机器人指端应变式触觉传感器
2018-03-22 20:40:20
第机器人指端应变式触觉，同时提出一种新型的机器人指端应宋式触觉传感器，并对其工作原理进行评细说明。在传感器结构设计中采用合理结构，使被抓物体的横截面尺寸不受弹性薄板薄板尺寸限制；当超过测量范围时，保证金属薄板不受破坏，同时实现了柔顺抓握。
当前，国内外对机器人技术的发展都极为重视，并投入了大量的人力、物力，特别是对第三代智能机器人的开发研究正方兴未艾，而研究智能机器人的重要内容之一是对感觉装置的研究。其中，研究和开发最多的感觉装置是视觉和触觉两类，因为它们的发展直接制约着机器人的智能化进程。相比较而言，无论是硬件或软件，视觉相对比较成熟。这种发展的不平衡在很大程度上阻碍了机器人技术的进步，然而影响触觉研究进展的主要问题是传感器的问题。本文将对机器人指端基于应变片的触觉传感器的原理、分类和发展等作详细介绍，然后，提出一种新型机器人指端应变式触觉传感器并对其工作原理作细致说明。
1机器人触觉传感器发展现状最早的触觉研究大约始于I960年，到了70年代开始受到重视，80年代中期，随着许多新的触觉传感器及数据处理方法的出现，触觉研究才进入一个新的发展阶段。机器人触觉技术在机器人感觉系统中占有非常重要的地位，这是因为触觉感知有着视觉无法实现的功能。首先，与视觉传感相比，触觉所需的数据少得多。其次，对于触觉系统，一些外界因素（背景照明，视角等）可以不作考虑，使采集的数据容易控制。再次，触觉系统主要检测对象物的存在、位置、形状、缺陷和纹理等，这些物理量非常接近被测物的性质。若采用视觉系统，则只能以间接方法导出形状、方位、绝对位置等参数。
机器人触觉的研究涉及到许多理论和技术，包括计算机视觉、人工智能、仿生学、传感器技术、控制技术及机器人手爪技术等等，它是一门综合性极强的边缘学科。机器人触觉研究的主要内容有触觉传感器，触觉控制与规划，触觉模式识别等，另外还有系统总体结构以及手爪多传感器信息融合与集成技术。
触觉传感器是实现机器人触觉的关键技术之一，按照传感原理的不同可分为压阻、压电、磁、光电、电容和机械等几类。国内外许多技术人员致力于触觉传感器的研究，现在已经研制出了许多触觉传感器的样机，并有一些触觉传感器进入商品化阶段。随着智能机器人技术的发展，开发和研制实用的触觉传感器，以提高机器人与外部世界相互协调工作的能力，仍是当前急待解决的问题。
作宥筒介：戴世杰（1970-），男（汉族），讲师，哈尔滨工业大学博士生。
2机器人指端应变式触觉传感器2.1原理与类型电阻应变式传感器的构造是在一定形状的弹性元件上粘贴或用其它方法安装电阻应变敏感元件。当接触力作用在弹性元件上时，弹性元件产生变形，电阻应变敏感元件的阻值随之发生变化，接着，我们可用变换电路将阻值变化变成电压变化输出，根据电压变化量即可得知接触力的大小与作用位置。，机器人的触觉包括接触觉、压觉、力觉、滑动觉和接近觉等。而电阻应变式触觉传感器主要实现运觉和力觉，即让机械手感觉垂直于物体表面方向的压力及压力分布、腕力、手部输出的力、转矩和重量等。力觉可以实现主从伺服机构约束工作的顺利进行，对腕部协调控制，而压觉则是对夹持力和夹持方法的控制，即对“软”、“硬”抓握的判别。
目前，应变式触觉传感器根据电阻应变敏感元件可分为两类：应变片式和半导体集成式。应变片式是用电阻应变片和半导体应变片作为应变敏感元件，而半导体集成式是直接在弹元件上溅射薄膜电阻或用硅扩散电阻作为应变敏感元件。
2.2典型应变式触觉传感器下面我们介绍几种典型的机器人指端应变式触觉传感器。
2.2.1机器人指端半导体集成应变式触觉传感器这类触觉传感器自70年代以来，各国都进行了大量的研究。到目前为止，半导体集成应变式触觉传感器已有3种常用结构：十字梁结构、E型膜结构和梁膜复合结构。这3种结构各有优缺点：十字梁结构灵敏度篼，但强度低，工艺兼容性差；E型膜结构则相反，即强度高，工艺兼容性好，但法向和切向灵敏度差别较大；梁膜复合结构兼具二者优点，但制作工艺较复杂。
是E型膜的理论模型。合肥智能所开发的多功能类皮肤型阵列式微型触觉传感器的敏感单元选用了这种结构，获得良好的性能。如果将E型膜简化为一个四周固定的薄板，其内缘与中心凸台相连，那么，可以利用材料力学及弹性薄板的有关理论进行分析求解，也可以利用有限元或有限差分等知识分析。
2.2.2悬臂梁应变式力觉传感器是一种悬臂梁应变式力觉传感器，它主要由弹性体和两对应变片组成，可以用来测量力和力矩力F将使应变片1和3拉伸，而使应变片2和4压缩，其大小可由两对传感器的输出之差求得。
如果力的作用点到固定支点的距离已知，就可以求出力矩。这种传感器要求力的作用点固定，且范围小，因为电信号除了与力的大小成比例外，还与力的作用点到应变片的距离有关。
通过上面的分析，我们可以发现，这种力觉传感器的一种典型应用是：在机器人的手爪上安上3对这样的应变片式触觉传感器就可以测出机器人腕关节3个方向的力和力矩。
2.2.3重工业用应变式压力/温度传感器利用应变原理的重工业用应变式压力/温度传感器的两种形式如所示，它由弹性体和作为应变片的锰一镍一铜合金与钛组成。其中，锰一镍一铜合金作为压力敏感元件，钛作为温度敏感元件，锰一镍一铜合金和钛都是汽相淀积到弹性体上去的。选用这两种材料的原因是：锰一镍一铜合金对压力敏感但对温度不敏感，而钛恰好相反，它对温度敏感而对压力却不敏感。这种传感器可以安装在机器人的手爪上用于重工业，特别是钢铁工业中的机器人的手爪上当机器人抓握轧件时，通过这种传感器得到轧件的重量和温度参数，把这些参数作为反馈信号送给控制器，然后再去控制机器人的运动和乳制过程，从而提高机器人的抓握性能和最终产品的质量。
悬臂梁应变式力觉传感器重工业用应变式压力/温度传感器两种形式简。2.4基于薄片变形的应变式触觉传感器是基于薄片变形的应变式触觉传感器一个敏感单元的边界条件简图。这种传感器主要由应变片和弹性薄片组成，其边界条件可以根据具体要求改变，在本图中是两对边固定支承，另外两对边简支。如果利用4个这样的传感器敏感单元组成两个传感器，抓握一个重力场中的等截面均质杆件，就可以测得被抓杆件的质量和长度等参数。
Ellis等人曾经利用这种方式，将两个薄片敏感单元安装在同一个长方形木条上，再将两个长方形木条分别安装在台钳的上、下钳口上进行过，上、下敏感单元相当于所示的传感器。假设被抓物体平行于地面，现对其测量原理作说明。若设和表示在两个抓握点的反作用力，和表示相应的反力矩（见），那么，手的两个抓握点B、C处的反作用力分别为：反作用力矩分别为：度，为间的长度，/为被抓杆件的长度，g为重力加速度。当我们由应变片测得和私，及八和后，利用上面的任何3个等式，可以确定和1，进而求出被抓物体的重量。
在机器人抓握物体的过程中，柔顺可控机器人指端应变式触觉传感器将两个薄板安装在底座2和支撑座1上。当机器人抓握物体时，被抓物体与触头7接触，触头可以在盖板6的限位孔中滑动，触头和压头5连在一起，压头与触头的连接部位尺寸大于限位孔的大小，防止机器人手爪松开时因弹性薄板的反作用力使触头弹出。另外，触头的中部有一小段比盖板的限位孔尺寸大，这个凸缘到盖板的最大距离限定了传感器的最大抓握质量。当被抓物体的质量超过最大抓握质量时，凸缘与盖板接触，通过盖板和底座将力传到机器人手指指面上，从而保证传感器不被破坏被抓握物体对触头的反作用力通过压头传递到弹性薄板4上，以使弹性薄板上的着力点固定，且范围小，即弹性薄片的变形位置固定并且可靠。触头与被抓物体接触，使得被抓物体的横截面尺寸可以大于弹性薄板的尺寸，也可以等于或小于弹性薄板的尺寸而不影响对参数的测量，扩大了被抓物体的尺寸范围。另外，我们在触头上封装了电流变流体，使手爪具有了柔顺可控性。在上下两层导电橡胶之间用海绵隔开，最外面用橡胶封装，中间的海绵层填充满电流变流体。经研究表明电流变流体能够在电场作用下，由牛顿流体变为具有一定屈服应力的Bingham塑性体，并且这种转变程度可以由电场连续控制，响应速度极快（一般为毫秒级），它能够满足实时控制的要求。在这里电流变流体作为机器人手指皮下介质，模仿人手的皮下组织，当没有通电时电流变流体层可充当保形层，当给以电压时电流变流体变为塑性体，这样就可以借助电流变流体的柔顺可控性实现稳定抓握，有效地防止滑落。
柔顺可控应变式机器人指端触觉传感器简结束语本文针对机器人指端应变式触觉传感器进行了探讨，在此基础上，提出了一种新型柔顺可控机器人指端应变式触觉传感器。分析结果表明，这种传感器具有下列特点：精度高，测量范围广。
性能稳定，抗干扰能力强，可靠性高。
具有高的敏感性和良好的信息分离性。
变换电路简单（易于进行信息的传递和信息的处理）。
与其它应变式触觉传感器相比，扩大了抓握物体的尺寸范围，且可以实现柔顺抓握。
当前，国内外对机器人技术的发展都极为重视，并投入了大量的人力、物力，特别是对第三代智能机器人的开发研究正方兴未艾，而研究智能机器人的重要内容之一是对感觉装置的研究。其中，研究和开发最多的感觉装置是视觉和触觉两类，因为它们的发展直接制约着机器人的智能化进程。相比较而言，无论是硬件或软件，视觉相对比较成熟。这种发展的不平衡在很大程度上阻碍了机器人技术的进步，然而影响触觉研究进展的主要问题是传感器的问题。本文将对机器人指端基于应变片的触觉传感器的原理、分类和发展等作详细介绍，然后，提出一种新型机器人指端应变式触觉传感器并对其工作原理作细致说明。
1机器人触觉传感器发展现状最早的触觉研究大约始于I960年，到了70年代开始受到重视，80年代中期，随着许多新的触觉传感器及数据处理方法的出现，触觉研究才进入一个新的发展阶段。机器人触觉技术在机器人感觉系统中占有非常重要的地位，这是因为触觉感知有着视觉无法实现的功能。首先，与视觉传感相比，触觉所需的数据少得多。其次，对于触觉系统，一些外界因素（背景照明，视角等）可以不作考虑，使采集的数据容易控制。再次，触觉系统主要检测对象物的存在、位置、形状、缺陷和纹理等，这些物理量非常接近被测物的性质。若采用视觉系统，则只能以间接方法导出形状、方位、绝对位置等参数。
机器人触觉的研究涉及到许多理论和技术，包括计算机视觉、人工智能、仿生学、传感器技术、控制技术及机器人手爪技术等等，它是一门综合性极强的边缘学科。机器人触觉研究的主要内容有触觉传感器，触觉控制与规划，触觉模式识别等，另外还有系统总体结构以及手爪多传感器信息融合与集成技术。
触觉传感器是实现机器人触觉的关键技术之一，按照传感原理的不同可分为压阻、压电、磁、光电、电容和机械等几类。国内外许多技术人员致力于触觉传感器的研究，现在已经研制出了许多触觉传感器的样机，并有一些触觉传感器进入商品化阶段。随着智能机器人技术的发展，开发和研制实用的触觉传感器，以提高机器人与外部世界相互协调工作的能力，仍是当前急待解决的问题。
作宥筒介：戴世杰（1970-），男（汉族），讲师，哈尔滨工业大学博士生。
2机器人指端应变式触觉传感器2.1原理与类型电阻应变式传感器的构造是在一定形状的弹性元件上粘贴或用其它方法安装电阻应变敏感元件。当接触力作用在弹性元件上时，弹性元件产生变形，电阻应变敏感元件的阻值随之发生变化，接着，我们可用变换电路将阻值变化变成电压变化输出，根据电压变化量即可得知接触力的大小与作用位置。，机器人的触觉包括接触觉、压觉、力觉、滑动觉和接近觉等。而电阻应变式触觉传感器主要实现运觉和力觉，即让机械手感觉垂直于物体表面方向的压力及压力分布、腕力、手部输出的力、转矩和重量等。力觉可以实现主从伺服机构约束工作的顺利进行，对腕部协调控制，而压觉则是对夹持力和夹持方法的控制，即对“软”、“硬”抓握的判别。
目前，应变式触觉传感器根据电阻应变敏感元件可分为两类：应变片式和半导体集成式。应变片式是用电阻应变片和半导体应变片作为应变敏感元件，而半导体集成式是直接在弹元件上溅射薄膜电阻或用硅扩散电阻作为应变敏感元件。
2.2典型应变式触觉传感器下面我们介绍几种典型的机器人指端应变式触觉传感器。
2.2.1机器人指端半导体集成应变式触觉传感器这类触觉传感器自70年代以来，各国都进行了大量的研究。到目前为止，半导体集成应变式触觉传感器已有3种常用结构：十字梁结构、E型膜结构和梁膜复合结构。这3种结构各有优缺点：十字梁结构灵敏度篼，但强度低，工艺兼容性差；E型膜结构则相反，即强度高，工艺兼容性好，但法向和切向灵敏度差别较大；梁膜复合结构兼具二者优点，但制作工艺较复杂。
是E型膜的理论模型。合肥智能所开发的多功能类皮肤型阵列式微型触觉传感器的敏感单元选用了这种结构，获得良好的性能。如果将E型膜简化为一个四周固定的薄板，其内缘与中心凸台相连，那么，可以利用材料力学及弹性薄板的有关理论进行分析求解，也可以利用有限元或有限差分等知识分析。
2.2.2悬臂梁应变式力觉传感器是一种悬臂梁应变式力觉传感器，它主要由弹性体和两对应变片组成，可以用来测量力和力矩力F将使应变片1和3拉伸，而使应变片2和4压缩，其大小可由两对传感器的输出之差求得。
如果力的作用点到固定支点的距离已知，就可以求出力矩。这种传感器要求力的作用点固定，且范围小，因为电信号除了与力的大小成比例外，还与力的作用点到应变片的距离有关。
通过上面的分析，我们可以发现，这种力觉传感器的一种典型应用是：在机器人的手爪上安上3对这样的应变片式触觉传感器就可以测出机器人腕关节3个方向的力和力矩。
2.2.3重工业用应变式压力/温度传感器利用应变原理的重工业用应变式压力/温度传感器的两种形式如所示，它由弹性体和作为应变片的锰一镍一铜合金与钛组成。其中，锰一镍一铜合金作为压力敏感元件，钛作为温度敏感元件，锰一镍一铜合金和钛都是汽相淀积到弹性体上去的。选用这两种材料的原因是：锰一镍一铜合金对压力敏感但对温度不敏感，而钛恰好相反，它对温度敏感而对压力却不敏感。这种传感器可以安装在机器人的手爪上用于重工业，特别是钢铁工业中的机器人的手爪上当机器人抓握轧件时，通过这种传感器得到轧件的重量和温度参数，把这些参数作为反馈信号送给控制器，然后再去控制机器人的运动和乳制过程，从而提高机器人的抓握性能和最终产品的质量。
悬臂梁应变式力觉传感器重工业用应变式压力/温度传感器两种形式简。2.4基于薄片变形的应变式触觉传感器是基于薄片变形的应变式触觉传感器一个敏感单元的边界条件简图。这种传感器主要由应变片和弹性薄片组成，其边界条件可以根据具体要求改变，在本图中是两对边固定支承，另外两对边简支。如果利用4个这样的传感器敏感单元组成两个传感器，抓握一个重力场中的等截面均质杆件，就可以测得被抓杆件的质量和长度等参数。
Ellis等人曾经利用这种方式，将两个薄片敏感单元安装在同一个长方形木条上，再将两个长方形木条分别安装在台钳的上、下钳口上进行过，上、下敏感单元相当于所示的传感器。假设被抓物体平行于地面，现对其测量原理作说明。若设和表示在两个抓握点的反作用力，和表示相应的反力矩（见），那么，手的两个抓握点B、C处的反作用力分别为：反作用力矩分别为：度，为间的长度，/为被抓杆件的长度，g为重力加速度。当我们由应变片测得和私，及八和后，利用上面的任何3个等式，可以确定和1，进而求出被抓物体的重量。
在机器人抓握物体的过程中，柔顺可控机器人指端应变式触觉传感器将两个薄板安装在底座2和支撑座1上。当机器人抓握物体时，被抓物体与触头7接触，触头可以在盖板6的限位孔中滑动，触头和压头5连在一起，压头与触头的连接部位尺寸大于限位孔的大小，防止机器人手爪松开时因弹性薄板的反作用力使触头弹出。另外，触头的中部有一小段比盖板的限位孔尺寸大，这个凸缘到盖板的最大距离限定了传感器的最大抓握质量。当被抓物体的质量超过最大抓握质量时，凸缘与盖板接触，通过盖板和底座将力传到机器人手指指面上，从而保证传感器不被破坏被抓握物体对触头的反作用力通过压头传递到弹性薄板4上，以使弹性薄板上的着力点固定，且范围小，即弹性薄片的变形位置固定并且可靠。触头与被抓物体接触，使得被抓物体的横截面尺寸可以大于弹性薄板的尺寸，也可以等于或小于弹性薄板的尺寸而不影响对参数的测量，扩大了被抓物体的尺寸范围。另外，我们在触头上封装了电流变流体，使手爪具有了柔顺可控性。在上下两层导电橡胶之间用海绵隔开，最外面用橡胶封装，中间的海绵层填充满电流变流体。经研究表明电流变流体能够在电场作用下，由牛顿流体变为具有一定屈服应力的Bingham塑性体，并且这种转变程度可以由电场连续控制，响应速度极快（一般为毫秒级），它能够满足实时控制的要求。在这里电流变流体作为机器人手指皮下介质，模仿人手的皮下组织，当没有通电时电流变流体层可充当保形层，当给以电压时电流变流体变为塑性体，这样就可以借助电流变流体的柔顺可控性实现稳定抓握，有效地防止滑落。
柔顺可控应变式机器人指端触觉传感器简结束语本文针对机器人指端应变式触觉传感器进行了探讨，在此基础上，提出了一种新型柔顺可控机器人指端应变式触觉传感器。分析结果表明，这种传感器具有下列特点：精度高，测量范围广。
性能稳定，抗干扰能力强，可靠性高。
具有高的敏感性和良好的信息分离性。
变换电路简单（易于进行信息的传递和信息的处理）。
与其它应变式触觉传感器相比，扩大了抓握物体的尺寸范围，且可以实现柔顺抓握。