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-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@https://www.wendangku.net/doc/d7101405.html,
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。
Raparelli et al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(3 D)可展面,但它不能完全覆盖一个3D不可展面。Kawasaki et al.为Gifu Hand II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Gifu hand II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。Shimojo et al.
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/DLR Hand II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/DLR Hand II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ANSYS 11.0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(2 D)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
表3相对面积的误差
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 - 600 kPa。
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/DLR Hand II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50 kPa,100 kPa,200 kPa,300 kPa,400 kPa,500 kPa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/DLR Hand II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/DLR Hand II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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物料搬运机器人手的系统设计
天津大学 毕业设计 中文题目：物料搬运机器人手部系统的设计 英文题目：Material handling system design robot Hand department 学生姓名 系别机电 专业班级 2 指导教 成绩评定 2010年6月
目录 1 引言 (1) 1.1 机器人概述 (1) 1.2 机器人的研究历史及现状 (1) 1.3 机器人的发展趋势 (2) 2 手部的设计与计算 (3) 2.1 手部的设计 (3) 2.2 驱动方式 (3) 2.3 手部夹紧力的计算 (5) 2.4 弹簧的计算[6] (5) 2.5 手部电机选择原则【7】........................... 错误！未定义书签。 2.5.1 一般执行电机的选择原则...................... 错误！未定义书签。 2.5.2 电机的选用.................................. 错误！未定义书签。 2.6 手部电机参数计算.............................. 错误！未定义书签。 2.7 电机转速与夹紧力速度几何关系的确定............ 错误！未定义书签。 3 手臂的设计与计算............................... 错误！未定义书签。 3.1 手臂结构设计.................................. 错误！未定义书签。 3.2 手部质量计算.................................. 错误！未定义书签。 3.2.1 爪子的质量计算.............................. 错误！未定义书签。 3.2.2 手部外壳质量计算............................ 错误！未定义书签。 3.2.3 手部主轴的质量计算.......................... 错误！未定义书签。 3.2.4 其它部件的质量估算.......................... 错误！未定义书签。 3.3 手臂计算及电机选择............................ 错误！未定义书签。 4 结论.......................................... 错误！未定义书签。【参考文献】................................... 错误！未定义书签。致谢............................................ 错误！未定义书签。附录1：英文文献 .................................. 错误！未定义书签。附录2：英文文献翻译 .............................. 错误！未定义书签。
SI4-G柔性压力传感器
?已通过ROHS 认证 笔尖柔性压力传感器 SI4-G SI4-G 柔性压力传感器是苏州能斯达电子科技有限公司融合了纳米敏感材料和先进印刷制程，采用自主独立知识产权最新开发并可以满足客户需求的标准型压力传感器。 标识 尺寸（mm） 长度16敏感区外径5敏感区内径 3.4Pin 脚距离 1.0 尺寸表 尺寸图 产品特性
SI4-G 柔性压力传感器由机械性能优异的超薄膜、优异导电材料和纳米压力敏感层组成。当传感器感知到外界压力时，传感器电导率发生变化，外界压力越大传感器电导率就越高。即传感器零负载时为高阻值显示，当传感器感知外界压力后，阻值会相应变化，力度越大阻值越小。采用简单的电路即可将这种电导率的变化转化为与外界压力相匹配的输出电信号。 力敏特性 注意： 图表中曲线是由在实验室条件下测得的数据绘制而成，曲线关系仅供参考，实际数据请根据具体应用情况安装后测试。 性能参数量程0-500g 厚度<0.25mm 外观尺寸见尺寸表响应点<30g 重复性<±7.7%(50%负载) 一致性±10%耐久性＞100万次初始电阻＞10M Ω(无负载) 响应时间<1ms 恢复时间<15ms 测试电压典型值DC 3.3V 工作温度-20°C -60°C 电磁干扰EMI 不产生静电释放EDS 不敏感 参数表 产品特性
参考电路 参考电路一： 采用分压方式测量。将压力变化在 传感器上产生的电阻值的变化，转 换为电压的变化，Vout为输出电 压，可接到后端电路。 ●根据实际情况选择R1，通常 可取47kΩ~1MΩ； ●无压力时，传感器阻值在 10MΩ以上，等效于断路。 参考电路二： 在分压测量的基础上，增加运算放 大器电路，可提高电压测量分辨 率；增大驱动电流。 ●根据实际情况选择电路参数； ●无压力时，传感器阻值在 10MΩ以上，近似断路。 注意事项 传感器使用时尽量使所受负载均匀，避免尖锐物体直接接触传感器； 超量程使用会降低传感器性能甚至破坏传感器； 力敏特性曲线仅供参考； 传感器端子为铜镀锡材质，可根据需求自行焊接引线。需注意，焊接温度不宜太高，建议不超过300℃，接触时间不超过1秒，以免高温使薄膜衬底融化变形。
Tekscan柔性薄膜网格状触觉压力传感器_下_
电子报/2010年/4月/4日/第011版 职业技能 Tekscan柔性薄膜网格状触觉压力传感器(下) 成都生为编译 二、传感器加载方法 柔性传感器的完整面积是作为一个独立的触点进行处理的，因此，对传感器面上的加载应分布均匀，以保证测量精度即受力重复读数。如果加载的分布超过了传感器的面积，其测量读数会有所变化。注意:传感器面的边缘是由银环组成的。以下分三种情况，说明传感器的加载方法。 1.加载的尺寸小于传感器的面积 如果加载的有效尺寸比传感器面积小时，其负载不得放在传感器面的边缘，以确保负载均匀分布。此外，确保传感器的物理面是负载的完整通道，也是重要的。 2.加栽的尺寸大于传感器的面积 对传感器加载时，如果加载的有效尺寸大于传感器的面积时，此时必须使用“puck“，“puck”是一块刚性金属(比传感器的面积略小)，再把“puck”放在传感器的面积上，以保证所加的载通过“puck”的面上。再有，“puck”不要碰触传感面的边缘，因为边缘会造成错误的加载，引起测量误差。 3.把传感器固定到面上 如果必需把传感器固定到表面上，此时推荐使用绷带固定。 说明:柔性传感器检测的力是垂直于传感器表面的一种力，若所加的力是一种剪切力，此时会减少传感器的寿命。如果应用时，确需加剪切力到传感器上时，应在传感器上覆盖一种弹性材料加以保护。 三、校准 这里介绍一种对传感器使用的校准方法，即利用传感器受力时其两端输出的电信号加以校准。为此，对传感器加上一已知力，则与该力相对应是一种电阻值(传感器两个端子)，然后利用多个不同的已知力，绘出力-电阻的曲线，如图3所示。然后，再绘出力-导纳(1/R)的曲线，如图4所示。这样在负载为0到已知负载值之间即一条线性关系(注意:防止负载引起的传感器特性的饱和状态)。 在上述的校准中，应注意下列事项: 1.校准时，应避免加载力造成传感器的特性饱和，如果出现了饱和，应调整其灵敏度(降低)。 2.校准中，加在传感器面上的力，应分布尽可能均匀，如果加载的力超过了传感器受力面，其读数会略有变化。 3.校准该柔性薄膜传感器时，因为该种传感器的负载输出电阻受温度影响，应使环境温度保持在同一温度下进行，以保证校准的精度。 柔性薄膜压力传感器A201型主要性能见附表所示。 柔性薄膜压力传感器的寿命与使用方法有关。若正确使用该传感器，其寿命可达106次(百万)，但若使用不当，如粗暴操作，受力面成刀刃状，则很易损坏传感器。所以，正确使用该传感器，如按规定加载时不超载、轻放、轻下等，都是很重要的正确操作方法。
触觉传感器
触觉传感器 触觉传感器是用于机器人中模仿触觉功能的传感器。按功能可分为接触觉传感器、力－力矩觉传感器、压觉传感器和滑觉传感器。 触觉传感器- 触觉传感器 触觉传感器- 正文 用于机器人中模仿触觉功能的传感器。触觉是人与外界环境直接接触时的重要感觉功能，研制满足要求的触觉传感器是机器人发展中的技术关键之一。随着微电子技术的发展和各种有机材料的出现，已经提出了多种多样的触觉传感器的研制方案，但目前大都属于实验室阶段，达到产品化的不多。触觉传感器按功能大致可分为接触觉传感器、力－力矩觉传感器、压觉传感器和滑觉传感器等。 接触觉传感器用以判断机器人(主要指四肢)是否接触到外界物体或测量被接触物体的特征的传感器。接触觉传感器有微动开关、导电橡胶、含碳海绵、碳素纤维、气动复位式装置等类型。①微动开关：由弹簧和触头构成。触头接触外界物体后离开基板，造成信号通路断开，从而测到与外界物体的接触。这种常闭式（未接触时一直接通）微动开关的优点是使用方便、结构简单，缺点是易产生机械振荡和触头易氧化。②导电橡胶式：它以导电橡胶为敏感元件。当触头接触外界物体受压后，压迫导电橡胶，使它的电阻发生改变，从而使流经导电橡胶的电流发生变化。这种传感器的缺点是由于导电橡胶的材料配方存在差异，出现的漂移和滞后特性也不一致，优点是具有柔性。③含碳海绵式：它在基板上装有海绵构成的弹性体，在海绵中按阵列布以含碳海绵。接触物体受压后,含碳海绵的电阻减小,测量流经含碳海绵电流的大小，可确定受压程度。这种传感器也可用作压力觉传感器。优点是结构简单、弹性好、使用方便。缺点是碳素分布均匀性直接影响测量结果和受压后恢复能力较差。④碳素纤维式：以碳素纤维为上表层，下表层为基板，中间装以氨基甲酸酯和金属电极。接触外界物体时碳素纤维受压与电极接触导电。优点是柔性好，可装于机械手臂曲面处，但滞后较大。⑤气动复位式：它有柔性绝缘表面，受压时变形，脱离接触时则由压缩空气作为复位的动力。与外界物体接触时其内部的弹性圆泡(铍铜箔)与下部触点接触而导电。优点是柔性好、可靠性高，但需要压缩空气源。
石墨烯柔性压力传感器
石墨烯柔性压力传感器 传感技术被认为是21世纪科学技术发展的重要组成部分，传感技术、计算机技术和通信技术被称为现代信息产业的三大支柱，广泛应用于电子、航天航空、国防、科研等领域。 石墨烯因其优异的电学和力学性能成为科研的热点，近年来由于石墨烯在柔性基底材料和导电材料方面的进展和突破，使石墨烯柔性压力传感器拥有更多更优异的性能，如传感器质量更轻、使用更方便、灵敏度更高、稳定性更好等。 一、石墨烯柔性压力传感器原理 石墨烯柔性压力传感器是用石墨烯作为柔性基底材料。基底材料对于传感器而言是作为支架而存在的，同时因石墨烯优异的物理特性、晶格结构，使石墨烯基底材料具有高电子迁移率和很好的拉伸性。 石墨烯薄膜是柔性传感器的核心，生长参数的设置会影响石墨烯的质量以及层数，所以必须严格的控制石墨烯的生长参数。相较于单层的石墨烯而言，少层石墨烯的稳定更好，能够提高传感器的检测范围。因此制备少层石墨烯薄膜作为柔性传感器的敏感层。
石墨烯复合材料的压力传感器 二、柔性压力传感器的分类 柔性压力传感器一般是用柔性基底材料和敏感材料制备，敏感材料作为柔性压力传感器的核心部分，必须具有很好的导电性、柔性以及机械强度。随着材料科学和力学研究的进步，传感器的敏感材料从最初的硅到现在以碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯为主的纳米材料，因纳米材料具备很好的柔性、很高的的机械强度、良好的导电性等特性成为最炙手可热的柔性传感器敏感材料，因此石墨烯成为21世纪研究最广泛的纳米材料。 1、电阻式柔性压力传感器 电阻式柔性压力传感器是将感知的压力值大小转化为电阻值或者电压值输出的器件。按照电阻式压力传感器的工作机理可以分为两类：应变式和压阻式。应变式压力传感器受力产生形变，引起电阻值发生变化。 压阻式压力传感器的工作机理：传感器受到压力后敏感元件发生形变导致传感器的电阻也发生改变，再通
机械手腕部设计(含CAD图纸).doc
1绪论 机器人是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造中 的一个重要组成部分。机器人显著地提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械 化和自动化的步伐。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场 合，应用得更为广泛。因而受到各先进工业国家的重视，投入大量人力物力加以 研究和应用。 机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它的特点是除了具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。它可以灵活运用在工业上的各个方面，如喷漆、焊接、搬运等。第二类是需要人工操作的，称为机械机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球 等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专用机器人，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外称为“ Mechanical Hand " ，它是为主机服务的，由主机驱动 ; 除少数外，工作程序一般是固定的，采用机械编程。因此是专用的。 本课题通过对通用机器人 smart6.50R 的结构进行分析和研究，完成对其腕部的设计，并借助 CAD/CAE软件完成从建模到运动学分析、应力分析的全过程。最 终期望腕部与小臂、手部、大臂能够协调工作，能够完成各种现代工业加工过程 中所要求的动作。 本课题的设计思路是：借助已有的通用机器人的腕部设计思想和方法，综合考虑腕部机构在机器人运动中所起的作用和机器人的整体技术参数以及结构特 点，然后选择合理的机构，确定传动线路，然后对机构进行分析，计算主要参数，并对部分零件进行设计、组装，综合评价腕部系统。
触觉传感器种类
触觉传感器 用于机器人中模仿触觉功能的传感器。触觉是人与外界环境直接接触时的重要感觉功能，研制满足要求的触觉传感器是机器人发展中的技术关键之一。随着微电子技术的发展和各种有机材料的出现，已经提出了多种多样的触觉传感器的研制方案，但目前大都属于实验室阶段，达到产品化的不多。触觉传感器按功能大致可分为接触觉传感器、力－力矩觉传感器、压觉传感器和滑觉传感器等。 接触觉传感器用以判断机器人(主要指四肢)是否接触到外界物体或测量被接触物体的特征的传感器。接触觉传感器有微动开关、导电橡胶、含碳海绵、碳素纤维、气动复位式装置等类型。 ①微动开关：由弹簧和触头构成。触头接触外界物体后离开基板，造成信号通路断开，从而测到与外界物体的接触。这种常闭式（未接触时一直接通）微动开关的优点是使用方便、结构简单，缺点是易产生机械振荡和触头易氧化。 ②导电橡胶式：它以导电橡胶为敏感元件。当触头接触外界物体受压后，压迫导电橡胶，使它的电阻发生改变，从而使流经导电橡胶的电流发生变化。这种传感器的缺点是由于导电橡胶的材料配方存在差异，出现的漂移和滞后特性也不一致，优点是具有柔性。 ③含碳海绵式：它在基板上装有海绵构成的弹性体，在海绵中按阵列布以含碳海绵。接触物体受压后,含碳海绵的电阻减小,测量流经含碳海绵电流的大小，可确定受压程度。这种传感器也可用作压力觉传感器。优点是结构简单、弹性好、使用方便。缺点是碳素分布均匀性直接影响测量结果和受压后恢复能力较差。 ④碳素纤维式：以碳素纤维为上表层，下表层为基板，中间装以氨基甲酸酯和金属电极。接触外界物体时碳素纤维受压与电极接触导电。优点是柔性好，可装于机械手臂曲面处，但滞后较大。 ⑤气动复位式：它有柔性绝缘表面，受压时变形，脱离接触时则由压缩空气作为复位的动力。与外界物体接触时其内部的弹性圆泡(铍铜箔)与下部触点接触而导电。优点是柔性好、可靠性高，但需要压缩空气源。
柔性薄膜压力传感器规格书ZNX-01
苏州能斯达电子科技有限公司 ?已通过ROHS 认证 柔性薄膜压力传感器 ZNX-01 超薄柔软，厚度小于0.45mm 便于集成 响应速度快、分辨率高 寿命长，耐弯折，通过100万次以上按压测试 检测电路简单 防水、防潮、透气 不同尺寸外形传感器可定制 ZNX-01柔性薄膜压力传感器是苏州能斯达电子自主知识产权研发，采用印刷技术在柔韧轻薄衬底材料上印刷压力敏感纳米功能材料，实现足底压力的分布式检测。 ZNX-01是基于电阻式传感器，输出电阻随着施加于传感器表面压力的增大而减小，通过特定的压力-电阻关系，可以测量出压力大小。将ZNX-01传感器置于鞋底，能够检测出人体站立和行走时的足底压力，检测数据可用于足底压力分析。 尺寸规格 单位：mm 产品特点 产品描述
接口定义 性能指标 项目参数 型号ZNX-01 量程10kg 厚度小于0.45mm 外观尺寸41码（其他尺寸大小可以定制） 响应点400g 耐久性＞100万次 初始电阻＞10MΩ(无负载) 响应时间<1ms 恢复时间<15ms 测试电压典型值DC3.3V 工作温度-20℃-60℃ 电磁干扰EMI不产生 静电释放ESD不敏感 力敏特性 以下为柔性薄膜压力传感器ZNX-01中一个点的压力-电阻值变化曲线图。图表显示了全部电阻范围内的压力-电阻值关系。 注意： 图表中曲线是在特定的条件下测得的数据绘制而成，曲线关系仅供参考，实际数据请根据具体应用情况安装后测试。
参考电路 图示电路中ZNX-01是以前文接口定义中的左脚传感器图示为例，本图中传感器座1#~10#引脚对应A~J。输出信号Vout 的标号1~10对应接口定义图中的1~10个检测点。 图中电路是用电阻分压原理测量传感器电阻值，根据测量到的Vout 电压值和分压电阻值计算传感器敏感点受力后的电阻值。再根据压力-电阻曲线可计算出压力值。 特别的，如果将Vout 接到MCU 的ADC 端口，通过标定算法，可将采集到的AD 值和压力值对应起来，从而无需计算中间过程量（电压值、电阻值）。 如果对信号的输出阻抗有特殊要求，可在Vout 后端增加运放电路。
工业机器人内部结构及基本组成原理详解
工业机器人内部结构及基本组成原理详解 工业机器人详解 你对工业机器人有着什么样的了解？关于工业机器人，我们过去也反反复复推送了很多的文章，在这一次，我们将尝试解决有关---在工业环境中使用的最常见的机器人和作业时经常会遇到的问题。关于工业机器人定义什么可以被 认为是一个工业机器人？什么不能被称为工业机器人？工业机器人直到最近才能避开这种混乱。不是在工业环境中使 用的每个机电设备都可以被认为是机器人。根据国际标准组织的定义，工业机器人是一种可编程的三自由度或多轴自动控制的可编程多用途机械手。这几乎是在谈论工业机器人时被接受的定义。工业机器人自中年以来发生了什么变化？越来越多的工程师和企业家正在寻找越来越多的机器人技术，帮助在工业环境中优化工作流程的方式。随着时代的发展和机器人技术的进步，机器人手臂必须为诸如仓储中使用的群组AGV等新手铺路。我们经常说典型的工业机器人 由工具，工业机器人手臂，控制柜，控制面板，示教器以及其他外围设备组成。那么这些是什么？这些部分通常都在一起，控制柜类似于机器人的大脑。控制面板和示教器构成用户环境。工具（也称为末端执行器）是为特定任务设计的设备（例如焊接或喷涂）。机器人手臂基本上是移动工具的
东西。但并不是每个工业机器人都像一个手臂。不同机器人有不同类型的结构。控制面板--- 操作员使用控制面板来执行一些常规任务。（例如：改变程序或控制外围设备）。应用“机器人工人” --------- 什么时候应该使用工业机器人而不是人工？相信这个问题大家思考的次数并不少了。理想情况下，这应该是双赢的。想快速看到效果，你需要知道什么是别人最不喜欢的工作。想得最多的是那些重复的，乏味的工作，需要从工作人员那边进行大量单调的行动，这个思考是正确的，因为正是如此，例如从一个输送机到另一个输送机。如果总是相同的任务，您可以使用专门针对您的需求量身定制的自动化解决方案。工厂的工作处理需要越来越灵活，在这些情况下，正确的解决方案是：可以试用用于不同任务的可重新编程的机器人进行任务操作。此外，就是那些对人类工作有害的任务。（例如：用危险化学品进行表面处理，这是在有害环境中工作。在许多情况下，长期使用机器人比聘用工人更聪明和便宜。）当然，还有的是人类难以操作的工作。（例如：举或搬运重物或在不适合人类生活的条件下工作。）同样，在许多这些情况下，可以应用特定的自动化解决方案。然而，如果任务需要灵活性处理，还需要考虑要用到的机器人。以下是最常见的机器人应用程序列表：电弧焊、部件、涂层、去毛刺、压铸、造型、物料搬运、选择、码垛、打包、绘画、点焊、运输，仓储关于工业机器人的
机器人机械手的设计要求要点
机械手的设计要求 机械手总体结构的类型 工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下。 1.直角坐标机器人结构 直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的.由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（μm级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。 直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。 2.圆柱坐标机器人结构 圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。 3. 球坐标机器人结构 球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。 4. 关节型机器人结构 关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这
种类型的机器人。 手臂的设计要求 机器人手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机器人所要求的工作空间内的运动。在进行机器人手臂设计时，要遵循下述原则； 1.应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机器人运动学正逆运算简化，有利于机器人的控制。 2.机器人手臂的结构尺寸应满足机器人工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机器人手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求，如果对机器人手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。 3.为了提高机器人的运动速度与控制精度，应在保证机器人手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料，通常选用高强度铝合金制造机器人手臂。目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机器人手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的1/4，相当于铝合金的2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机器人手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机器人手臂的重量。 4.机器人各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。 5.机器人的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和提高机器人手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机器人的手臂时，应尽可能利用在机器人上安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。 6.机器人手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。 腰座结构的设计要求
柔性阵列式压力传感器的发展现状简介
航天器环境工程第26卷增刊112 SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 2009年12月柔性阵列式压力传感器的发展现状简介 杨 敏，陈 洪，李明海 （中国工程物理研究院总体工程研究所，绵阳 621900） 摘要：文章在介绍柔性阵列式压力传感器工作原理的基础上，概述了其国内外发展现状。着重介绍了美国Tekscan公司开发的基于矩阵的传感器技术和应用实例，以及中科院合肥智能机械研究所有关柔性传感器的研究现状、产品的性能指标等。文章的工作旨在为层合结构预紧接触压力/间隙测量选择有效、可行的测量系统。 关键词：压力传感器；柔性阵列；接触压力测量 中图分类号：V416.2 文献标识码：A 1 引言 物体间接触应力的测量与分析在许多行业的研究和发展中起着极其重要的作用，接触应力的理论与试验研究也一直是工程和力学的热门课题[1]。由于接触应力的理论分析很难准确，定量地应用于实际问题也有难度, 因而研制设计一种能直接测定接触界面力学参数的装置，实时地测量2个物体在接触面上的压力和应力的分布信息具有重要的意义。 柔性阵列式压力传感器，可用于任意2个柔性或柔/刚接触面表面作用力的分布检测，一般为平面结构。它不仅具有普通阵列式传感器的优点，还具有良好的柔韧性，可以自由弯曲甚至折叠，能够方便地对复杂表面形状的零件进行检测，广泛应用于接触式测量、无损检测、机器人、生物力学等领域[2]。 2 柔性阵列式压力传感器工作原理 柔性阵列式压力传感器属于电阻式传感器，其工作原理与普通电阻式传感器基本相同。即接触力作用在力敏电阻元件上，力敏电阻元件将物理量转化为电阻变化，通过变换电路又转换为电压变化从而得到相关的力信息[3]。现以美国Tekscan公司所研制的柔性阵列式压力传感器为例，对其工作原理进行简单介绍。标准的Tekscan压力传感器由2片很薄的聚酯薄膜组成，一片薄膜的内表面铺设若干行的带状导体，另一片内表面铺设若干列的带状导体；导体本身的宽度以及行间距可以根据不同的测量需要而设计；导体外表有特殊的压敏半导体材料涂层。当2片薄膜合为一体时，大量的横向导体和纵向导体的交叉点就形成了压力感应点阵列。当外力作用到这些感应点上时，半导体的阻值会随外力的变化而成比例变化，由此来反映感应点的压力值。当压力为0时，阻值最大；压力越大，阻值越小，从而可以反映出两接触面间的压力分布情况。通过扫描和测量每一个施力单元的电阻变化，确定表面力的幅值和时间特征，使用Tekscan的配套分析软件，得到实时二维或三维图像。传感器结构见图1，测量电路见图2[4]。 图1 Tekscan传感器结构 图2 测量电路简图
柔性薄膜压力传感器规格书-DF9-16
苏州能斯达电子科技有限公司 柔性薄膜压力传感器DF9-16系列 超薄，厚度小于0.3mm 响应速度快 寿命长，通过100万次以上按压测试 检测电路简单，易于集成应用 可定制传感器外形 可定制传感器量程参数 DF9-16系列柔性薄膜压力传感器是苏州能斯达电子拥有自主知识产权的柔性压力传感技术在柔韧轻薄材料上印刷附着力强、耐弯折、灵敏度高的柔性纳米功能材料，使其实现对压力的高灵敏度检测。 薄膜压力传感器是一种电阻式传感器，输出电阻随着施加在传感器表面压力的增大而减小，通过特定的压力-电阻关系，可以测量出压力大小。适用于柔性面的压力测量场景，可广泛应用于智能家居、消费电子、汽车电子、医疗设备、工业控制、智能机器人等领域。 DF9-16系列目前有500g、2kg、5kg、10kg、20kg 等不同量程型号产品。 尺寸规格 标识尺寸（mm） 长度16.0敏感区外径10.0敏感区内径7.5 Pin 脚距离 2.54公差 0.2 ?已通过ROHS 认证 产品特点 产品描述 尺寸表 尺寸图
性能指标 型号DF9-16@500g DF9-16@2kg DF9-16@5kg DF9-16@10kg DF9-16@20kg 量程500g2kg5kg10kg20kg 厚度<0.3mm 外观尺寸见尺寸表 响应点20g20g150g150g200g 重复性<±9.7%(60%负载) 一致性±10%（同一型号批次） 迟滞+10%(RF+-RF-)/RF+ 耐久性＞100万次 初始电阻＞10MΩ(无负载) 响应时间<1ms 恢复时间<15ms 测试电压典型值DC3.3V 工作温度-20℃-60℃ 电磁干扰EMI不产生 静电释放ESD不敏感 力敏特性 以下为DF9-16系列各型号柔性薄膜压力传感器的压力-电阻值曲线图。左侧图表显示了全部电阻范围内的压力-电阻值关系；右侧图表为左侧图标的局部细节展示，显示了电阻值在30kΩ以下的压力-电阻关系。 注意： 图表中曲线是在特定条件下测得的数据绘制而成，曲线关系仅供参考，实际数据请根据具体应用情况安装后测试。 DF9-16@500g DF9-16@2kg
基于机器学习的柔性触觉传感器设计
第32卷第3期2019年3月 传感技术学报 CHINESE JOUＲNAL OF SENSOＲS AND ACTUATOＲS Vol.32No.3 Mar．2019 项目来源：常州市科技计划项目（CJ20180016）；江苏省重点研发计划项目（BE2017007－1）；常州高技术重点实验室项目 （CM20183004） 收稿日期：2018－08－30修改日期：2019－01－14 Design of Flexible Tactile Sensor Based on Machine Learning * HAO Zhiliang 1，MA Gang 2，DONG Shuai 2，WANG Caiping 2，WANG Xiaojie 1， 2* （1．Engineering Ｒesearch Center of Automotive Electronics and Embedded System ，Chongqing University of Posts and Telecommunications ，Chongqing 400065，China ； 2．Institute of Advanced Manufacturing Technology ，Hefei Institute of Physical science ，Chinese academy of sciences ，Changzhou Jiangsu 213164，China ） Abstract ：A flexible tactile sensor that can effectively detect the pressure position is proposed and designed．A pres-sure sensitive soft material with large area are fabricated by using carbon nanotubes as conductive filler and polyure-thane as substrate．Meanwhile ， the signal acquisition circuit is set up based on the microprocessor STM32F103，multi-channel analog switch CD4051and impedance detection chip AD5933．The internal resistance information of the flexible material is collected by the electrodes placed at the boundary ， and the pressure position is detected by the machine learning classification algorithm．Experimental results indicate that the flexible sensor can detect the pressure position effectively ， the spatial resolution is 2．5cm ，and the accuracy is 83．63%．In addition ，the proposed flexible tactile sensor has no internal conductor ，simple structure ，and low cost that can be produced massively for practical applications． Key words ：flexible tactile sensor ；position detection ；carbon nanotube ；impedance measurement ；machine learning EEACC ：7230doi ：10．3969/j．issn．1004－1699．2019．03．005 基于机器学习的柔性触觉传感器设计 * 郝志良1 ，马 刚2 ，董 帅2，王彩萍2，王晓杰 1，2* （1．重庆邮电大学汽车电子与嵌入式系统工程研究中心，重庆400065；2．中国科学院合肥物质科学研究院先进制造技术研究所，江苏常州213164） 摘要：提出了一种有效检测压力位置的柔性触觉传感器设计方案。以碳纳米管为导电填料，以聚氨酯为基体，制备了一种 可大面积成型的柔性压敏材料。同时，采用微处理器STM32F103、多路模拟开关CD4051和阻抗测量芯片AD5933搭建了信号采集电路， 通过放置在边界的电极采集柔性材料内部的阻抗信息，利用机器学习分类算法检测压力位置。实验结果表明：柔性传感器能有效检测压力位置，空间分辨率为2．5cm ，准确率为83．63%。此外，提出的传感器内部无导线分布，结构简单，成本较低，易于大规模生产和应用。 关键词：柔性触觉传感器；位置检测；碳纳米管；阻抗测量；机器学习 中图分类号：TP212．1文献标识码：A 文章编号：1004－1699（2019）03－0346－05柔性传感器是一种用于感知表面作用力分布的 柔性器件， 因其优良的柔软性与伸展性，适用于贴附各种不规则表面， 在机器人皮肤、可穿戴设备、医疗检测等领域有广泛的应用前景 ［1－3］ 。随着机器人技术的不断发展， 应用于机器人皮肤的柔性触觉传感器引起了人们的广泛关注，其中阵列式柔性触觉传感器应用最为广泛 ［4－5］ 。Chang 等人［6］采用丝网印 刷技术将有机电阻印制在聚酰亚胺衬底上，成功研 发了一种用于多点触摸检测的柔性传感器。由于设计了具有凸起结构的顶膜， 该传感器具有较大的挠度和快速灵敏的响应特性。Tee 等人［7］ 利用压敏薄片和印刷环形振荡器制备一种可以将压力直接转化 为数字信号的机械感受器， 这种感受器可以集成在大面积柔性基体上， 其灵敏程度与人类皮肤可以相
浅谈柔性可穿戴传感器
浅谈柔性可穿戴传感器 随着人们进一步深入信息时代，5G通讯、大数据、云计算、万物互联的物联网、工业4.0等许多高新技术、新概念纷纷被提出。随着信息时代的应用需求越来越高，随之而来的是对于各种信息的广泛需求，这就对被测量信息的围、精度和稳定情况等各性能参数的期望值和理想化要求逐步提高。针对特殊环境与特殊信号下气体、压力、湿度的测量需求，普通传感器已经远远不能满足需求。新材料、新工艺和开发新型传感器与其它学科的交叉整合的传感器层出不穷。随着柔性基质材料的发展，具有透明、柔韧、延展、可自由弯曲甚至折叠、便于携带、可穿戴等特点的柔性传感器由于在医疗保健、健身运动、安全生产等领域的巨大潜力受到越来越大的关注。 可穿戴技术的新领域近年来发展迅速，已成为消费电子市场的重要竞争者。目前，全球可穿戴市场价值约300亿美元，估计到2023年和2026年分别增长100亿美元和150亿美元。大多数可用的可穿戴产品采用智能手表如Apple Watch和健身带的形式。可以为消费者提供有关活动、身体动作和一些消费者使用生命体征的信息。尽管取得了这些成功，但可穿戴设备在实际临床应用中的使用受到限制，主要是由于它们的准确性，有效性和可靠性有限。此外，现有设备的体积刚性和不灵活性质限制了使用的舒适性和持续时间。此外，传感器和数据处理以及分析硬件的高功耗限制了长期可操作性，并迫使开发人员牺牲精度以延长电池寿命。其他重要的限制包括用于传感器放置的有限位置，运动伪像以及处理/解释大量生成的数据。 一、柔性可穿戴传感器的材料 传统的传感器多是在刚性不可弯曲的衬底上制成的，其中具有硅衬底的传感器是最常见的传感器。尽管这些传感器具有广泛的应用领域，但有一些难以避免缺点，如刚度、不敏感、不可弯折等。而柔性可穿戴传感器则需要采用一些可弯折的柔性材料，得益于新材料、新工艺的发展，诸如可弯折的石墨烯、导电纱线或纤维纺织、有机高分子聚合物被纷纷采用。 传感器的材料取决于传感器的应用，可用性，制造总成本等因素。有机电子材料是材料方面的一个主要部门，已经大量被用于制造柔性可穿戴设备设备。用于柔性可穿戴设备的有机器件具有灵活性、体积可变、良好的稳定性、生物适应性良好等优点。这些类型的传感器已用于制造薄膜晶体管，离子泵，聚合物电极等。有机和大面积电子设备（OLAE）是使用功能性油墨开发以薄层印刷的电子器件的方法。用于这些操作的基材是主要的PET和PEN，因为它们与其它有机聚合物相比具有透明性和较低的成本。OLAE流程目前用于开发可穿戴的健康和医疗设备。PDMS、PEN、PI，P（VDF-TrFE），Parylene和Polypyrrole 的使用已经普遍用于开发柔性传感器针对不同的应用。传感器的电极部分也采用新型的导电材料，如碳基纳米材料和金属纳米颗粒。碳基纳米材料包括石墨烯，碳纳米管（CNTs）碳纤维等。在金属纳米粒子中银、金和镍是柔性可穿戴传感器中最常用的一些金属纳米材料。聚二甲基硅氧烷（PDMS），聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN），聚酰亚胺（PI）是通常用于开发柔性传感器的一些绝缘基板。这些聚合物材料的差异在于它们的氏模量，折射率等。有一些导电聚合物如聚（3,4-亚乙二氧基噻吩）、聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）、聚乙炔、聚苯胺与绝缘聚合物相比，由于其较低的带隙而导电。这些聚合物主要用于开发太阳能电池、电池。在碳纳米管CNT中，使用单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT）在不同的传感器件也得到部分应用。制造柔性传感器的工艺有很多，其中光刻，丝网印刷，喷墨印刷，激光切割是一些常见的方法。根据柔性传感器的的尺寸来确定制造传感器原型的工艺。 二、感测指标类型
工业机器人的传感器
工业机器人的传感器 一.工业机器人的感觉系统 工业机器人的传感器主要分为:1、工业机器人的感觉系统2 、工业机器人内部传感器3 、工业机器人外部传感器4 、工业机器人传感器应用 其中工业机器人的感觉系统的基本组成为:视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉、平衡感觉与其她,而工业机器人传感器按用途可分为内部传感器与外部传感器。其中内部传感器装在操作机上,包括位移、速度、加速度传感器,就是为了检测机器人操作机内部状态,在伺服控制系统中作为反馈信号。外部传感器,如视觉、触觉、力觉距离等传感器,就是为了检测作业对象及环境与机器人的联系。工业机器人传感器的一般要求有精度高、重复性好,稳定性与可靠性好,抗干扰能力强,质量轻、体积小、安装方便。其特定要求有适应加工任务要求,满足机器人控制的要求,满足安全性要求以及其它辅助工作的要求。 二.工业机器人内部传感器 在工业机器人内部传感器中,位置传感器与速度传感器,就是当今机器人反馈控制中不可缺少的元件。现已有多种传感器大量生产,但倾斜角传感器、方位角传感器及振动传感器等用作机器人内部传感器的时间不长,其性能尚需进一步改进。内部传感器功能分类有:
1）规定位置、规定角度的检测 检测预先规定的位置或角度,可以用开/关两个状态值,用于检测机器人的起始原点、越限位置或确定位置。 微型开关:规定的位移或力作用到微型开关的可动部分(称为执行器)时,开关的电气触点断开或接通。限位开关通常装在盒里,以防外力的作用与水、油、尘埃的侵蚀。 光电开关:光电开关就是由LED光源与光敏二极管或光敏晶体管等光敏元件组成,相隔一定距离而构成的透光式开关。当光由基准位置的遮光片通过光源与光敏元件的缝隙时,光射不到光敏元件上,而起到开关的作用 2)位置、角度测量 测量机器人关节线位移与角位移的传感器就是机器人位置反馈控制中必不可少的元件。 a)电位器 b)旋转变压器 c)编码器 3）速度、角速度测量 速度、角速度测量就是驱动器反馈控制必不可少的环节。 有时也利用测位移传感器测量速度及检测单位采样时间位移量,但这种方法有其局限性:低速时测量不稳定的危险;高速时,只能获得较低的测量精度。
机器人腕部结构
1、定义:腕部是臂部和手部的连接件，起支承手部和改变手部姿态的作用。 2、手腕的自由度： ?为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z的旋 转运动。这便是腕部运动的三个自由度，分别称为翻转R（Roll）、俯仰P（Pitch）和偏转Y（Yaw）。 ?并不是所有的手腕都必须具备三个自由度，而是根据实际使用的工作性能要求来确 定。 腕部坐标系手腕的偏转 手腕的仰俯手腕的回转 3、手腕的设计要求 ?结构紧凑、重量轻； ?动作灵活、平稳，定位精度高； ?强度、刚度高； ?与臂部及手部的连接部位的合理连接结构，传感器和驱动装置的合理布局及安装等。 4、手腕的分类 （1）二自由度手腕： 可以由一个R关节和一个B关节联合构成BR关节实现，或由两个B关节组成BB关节实现，但不能由两个RR关节构成二自由度手腕，因为两个R关节的功能是重复的，实际上只起到单自由度的作用。
BR手腕BB手腕 RR手腕（属于单自由度） （2）三自由度手腕： 有R关节和B关节的组合构成的三自由度手腕可以有多种型式，实现翻转、俯仰和偏转功能。 BBR手腕BRR手腕 5.按手腕的驱动方式分： ?直接驱动手腕： ?驱动源直接装在手腕上。这种直接驱动手腕的关键是能否设计和加工出尺寸 小、重量轻而驱动扭矩大、驱动性能好的驱动电机或液压马达。 ?远距离传动手腕： ?有时为了保证具有足够大的驱动力，驱动装置又不能做得足够小，同时也为 了减轻手腕的重量，采用远距离的驱动方式，可以实现三个自由度的运动。
液压直接驱动BBR手腕图例 远距离传动手腕图例 6、典型结构 （1）摆动液压缸（又称回转液压缸）： ?结构： ?由缸体、隔板、叶片、花键套等主要部件构成。其中叶片7固定在转子上， 用花键将转子与驱动轴连接，用螺栓2将隔板与缸体连接。 ?工作原理： ?在密封的缸体内，隔板与活动叶片之间围成两个油腔，相当油缸中的无杆腔 和有杆腔。液压力作用在活动叶片的端面上，对传动轴中心产生力矩使被驱
触觉传感器大作业
机器人触觉传感器概况 姓名：徐乾荣学号：140231 1.1背景介绍 触觉是人与外界环境直接接触时的重要感觉功能，研制满足要求的触觉传感器是机器人发展中的技术关键之一。随着微电子技术的发展和各种有机材料的出现，已经提出了多种多样的触觉传感器的研制方案，但目前大都属于实验室阶段，达到产品化的不多。 现代工业的高度自动化以及电子工业的迅猛发展，使得机器人在各领域的应用更加广泛和深入。实现机器人智能化的关键是模拟人类五官感知功能的传感器的研究设计。触觉传感技术作为实现智能机器人技术的关键因素之一，不仅仅是视觉的一种补充，它与视觉一样，都是模拟人的感觉，是实现机器人与环境直接作用的必须媒介。 1.2机器人触觉传感器国外研究现状 国外学者对机器人触觉传感技术较系统的研究开始于上世纪70年代，目前国外触觉传感技术研究已经取得很大成果。 2002年，美国科研人员在内窥镜手术的导管顶部安装触觉传感器，可检测疾病组织的刚度，根据组织柔软度施加合适的力度，保证手术操作的安全。2008年，日本Kazuto Takashima等人设计了压电三维力触觉传感器，将其安装在机器人灵巧手指端，并建立了肝脏模拟界面，外科医生可以通过对机器人灵巧手的控制，感受肝脏病变部位的信息，进行封闭式手术。2009年，德国菲劳恩霍夫制造技术和应用材料研究院的马库斯-梅瓦尔研制出新型触觉系统的章鱼水下机器人，可精确地感知障碍物状况，可以自动完成海底环境的勘测工作。 1.3机器人触觉传感器国内研究现状 国内对机器人触觉传感技术的研究起步较晚，受到客观条件的限制，在1987年国家863计划开始实施以后才加快研究步伐。在863计划的支持下，东南大学、北京理工大学，中科院合肥智能所等单位在90年代初相继开展了各有特色的研究，并取得了一定的成果。1.4触觉传感器分类 机器人感知能力的技术研究中，触觉类传感器极其重要。触觉类的传感器研究有广义和狭义之分。广义的触觉包括触觉、压觉、力觉、滑觉、冷热觉等。狭义的触觉包括机械手与对象接触面上的力感觉。从功能的角度分类，触觉传感器大致可分为接触觉传感器、力－力矩觉传感器、压觉传感器和滑觉传感器等。