽度×厚度）的柔性线路板包含36对尺寸是2.1毫米×2.1毫米的镀金梳形电极。

通过对电极的传感器的排列,这就只需要13只针接口接通一个触觉信号采集和接通电路。

敏感层包括压力导电橡胶和绝缘硅橡胶胶水。

为每一个触觉元素橡胶片分成一小部分，嵌进一个绝缘网。

在这里，绝缘硅橡胶应用不仅消除敏感资料相邻采样电极和邻近的驱动电极之间的内部干扰,而且粘合在电层上的敏感材料（要确保在电层上的敏感材料与电极之间不存在粘合）。

保护层是一个绝缘硅橡胶薄膜。

电层的效果不仅是保护敏感层,而且，在一个特定的程度，增加传感器表面的摩擦系数和传感器的不同测量规模

2.3传感器的形状

为了使HIT/DLRHandII的灵巧机械手有像人类的手的外观,手指尖表面被设计成三维表面。

从顶部到底部，一个圆柱表面,一个椭球面表面和一个圆锥形表面组成

这个有可辨的补丁加入的三维表面,如图4中所示。

因为柔性线路板加工技术的限制,只有平面柔性线路板可以生产。

因此,柔性印刷电路板外形设计成为一个关键的研究

内容以使传感器覆盖手指尖的表面。

简化了问题,曲面的拟合研究反而支持了表面整平的研究。

因为，除椭球面表面外，圆柱表面和圆锥形表面均是可展面,焦点问题变成怎样做一个合理的近似椭球面表面的发展。

有三个步骤进行分析的近似椭球面的轨迹发展。

首先,从手指尖表面提取椭圆面;其次,在提取表面插入飞镖再分割成几个次表面;最后,大约发展次表面。

尽管更多的镖被插入在表面,更高发展精密是后天获得的,这将会导致柔性电路板的布局设计的更加困难。

图4椭圆的近似发展的分析过程

因此,一定数量的飞镖应当在很小的范围内满足近似精度要求的发展。

在这项研究中,两个飞镖是插入在椭球面表面。

同时表面被分为三个次表面（把上和下线分别三等分,然后用两个特定的位面来分裂这表面）。

次表面轮廓的形状通过对软件采用ANSYS11.0分析获得，如图4所示。

这提供了次表面近似的发展的指导。

所以,两个纵劈腿次表面的里沿代替圆弧曲线,其他边缘代替直线运动。

因此,近似发展的二维（2D）模式的椭球面的轨迹显示在图5（a）。

接下来,我们即将要从整体的角度包括两个网格线的相对角度误差Eθ，网格线的线长度误差EL和网格线相对面积误差ES，分析椭球面表面精度的发展。

因为椭球面表面具有前后表面对称的性质的近似发展,只需要分析参数θ1-θ6,L1-L7和S1-S2.的相对误差。

结果表明,各种误差低于3%的显示在表1、表2、表3中。

因此,这个二维表面能很好地适应椭球面表面。

表1相对角度的误差

θ1

θ2

θ3

θ4

θ5

θ6

3Dmodel（°）

120.60

86.23

90.81

101.90

93.77

89.19

2Dmodel（°）

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相对长度的误差

L1

L2

L3

L4

L5

L6

L7

3Dmodel（mm）

5.48

8.00

4.42

11.18

5.48

11.18

4.42

2Dmodel（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相对面积的误差

S1

S2

3Dmodel（mm）

52.77

57.75

2Dmodel（mm）

51.55

57.04

ES（%）

-2.31

1.23

根据椭球表面整平的二维模式设计了二维形状的传感器，如图5所示（b）。

A区域是电气定位区的触觉传感器；B、C、D区域组成触觉感知区域,而且是用来分别覆盖手指尖表面的圆柱表面、椭球面表面、圆锥表面。

鉴于目前柔性线路板加工技术的限制，柔性线路板的二维形状被设计出来，如图5所示（c）。

最后,实际合适的实验验证了所设计传感器的形状很好。

图5（a）椭圆表面的近似发展的二维模式。

（b）触觉传感器的形状。

（c）柔性线路板的形状。

3电力系统的设计

一个使大量的数字和模拟模块结合可编程的大型积体电路（PSoC）可配置一些基本功能的装置（例如ADC和DAC）,适用于控制器。

运用这种芯片可以有效减少外部支持电路的复杂度和提高触觉信号采集处理电路的集成。

可以镶嵌在机器人的手指尖（可用空间的大小是大约16毫米×13毫米×9毫米）的电路实体在图6中显示。

根据电路部件的不同功能,该电路可分为两个功能单位:

一个信号数据采集、处理单元和通信单元。

图6触觉信号采集处理电路

3.1信号采集与处理系统

触觉信号的采集与处理系统,包括信号采集加工单位和触觉传感器,显示在图7。

因为电极的数组应用,在相邻触觉细胞之间的相声变成一个需要考虑问题。

为了简单起见，这个问题将会解释,只有数组的一小部份被提出了,显示在图8。

当一个扫描电路的扫描i-row电极及j-column电极时,理论上,只有触觉细胞C（i,j）的阻力ri,j应该测量；事实上,是由ri,j-1,ri+1,j-1,ri+1,j组成的系列路径也纳入影响了电阻ri,j的测量精度的测量回路。

当ri,j-1,ri+1,j-1和ri+1,j的全部值不再是比ri,j的值大得多时,通过测量环有一个相对比较大的干扰电流,严重影响测量的准确度。

目前,只有两种有效方法,电压反馈法[11]，[12]和零电位法[4],[14],用于削弱相声电流。

然而,基于这两种方法电路需要更多的外部的电路设备。

对于电路小型化，这是一个不利条件。

因此,一个采样-电压-反馈-否定-扫描-采样–电极（SVFNTSSE）方法被提出。

SVFNTSSE方法的原理是电压的瞄准目标-扫描-取样电极反馈到否定-瞄准目标-扫描-采样电极,以便所有抽样电极形成一个等价的潜力区,切断干扰回路,而漂浮否定-瞄准目标-扫描-驱动电极。

该方法不仅能有效减少了复杂的电路,而且有效地削弱相声电流（参见具体实验在第四部分）

传感器系统的原则是众所周知的周期运行扫描。

如图7所示,一个触觉细胞信号采集过程,阐述如下:

首先,驱动电压Vdd通过多工器的瞄准目标-扫描-驱动电极被采用;其二,瞄准目标-扫描-采样电极被内部的多路复用器的配置PSoC扫描;第三,否定-瞄准目标-扫描-采样电极应用模拟开关连接,因此电压的瞄准目标-扫描-采样电极可以通过配置多路复用器反馈到其它抽样电极,一个配置可编程增益放大器（PGA）,模拟输出缓冲区和模拟开关;最后,电压的瞄准目标-扫描-采样电极转换成数字值配置模数转换器,目前效力于一个8位的决议

图7信号采集与处理系统

图8相邻元素之间的相声的原理图

3.2通信系统

触觉传感器的数字信号的一个流动的路径如图9所示。

第一,触觉传感器的数据,包装的手指尖的PSoC板，被发送到手指DSP（数字信号处理器）板通过SPI串行外设接口）总线;其次手指DSP板传送到包含触觉传感器数据、关节力矩数据和关节角数据的数据包,,对手指FPGA（可编程领域门阵列）板通过SPI（串行外设接口）总线,然后放在她的手指FPGA板发送数据包的整个手指直接向DSP-PCI卡,或间接透过手掌的FPGA板DSP-PCI卡点对点串行通讯（PPSeCo）总线,最后DSP-PCI收到卡片上传数据到个人电脑。

为了减小手指尖的PSoC板和手指DSP板之间的通信时间、操作这个PsoC中的SPI模块结构的频率应该选择频率最高（12兆赫）。

不过,正因为时钟频率约束的控制器,花费时间读/写一个八位登记这是12.6μs显著大于666.7μs的花费时间受/送一个字节。

因此,为了使SPI通信正常工作状态下,手指尖的SPI的功能模块的PsoC板必须被设置为主人模式,而手指的SPI的功能模块的将DSP板被设置为从属模式。

通过考虑触觉信号的采集和SPI通信的时间，触觉传感器的最后操作频率系统是107.3赫兹。

图9通信系统

3实验和讨论

4.1运用SVFNTSSE方法削弱相声实验

为验证SVFNTSSE方法的有效性,四个相邻的触觉细胞,分别是细胞-06,细胞-07,细胞-11和细胞-12,被选择为实验物体,,如图10。

和一个外部力量只适用于在元素上细胞-07,细胞-11和细胞-12,然后每一个触觉细胞的输出电压可以观察到。

当不使用SVFNTSSE方法,触觉细胞-06的输出电压被严重干扰（如图10（a）、细胞-06的输出电压约等于其他的在8秒）;但当使用这个方法,细胞-06的输出电压几乎是不受影响,显示在图10（b）。

因此,实验结果验证了该方法的有效性。

图10。

串扰分析

4.2实验研究传感器特性

触觉传感器具有非线性滞及蠕变等特点。

这些通过测量系统的特性进行了研究,显示在图11。

这系统包括一个加载平台和图形可视化系统。

测量过程如下:

首先,通过载重线应用离散载荷传感器的平台,然后通过串行通讯总线传送传感器的信号到PC上,最后通过图形可视化系统处理接收到的数据。

为了提高测量的准确度,四个相邻触觉元素被选中,应用于每一个元素的压力都是平等的,然后元素输出的平均值应该作为输出传感器。

确保压力的平衡,两个采取了措施:

设计一个具有柔性层的集料器和的和调节集料器周围六轴的角度直到每一个压力元件的输出值都相互相等。

在完成必要的操作后,我们不断地装载离散负荷又不断卸了离散载荷传感器，两次了。

在这个过程中,传感器的产量为压力装置的平均产量被获取。

迟滞特性曲线及蠕变特性曲线该传感器如图12（a）和（b）图12）。

图12（a）也显示压力传感器的测量范围是0-600kPa。

图11触觉传感器测量系统

图12。

（a）触觉传感器的滞回特性曲线。

（b）触觉传感器的蠕变特性曲线

4.3接触力控制的实验基于触觉传感器

在研究传感器的非线性特性后,我们在HIT/DLRHandII灵巧机械手的手指的指尖表面上安装传感器进而建立实验硬件系统,显示在图13（a）。

在这个实验中,“产品改进+摩擦补偿”控制算法被用于在考虑信号处理的这样的非线性特征,以及接触力建立的要求分别设为50kPa,100kPa,200kPa,300kPa,400kPa,500kPa和600kPa。

这实验结果（见图13（b））表明,基于反馈信号的触觉传感器，整个控制系统能保持不变的接触力。

因此,在未来，该传感器的信号将用于多手指手的抓取力的控制。

图13。

（a）平台的接触控制实验。

（b）基于触觉恒定的接触力控制的结果

5结论

在本文中，提出一种薄而灵活的电阻性触觉传感器,嵌入式电力系统对触觉信号采集与处理进行了描述。

通过采用三维曲面近似的发展方法设计出传感器的形状,确保优良的传感器符合HIT/DLRHandII灵巧机械手的手指尖表面。

被推荐的SVFNTSSE方法不仅可以有效地削弱相声电流,而且可以简化电路结构。

对于触觉传感器的系统,有效的测量范围近似是0-600kPa,分辨率与操作频率分别是8比特和107.3赫兹。

接触力控制试验表明,触觉传感器系统被集成在HIT/DLRHandII灵巧机械手的控制系统,在未来，为触觉信息在多手指协调中应用建立一个良好的基础。

感谢

这个项目是由国家高技术研发与发展计划（“863”计划）（第2008号AA04Z203）和自我计划任务

（第2008号01A01）的国家重点实验室的技术和系统（哈尔滨理工学院）。

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