论文总字数：25053字

摘 要

机器人感知技术是机器人智能决策与自动控制的基础与支撑，力觉感知、触觉感知与视觉感知共同构成了机器人感知的核心内容。然而，在很多特殊情况下，单一的视觉传感器难以准确地获取环境目标的运动位置与物理特性，特别是在环境光线不足或者要对环境目标进行精确操控的情况下，力觉、触觉信息成为必不可少的信息。

本课题总结了触觉传感器技术的研究历史、发展方向和固有问题，结合国内外的各种研究数据和测试实验，制作了一种基于导电橡胶的小型柔性阵列式触觉传感器，设计并构建完整的数据获取和分析系统，包括硬件结构的搭建、软件代码编写和调试。自主设计小型校准装置，对所设计的触觉传感器进行标定和测试，获取其动态特性和静态特性。同时与已有的Flexiforce触觉传感器进行性能对比分析，验证用导电橡胶为敏感材料制作触觉传感器的可行性及优缺点。根据测试结果，选取合适的触觉传感器，设计简易的触须传感器，实现对接触状态的检测。最后将触觉传感器与触须传感器集成到已有的遥操作系统中，并为遥操作提供触觉信息，构建基于触觉、视觉、力觉传感器的多感知型机器人实验验证系统。

关键词：机器人；触觉；传感器；多感知；系统集成

The design and integration of tactile sensor for perception robot

ABSTRACT

Robotic perceptual technology is the foundation and support of intelligent dscision-making and automatic-controlling. Haptic perception, tactile perception and visual perception constitute the core of robot perception. However, in many special cases, just with a single vision sensor, it’s difficult to obtain the accurate motion position and physical characteristics of environmental objectives, especially when the environment ray is dark or when we need to manipulate the environmental object precisely. Therefore, haptic and tactile information is of vital significance.

Analyzing the research status, development trend, and existential questions of tactile sensor, combined with lots of domestic and foreign research experience and test data, a kind of small flexible array tactile sensor is developed in this paper, which is made of conductive rubber. Meanwhile, a complete system is designed to obtain and analyze data, including hardware and software, writing and debugging code. What’s more, a small calibration device is designed to calibrating and testing the sensor, with which we can obtain the static and dynamic characteristics. Then，a confrontation is made between the new sensor and existential sensor-Flexiforce, with which we can know whether it’s feasible to make tactile sensor with conductive rubber and whether it’s suitable to make whisker sensor. According to the result, select a suitable sensor to design the structure of whisker sensor, which can detect whether it has touched something. Finally, it is important to integrate the tactile sensor and whisker sensor to the teleoperation system to provide tactile information, constructing an experimental verification system for the perception robot, based on visual, tactile and force sensors.

Keywords: Robot;Tactile; Sensor; Multi-sensory; System integration

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 本项目的提出及研究意义 1

1.3 触觉传感技术研究发展历史 1

1.3.1 触觉传感的定义 1

1.3.2 触觉传感发展历程及主要特点 1

1.3.3 存在的问题及原因 2

1.4 国内外研究的现状 2

1.5 触觉传感技术发展的新趋势 4

1.6 本项目研究的主要内容 5

第2章 结构设计 6

2.1 柔性触觉阵列传感器设计 6

2.1.1 触觉传感原理分析 6

2.1.2 敏感材料选取 6

2.1.3 结构设计 7

2.2 触须传感器设计 8

2.2.1 触须传感器原理 8

2.2.2 材料选择 8

2.2.3 触须传感器结构设计 8

2.3 标定装置设计 9

2.3.1 设计原理 9

2.3.2 材料选择 10

2.3.3 装置组成 10

2.3.4 注意事项 10

2.4 本章小结 11

第3章 数据信息获取与分析处理系统 12

3.2 硬件设备 12

3.2.1 采集电路 12

3.2.2 数据转换 13

3.3 软件系统 14

3.3.1 程序结构 14

3.3.2 软件介绍 15

3.3.3 软件展示 17

3.4 本章小结 17

第4章 传感器测试 18

4.1 触觉传感器调试 18

4.1.1 测试步骤 18

4.1.2 测试结果 19

4.1.3 与Flexiforce传感器对比 22

4.2 触须传感器测试 23

4.2.1 测试过程 23

4.3 调试过程中遇到的问题及解决方法 24

4.4 改进想法 25

4.5 本章小结 25

第5章 感知型机器人系统 26

5.1 系统介绍 26

5.2 感知信息的获取 27

5.3 系统测试 28

5.4 本章小结 29

第6章 全文总结 30

致谢 31

参考文献 32

绪论

引言

机器人感知技术是机器人智能决策与控制的基础与支撑，力觉感知、触觉感知与视觉感知共同构成了机器人感知的核心内容。多传感器为机器人提供与其所处周围环境特征相关的传感信息，而机器人对信息的感知能力是其能否做出正确行为决策的基础。人类拥有复杂的感官系统来获取外界信息，其中80%是通过视觉系统获得的，另外大约20%通过触觉、听觉、味觉等获得，其中触觉于其分布面积广，因此占据的比重更大一些，对机器人来说也不例外。视觉传感可以为机器人提供大部分信息，但是由于环境信息的多样性和单一传感器测量的不完备或不准确，仅仅靠视觉是无法对环境进行全面感知，难以准确获取环境目标的运动位置与物理特性，特别要对环境目标进行准确操控的情况下，此时力觉、触觉信息的提供就显得尤为重要。而且，视觉系统成本相对较高，控制过程复杂，对环境条件要求较高，局限性大，特别是在光线不足或者存在障碍物的地方，比如零重力、高真空、无漫反射的外太空，就无法获得准确的视觉信息。与视觉系统相比，触觉系统简单，成本低，对环境要求小，分布灵活，应用范围更广，有着视觉传感器无法替代的作用。因此研究准确高效的触觉传感器有着广泛的应用前景，对工业、农业以及航空航天等领域有极大的意义。

本项目的提出及研究意义

本项目针对于感知型机器人进行触觉传感器的研发，包括柔性阵列触觉传感器和触须传感器，并应用于小型机械臂的控制中，构建感知性机器人实验验证系统，在多模式网络化的基础上，实现对机器人的遥操作，从而实现感知型机器人与环境的智能交互以及对物体的精确操作。不仅能够极大地促进机器人力觉、触觉传感技术的研究，而且有望促进机器人对环境的全面感知，提高感知型机器人的智能化程度。可以预见，高精度的触觉感知机器人的实现，不仅能够有效提高我国智能化机器人的水平，而且可以完成空间恶劣环境下复杂的在轨任务，如：空间碎片的识别与捕获、空间站维护、空间样本提取等等，对我国的航天事业有着极大的意义。

触觉传感技术研究发展历史

触觉传感的定义

触觉传感器是对人类触觉感觉的模拟，它可以检测与之相接触的外界物体的各类参数，例如触觉、压力、温度、摩擦力等等。它可以将抽象的感官触觉转换为可检测的信号量，并从中提取到有效信息，主要的功能有检测和识别。每一个独立的触觉感受体称为一个触觉敏感元 (触元)，由多个触元组成并以阵列的形式排列的称为触觉传感器阵列，与视觉图像相类似，通过触元的阵列式分布可以获得传感器与物体相互接触的二维力分布函数^[1]，即触觉图像。

触觉传感发展历程及主要特点

资料显示，传感器技术的发展过程大致如下：首先提出概念，运用多种物理方法进行试验并进行传感器的设计；然后通过分析建立实验模型并不断改进；然后进行应用创新、对比、评估；最后经过多次改造，进行商业化应用。触觉传感器也不例外。根据Lee的相关研究显示，19世纪70年代，对于机器人触觉传感技术的研究就已经开始出现，此时国外已提出相关的概念并着手研究^[2]，但是这个阶段研制出的成品传感器很少，研究范围也很窄，仅仅是初步阶段。

80年代，触觉传感器的研究快速增长，不断发展，此期间对传感器的结构设计、传导原理等进行了大量的实验，同时，研制出的传感器能检测物体的各种属性，比如形状、大小、是否存在、作用力以及温度。但是要感知表面纹理、硬度、粘度等物理属性要更困难一些^[3]。借鉴视觉图像的处理方法，对于触觉信号的处理可以通过把触觉阵列检测到的二维数据当做一副静态图像，分析图像中像素点的值以及形状，提取所需数据。同时，对动态信号的研究也有所突破，类比于主动视觉，开始研究主动触觉。90 年代，触觉传感技术的研究特点有：(1)更好的工艺和新材料。对于传感器的封装、传感器的特性与操作有了更加深入的认识、对新材料、柔性接触特征等展开了更加深入的研究。(2)对传感器作用的进一步理解。传感器可以检测细小纹理、压力改变、动态滑动的各种状态以及接触时间。而且，刚性接触对一些物理特性的检测十分必要。 (3)改进了机器人手的灵巧性，尤其是用多指手操作物体。很显然，90年代对于触觉传感器的研究不仅没有减少，反而向更大范围内扩展，仅仅是从工业领域转向自然系统。

存在的问题及原因

经过几十年的展，触觉传感技术逐渐走向成熟，但相比于视觉传感器来说，发展速度相对缓慢，依旧面临很多困难，比如：触觉传感器目前大多停滞在实验室的研发阶段，在传感器的应用领域和商业化的推广上明显有些滞后，对于触觉传感器的研究目前仅仅是处于试验阶段，没有得到很好的推广和应用；对于仿生学上触觉的机理理解不够透彻，在其原理的研究上基本没有新的进展；由于存在材料限制的问题，现有触觉传感器的性能普遍不高，功能性能较为单一；在传感器研究和实验的过程中，稳定性与准确性难以得到保证，不具有通用性、可靠性、耐用性等优良性能；缺少有效的驱动力，尤其是视觉传感大范围应用的情况下。

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