现代传感器技术基础及应用人工皮肤触觉.pptx

触觉传感器发展触觉传感器用于机器人中模仿触觉功效传感器。触觉是人与外界环境直接接触时主要感觉功效，研制满足要求触觉传感器是机器人发展中技术关键之一。伴随微电子技术发展和各种有机材料出现，已经提出了各种多样触觉传感器研制方案，但当前大都属于试验室阶段，到达产品化不多。11现代传感器技术基础及应用人工皮肤触觉第1页

触觉传感器22现代传感器技术基础及应用人工皮肤触觉第2页

触觉传感器33现代传感器技术基础及应用人工皮肤触觉第3页

7.5.1人工皮肤结构人工皮肤是指利用工程学和细胞生物学原理和方法，在体外人工研制皮肤代用具，用来修复、替换缺损皮肤组织。人工皮肤高度近似人类皮肤，在治疗烧伤、烫伤方面含有减轻患者疼痛，愈后不留瘢痕特效，而且对治疗糖尿病足等长久难愈性溃疡含有良好疗效。44现代传感器技术基础及应用人工皮肤触觉第4页

7.5人工皮肤触觉人工皮肤触觉是集触觉、压觉、滑觉和热觉于一体多功效复合传感器，以PVDF为敏感材料，模仿人皮肤，有柔顺接触表面和滑、触、热感知，经过各触元输出信号获取相关信息。55现代传感器技术基础及应用人工皮肤触觉第5页

7.5.1人工皮肤结构66现代传感器技术基础及应用人工皮肤触觉第6页

7.5.1人工皮肤结构如图7-28，人工皮肤是一个层状结构。表皮是一层柔软带有圆锥体小齿橡胶包封表皮，上下两层PVDF为敏感层，上层PVDF薄膜镀整片金属电极，下层PVDF膜电极为条状金属膜，经过硅导电橡胶引线接电极板上。上下PVDF层间加有电加热层和柔性隔热层。77现代传感器技术基础及应用人工皮肤触觉第7页

7.5.1人工皮肤结构电加热层使表皮保持在适当温度（50-70度），进行恒温控制或是恒功率加热，可利用PVDF热释电性来测量被接触物体导热性能。柔顺隔热层将上层热觉测试和下层触觉、滑觉和滑移距离测试隔开。88现代传感器技术基础及应用人工皮肤触觉第8页

7.5.1人工皮肤结构加热层是厚度小于1mm导电橡胶，电阻值为100~150Ω，两边用导电胶与金属极粘结固定。当电极间加12V电压后，功率为1W左右，环境温度为20摄氏度时，人工皮肤表皮温度为52度（热动态平衡）。99现代传感器技术基础及应用人工皮肤触觉第9页

7.5.1人工皮肤结构当人工皮肤接触物体后发生热传导，表皮温度下降。上层PVDF有触压和热觉混合输出信号，而下层PVDF，因有隔热层保护，只输出触压信号，而且当物体滑动时，可检测滑动。依据条状电极输出信号特征和触压区域转移，可推得物体滑移距离。由上下层PVDF输出信号综合处理能够区分热觉和触觉信号。1010现代传感器技术基础及应用人工皮肤触觉第10页

7.5.2信号检测图7—29为PVDF敏感信号采样电路图：1111现代传感器技术基础及应用人工皮肤触觉第11页

7.5.2信号检测电荷放大器采取高阻抗MOSFET输入型高精度放大器，反馈回路由云母电容并接反馈电阻R=100MΩ组成。电路采取多路模拟开关，完成上层PVDF面和下层PVDF各条之间采样切换。每次采样后，闭合一次使放大器复位，以确保每次读数起点一致。A/D转换采取逐次比较方式A/D转换芯片。1212现代传感器技术基础及应用人工皮肤触觉第12页

7.5.2信号检测因为电路性能不稳定和模拟开关切换对电荷放大器影响，输出信号存在漂移和噪声干扰。为滤除干扰，可采取二次采样器，对第i个信号源采样后，间隔时间T后，不去采样第i+1个信号源，而依然采样第i个信号源。第一次采样值为F(I),第二次采样值为S(I),则重构信号值为R(I)=F(I)+[F(I)-S(I)]1313现代传感器技术基础及应用人工皮肤触觉第13页

7.5.2信号检测这种二次采样方式，即使采样时间间隔延长一倍，使响应频率降低，但输出信号消除了模拟开关切换影响，阻止了漂移和噪声干扰。1414现代传感器技术基础及应用人工皮肤触觉第14页

7.5.3信号提取当人工皮肤表面触压物体时，上层PVDF产生触觉和热觉混合信息，如图7-30（a）1515现代传感器技术基础及应用人工皮肤触觉第15页

7.5.3信号提取这一混合信号可分解为触觉信号（虚线）和热觉信号（实线）。普通触觉信号响应和衰减均比较快，而热觉信号为缓变低频信号。下层PVDF条产生单一触觉信号，图（b）。最简单信号处理方法就是将(a)和(b)两信号做百分比减法运算，彻底区分触觉和热觉信号。1616现代传感器技术基础及应用人工皮肤触觉第16页

7.5.3信号提取1.提取触觉信号通常采取阈值法，对输出信号设置一个触觉阈值，大于阈值判为接触，小于阈值判为噪声。2.提取热觉信号用热觉信号上升斜率作为特征值判别被测物体导热性。3.滑觉信号含糊