基于RMA的触觉信息采集和分析系统

论文总字数：21619字

摘 要

触觉信息采集与分析系统是为了获取物体表面所受压力状态而设计的系统，在机器人系统、虚拟现实和可穿戴设备等方面都可以有很广泛的应用。触觉信息采集系统的核心与关键在于快速而准确地读取出电阻式传感器阵列中的电阻阻值。

之前的研究中已经提出的TDCA、MOAA和IMA方案是3种设计思路不同的电阻式传感器阵列读取策略。虽然在设计和使用的元器件上各有不同，但是都存在着电路复杂，电子元件互相干扰并引入误差的问题。由Lin Shu、Xiaoming Tao和David Dagen Feng在IEEE传感器学报上提出的一种新的电阻阵列的读取策略，称为RMA方案。由于原理设计上的创新而能够在降低电路复杂度的同时保持了高精确度和优秀的性能。

本文主要是在简要介绍RMA方案的测量与设计原理后，对其进行仿真和实物验证，验证其方案的可行性并且对影响其性能的几个方面进行探究与评估，包括ADC的精度、参考电阻和串扰电流等。在对仿真和实验的结果进行分析的同时也会与上述3种方案进行对比并给出结论，如电阻阵列的容量和扫描速率等问题。在本文的最后会简单论述RMA这种测量方案与实际应用场景的关系，并对其应用前景进行一些展望。

关键词：触觉信息采集，可穿戴设备，RMA方案，读取策略

Abstract

Tactile information collection and analysis system is designed to obtain the surface pressure on the surface of an object, which can have a very wide range of applications in robotic systems, virtual reality and wearable equipment. The fundamental of tactile information collection system is fast and accurate reading the resistance of resistive sensor arrays.

Previous studies have proposed TDCA, MOAA and IMA, which are three kinds of different design ideas resistive sensor array read policy. Although the design and use of components vary, but circuits complexity, electronic components interfere with each other and introduce errors are problems. Lin Shu, Xiaoming and David Dagen Feng Tao address a new approach in the IEEE Sensor Journal, called RMA approach. Due to the innovative principles of design, RMA is capable of reducing circuit complexity while maintaining high accuracy and excellent performance.

After give a briefly introduction to the design principles of RMA approach, this artical is about the simulation and physical verification to verify the feasibility of the approach and discuss impacts from several aspects, including accuracy of the ADC, the reference resistor and crosstalk current. In the results of simulation and experimental analysis but also the above-mentioned three kinds of programs are compared and conclusions are given, such as capacity and resistor array scan rate and other issues. In the final article we will briefly discuss the relationship of this RMA measurement solutions and practical application scenarios, and some prospects for its application prospects

Key Words: Tactile information collection; wearable devices; RMA approach; Readout Strategies

目录

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 论文研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 TDCA的基本原理与优缺点 2

1.2.2 MOAA的基本原理与优缺点 2

1.2.3 IMA的基本原理和优缺点 3

1.2.4 比较与小结 4

第二章 RMA方案的基本原理和设计 5

2.1引言 5

2.2 RMA方案的原理介绍 5

2.2.1 方案设计简介 5

2.2.2 电阻矩阵解算和公式推导 6

2.3 系统架构介绍与优点分析 6

第三章 仿真实验设计与结果分析 8

3.1 引言 8

3.2 仿真工具介绍 8

3.3 仿真电路设计 8

3.4 仿真结果分析 9

3.4.1对由ADC精度引起的影响的仿真探究 9

3.4.2对由参考电阻引起的影响的仿真探究 11

3.4.3对由串扰引起的影响的仿真探究 13

3.5 本章小结 14

第四章 实物验证和结果分析 15

4.1引言 15

4.2 实物验证组成介绍 15

4.2.1 电阻阵列的实现 15

4.2.2 微处理器的选型与性能介绍 16

4.2.3 软件环境简介 16

4.3 程序设计 17

4.4 实验结果及其分析 17

第五章 总结与展望 19

5.1 全文总结 19

5.2 未来展望 19

致谢 20

第一章 绪论

1.1 论文研究背景及意义

触觉是生物对外界刺激做出反馈的基础之一，生物依靠触觉来感知外界物体的位置、形状、温度、粗糙度等信息^[1]。触觉中最基础的就是对表面所受的压力进行感知。随着机器人技术和传感器技术的产生与发展，设计并实现出一整套将物体表面的压力信息转化成可处理的电信号的系统就变得十分有必要。早在上个世纪八九十年代就有许多关于此方面的研究并产生了许多成熟的成果与应用。随后，相关技术不仅限于机器人领域，也开始在新的领域找到用武之地，尤其是近年掀起的可穿戴浪潮不仅使对相关技术继续研究和改进有持续的推动作用而且提出了新的要求。例如将整个触觉信息采集系统整合入可以穿戴的织物中，就可以在患者的生理状况监测，虚拟现实体验等方面获得极大的应用。据报道：2011年全球大约有360000台手术是由机器人完成的^[2]。如果不能设计出有效地收集触觉信息的系统就无法实现这些成就。

压敏电阻具有随着受力而改变电阻值的特性，电阻式传感器阵列由于稳定性好，成本低而且接口电路易于实现等优势在可穿戴的触觉反馈设备中得到了广泛应用。尤其是FSR（Force-sensing resistor）这种随着有效表面上压力增大而输出阻值减小的高分子薄膜的出现和使用，不仅灵敏度得到了保证而且也便于做成类似于皮肤的薄膜型传感器阵列。电阻式传感器本身的形状和性能并不是影响能否将该系统应用于可穿戴设备的唯一因素。电阻式传感阵列本身存在着串扰和表面应力的干扰，设计出有效的阻值读取策略可以简化系统设计，减少所使用的元器件数量，进而更能满足可穿戴设备的要求。

本文所讨论的主要内容是一种基于RMA^[3]的触觉反馈系统设计，RMA(resistance matrix approach)是一种新提出的电阻阵列阻值读取策略，该方法的优点在于不需要通过引入其它元器件来消除串扰带来的影响，在原理上允许串扰电流的存在。设计简单而且易于实现，可以有效地降低系统整体的复杂度，提高系统的稳定性。本文根据RMA方案的基本原理，使用Multisim等电路仿真软件设计了仿真电路系统，对采用RMA方案的电阻式传感器阵列的性能与特性进行了测试与验证。具体内容包括探究ADC的精度，参考电阻，串扰等方面的影响，并且在最后进行了简单的实物验证。论文也将按照这一基本思路进行，首先简单介绍RMA方案的基本原理、设计思路与优点，之后的内容是仿真测试和实物验证，在最后会给出结论。

1.2 国内外研究现状

关于用于触觉信息采集系统的电阻式传感器阵列的研究在国内外都有比较丰硕的成果，这些研究侧重点各不相同，有的偏向于理论分析，有的偏向于实际问题，没有全面而系统地建立一个公认的技术体系。本文的中心与着眼点在于电阻阵列的数值读取策略的设计，在之前的研究中从阻值读取策略上看，大致可以分为以下三大类：使用二极管或三极管进行控制的TDCA方法^[4]-[6]、多路转接和使用运算放大器的MOAA^[7]-[11]方法，基于关联矩阵的IMA^[12]-[15]方法。以上的三种方法虽然具体做法不甚相同，系统复杂度与实现的效果也不尽相同，但是基本思路都是通过引入额外的元器件来减小串扰带来的干扰，这样都会在不同程度上引入新的干扰，无法达到令人满意的效果。接下来会简要介绍MOAA、TDCA、IMA这三种方法的基本原理和优缺点。

1.2.1 TDCA的基本原理与优缺点

TDCA（transistor/diode controlled approach）为了减小误差和其它电阻的干扰，采用的方法是在每个电阻式传感器前加入一个二极管或三极管，通过控制二极管或三极管的通断使传感器在没有被测量时处于与电路隔离的状态，从而避免额外的干扰（具体设计如图1所示）。这种方案的原理要求测量某一特定的电阻值时，该电阻所处的列应接入高电平，所处行应接入低电平。这意味着需要占用更多的IO口资源和降低端口扫描的速率，因此程序复杂度提高并且影响了电阻阵列的容量。其次，即使二极管或三极管处于关闭状态，仍有微小的漏电流对测量结果产生干扰。

图 1^[3]TDCA方案原理图

1.2.2 MOAA的基本原理与优缺点

MOAA（multiplexer and op-amp assisted approach）的设计思路依旧是通过开关来控制电阻阻值的读取，与TDCA方案不同的是采用多路开关和运算放大器控制行与列的选择来接入需要测量的电阻。每行通过一个多路开关接至同一个V_cc，微处理器的IO口用于控制开关的通断（具体设计如图2所示）。每列通过一个多路开关和运算放大器接至微处理器内部的ADC。MOAA方案中的另一类利用了运算放大器的虚地特性，压制了流经不同电阻传感器间的串扰电流，可以达到很高的读取速率。这一方法使用了多个多路开关，限制了往可穿戴方向进一步发展的可能，与TDCA方法相比设计更为巧妙，但同样会遇到阵列容量的瓶颈。

图 2^[3]MOAA方案原理图

1.2.3 IMA的基本原理和优缺点

IMA（incidence matrix approach）的思路与特点与上述两种方案大相径庭，IMA方案中的电阻式传感器并不是全部纵向排列成矩阵形式而是排列成网格状。TDCA与MOAA方案都是通过开关的选择形成被测电阻与参考电阻的分压电路，通过ADC读取电压值而得到被测电阻的阻值，理想状态下，串扰电流会很小。而IMA方案中通过建立矩阵来解算每个电阻的阻值也提供了新的思路。IMA方案中在外围的相邻电阻间插入连接点，用一个开关控制是使用电流源（CS）注入电流还是使用ADC读取数据(具体设计如图3所示)。IMA方案允许串扰电流的存在并且利用它建立矩阵来解算电阻数值。IMA方案的缺陷同样在于电流源和ADC的使用导致电路复杂度略高，而矩阵计算又同样需要大量的计算循环。

图 3^[3]IMA方案原理图

1.2.4 比较与小结

采用不同电阻值读取策略设计出的电路除了测量的精确度和串扰水平外很难找到其它的量化指标来衡量其性能与优劣，例如电路复杂度就没有统一的标准可以对其进行量化和比较，只能通过直观进行比较。而还有些方面如数据测量与处理速度和电阻矩阵容量则由于实验条件不同，很难在同等环境下进行比较。以上提到的3种测量方法中可以看出，电路复杂度TDCA方案最低，MOAA方案次之而IMA方案最高。在电阻阵列容量方面，假设分配给每种方案的微处理器资源是相同的，例如4路IO输入、4路ADC输出，那么TDCA方案可容纳4×4=16个电阻式传感器，MOAA方案虽然使用的ADC数目较少，可是总体容量由于IO口的限制也是16个。而IMA方案在只有4个ADC的情况下只能实现一个最小规模的4个电阻式传感器。

这3种方案中，TDCA方案和MOAA方案比较类似，原理都是通过开关等措施消除串扰影响，使单个电阻值的测量更准确，IMA方案通过电流源的输入，利用物理定律和被测电阻间的数学关系建立矩阵求解电阻值。如果能够有一种方案兼具上述两种思路的优点，既和TDCA与MOAA方案一样电阻式传感器矩阵输入与测量简单，又和IMA方案中一样不需引入额外的元件来消除串扰，通过矩阵解算来获得测量值，那么就会是一种比较理想的状态了。RMA方案的提出正好符合这些要求，在接下来的部分会先简要介绍一下RMA方案的原理，并进行仿真和实物验证。

1. RMA方案的基本原理和设计

2.1引言

上文中提到的根据电阻式压力传感器阵列的读取策略的不同可大致分成三种方案：TDCA、MOAA和IMA。这三种方案虽然测量原理和使用的元器件不尽相同，但是都有复杂度较高，占用资源较大的缺点，满足传统的需求如用于机器人触觉等方面还可以胜任，可是如果向可穿戴应用方面发展就会遇到障碍。可用于可穿戴设备的系统本身就有性能可靠、结构简单、功耗低等诸多要求。RMA方案凭借其设计特点可以很好地满足上述需求。与IMA方案的思路类似，RMA方案并不是采用参考电阻与被测电阻串联分压，ADC测量转换电压值，通过开关等手段隔离其它电阻影响的方式，而是和IMA方案一样利用串扰电流的存在，结合基尔霍夫定律，使用数学方法求解矩阵得到每个电阻的阻值。与IMA方案不同的是并没有采用网格状的电阻排列，也不需要额外的开关和电流源，只需通过数学处理即可得出测量结果。因此，RMA方案具有设计简单、实现方便、充分利用微处理器资源的优点。

2.2 RMA方案的原理介绍

本部分是对RMA方案的设计与实现原理进行简要介绍，并且包括电阻计算矩阵的解算和电阻计算公式的推导。RMA方案虽然原理与设计都比较简单，但是通过矩阵的计算可以揭示出ADC所测得的电压与被测电阻间的数学关系，使RMA方案相比TDCA等方案具有许多优势。

2.2.1 方案设计简介

RMA方案中采用的是如图4所示的一个m×n的电阻式传感器阵列，每行的端口p_i为输入，每列都接一个ADC输出记录电压值。每个电阻式传感器都是一端连接输入，另一端连接ADC输出。考虑到可能的应用场景，充分利用资源并简化设计，每行的输入都连接到微处理器的通用IO口，每列的ADC也都接入微处理器的内置ADC端口。输入值为0（GND）或1（V_cc）。需要测量某行的数据时，该行的IO口输出为0，其余IO口输出为1。测量过程为IO输出端口按顺序进行扫描，选中某行时记录下该行所有ADC的读数，记为V_ij，其中0≦i≦m，0≦j≦n，代表的含义是第i行的输入为有效电压（GND）时第j个ADC所测得的电压读数。这样的设计使第i行被测量时（p_i的输出为GND），电流流经同一列中其它所有的电阻再通过被测电阻连接到地，对于之前提出的方法这种串扰电流对于测量是十分不利的，应当避免串扰电流的影响。而对于RMA方案而言对这一列使用基尔霍夫电流定律就可以得到ADC测量到的电压与被测电阻的矩阵关系，基尔霍夫电流定律（KCL）表明集总电路中任何时刻，对任意结点，所有流出或流入该结点的支路电流的代数和恒等于零。对第j列使用基尔霍夫电流定律即可得到电压与被测电阻的关系。

图 4^[3]RMA方案原理图

2.2.2 电阻矩阵解算和公式推导

IO口的输入电压情况可以用一个1×m的状态矩阵E表示，而其中的每一个元素又都是一个m×1的向量。我们设其中第i个元素为0，其余均为1。对第j列使用基尔霍夫电流定律，就可以得到如下的矩阵：

= （2. 1）

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