感测资讯撷取与分析模组.doc

子計畫名稱：機器人用壓力分佈感測模組開發 子計畫代號：84531Q2240 目 錄 中英文摘要………………………………………………………………………………….. 1 1.技術規格說明 4 2.壓力分佈感測模組測試與原理說明 6 2.1 壓力感測元件(製程原理及整合) 6 2.2 感測元件實作測試 6 2.3 電路設計 6 2.4 實作測試結果 6 3. 機器人適型合扣機構模組 7 4. 感測資訊擷取與分析模組 8 4.1 運作及訊號處理流程 8 4.2 訊號擷取模組設計架構 8 4.3 電路設計 8 4.4 訊號擷取程式架構 8 4.5 整合實作測試及結果 8 5. ZMP軌跡分析 9 5.1 ZMP軌跡模擬 9 5.2 ZMP軌跡分析比較 9 6. 討論及建議 10 圖 表 目 錄 圖 1. 機器人用壓力分佈感測模組系統架構圖 5 圖 2. FSR形式之壓力分佈感測模組之設計示意圖 6 圖 3. 壓電點陣列元件形式之壓力分佈感測模組之設計示意圖 7 圖 4. 壓力感測系統之運作及訊號處理流程 7 圖 5. 工作流程說明 11 表 1. 兩足腳步壓力感測機器人規格表 4 表 2. 壓力分佈感測模組（FSR）之規格 6 表 3. 系統運作流程功能說明 8 表 4. 感測資訊擷取與分析模組規格 9 表 5. 本計畫各工作項目時程規劃 12 表 6. 機器人用壓力分不感測模組開發進度時程規劃 13 摘要 從人類科技發展的歷史觀察，驅使科技進步的原動力來自於如何使人類的生活與環境提昇，達到更便利、舒適與環保的目的。因此，科技與人類之間的互動日漸頻繁，例如電腦、手機、家電用品等。科技與人類之所以能有互動在於介面(Interface)的設計，如何能將訊息輸入與輸出(Input/Output)為最重要的目的，隨著資訊科技的精進，科技與人類之介面將趨於更自然與方便性。人類的感知來自於五種知覺：視覺、聽覺、味覺、嗅覺與觸覺，其中以視覺、聽覺與觸覺為最普遍的介面，但觸覺則為最直接的感知源，人類於接觸時可獲得物體表面的物理性質，如接觸時的作用力/壓力的大小、空間上分佈、待測物體的形狀及位置、物體表面的紋路質地、溫度、硬/軟度或溼度等特性。 因此，觸覺感測器(Tactile Sensor) 仍不斷地以仿生的角度持續開發中，傳統的觸覺感測器大多是建構在不可撓曲的基材上諸如矽基板或是玻璃基板等，但是由於待測物體可能為平面、曲面等不規則面，使其應用較為受限。然而，近年來由於有機導體與有機半導體材料的發展突飛猛進，使建構在可撓曲之高分子基材上的軟性電子(Flexible Electronics)概念變為極為可行，因此觸覺感測器的發展開始朝向可撓曲化，使觸覺感測器得以擴展其應用領域。 所以此次研究目的為將預先製作好之觸覺感測器應用在機器人足底上，使機器人於行進時能根據足底受力不同之情形，將訊號輸出並透過程式語言處理後及時回饋至機器人上，使其能調整行進時的狀態，而本研究所採用之觸覺感測器是以壓電感測方式的觸覺感測器，其無須額外的電力提供，純粹乃機械能轉電能之被動式感測器，此項優點提供了穿戴式感測器(wearable sensor)的可能性，其中高分子壓電材料聚偏二氟乙烯（polyvinylidene fluoride, PVDF），除了擁有可撓曲的特性外，且應力與輸出電壓之線性度佳、對於重複性施載亦有低遲滯效應的特性，相當適合做為軟性觸覺感測器的感測材料。 1.技術規格說明 機器人用壓力分佈感測模組應用技術是整合許多現有先進技術的一門學問，包含壓力分佈感測模組、機器人適型合扣機構模組、感測資訊擷取與分析模組目的不同整合所需之技術，是一項受到矚目的新興發展產業。 本計畫機器人用壓力分佈感測模組開發目標規格如下： 壓力分佈感測模組：本模組應至少包含5×3壓力感測陣列與其包覆，力量測值 5~500g，訊號量測反應時間10ms。 機器人適型合扣機構模組：本模組類似鞋子的功能主要作用為，將壓力感測模組與機器人的足部做緊密的契合，使其可以量測機器人足底充分之壓力分佈資訊，且不影響機器人之行動能力。 感測資訊擷取與分析模組：壓力感測器將量測之壓力物理量，轉換成為類比電壓訊號，本模組則是將該電壓訊號提升至一特定準位，以利類比數位轉換器作取樣轉換，並將取樣轉換後之數位訊號，傳送至微處理器中進行分析處理，可將壓力分佈之資訊，比對為機器人步態與姿態之資訊和地面凹凸之情形，可作為機器人站立及行走平衡控制之依據。 ZMP軌跡分析：腳在接觸地面時有反作用力也會產生力矩。若存在一點其反作用力、慣性力的淨力矩和為零的點稱之為零力矩點ZMP（Zero Moment Position），能夠知道重心的位置，就可以了解機器人的平衡點，如果ZMP落在腳掌的範圍裡面，則機器人可以穩定的