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基于导电橡胶的智能机器人触觉传感服装研究

作　者: 李青
导　师: 秦岚
学　校: 重庆大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 触觉传感器导电橡胶压阻特性阵列数据采集
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

传感器技术综合了物理、化学、生物工程学、微电子学、材料科学、微机械学(MEMS)、自动控制、计算机科学等多方面的知识和技术,并逐渐形成了一个专门的学科领域。触觉传感器技术是传感器技术中的一个重要组成部分,在智能机器人传感技术中占有非常重要的地位;同听觉、视觉一样,触觉是机器人感知外部世界信息的一种重要手段,先进的触觉技术也是智能机器人的主要标志之一。本文介绍了国内外传感器和触觉传感技术发展的现状,分析了当前主要的触觉传感器技术所使用的传感原理和敏感材料,详细地比较了它们各自的优缺点;同时针对目前触觉传感器阵列研究领域的动向,提出并设计了一种新型的基于导电橡胶的智能机器人触觉传感服装。它具有传感面积大、高灵敏度,较好的柔韧性,受冲击时不易损坏、耐磨损,可像缝制普通服装一样进行剪裁和缝制加工,穿戴于机器人身上能感知所受外力及接触物外形轮廓,触觉分辨率可调等特点。文中首先对所设计触觉传感器的理论模型进行了分析论证。通过分析研究,确定利用导电橡胶作为制作传感器敏感元件的敏感材料;导电橡胶具有原材料易得、生产工艺较简单、成本较低和其电阻随压力变化范围较大等优点。对于传感器传感原理的确定,根据设计需要以及敏感材料特性,选择压阻式传感方法;压阻式传感器具有后续信号处理电路相对简单、对传感器的封装形式及工作环境要求较低、易于阵列化等优点。基于导电橡胶的压阻特性,设计制作了实验用触觉传感器阵列(8×8),并给出具体的制作方法和加工工艺。该传感器阵列为五层层叠结构,触觉信号引出线布置方式采用行列式,结构紧凑,布线合理。对由多块触觉传感器阵列组成触觉传感服装进行了设计研究。设计制作了单个阵列的触觉信号检出、处理、采集硬件电路,连接至插有NI公司PCI-6259多功能数据采集卡的微机,从而形成阵列式触觉传感器实验系统。在WINDOWS XP环境下采用Labview和VC完成了该实验系统的应用软件编制,主要包括触觉信号采集软件、处理软件和显示软件。最后通过系统联调实验,证明了这种基于导电橡胶的触觉传感器技术是可行的。

全文目录

中文摘要  4-5
英文摘要  5-9
1 绪论  9-15
  1.1 机器人触觉传感技术发展概况及国内外现状  10-13
    1.1.1 触觉传感技术的发展概况  10-12
    1.1.2 触觉传感技术发展进程中的不足  12
    1.1.3 触觉传感技术发展趋势  12-13
  1.2 本项目的提出及研究的意义  13-14
  1.3 本文研究的主要内容  14-15
2 智能机器人触觉传感器设计原理研究  15-33
  2.1 概述  15-16
  2.2 触觉传感器设计的基本要素确定  16-27
    2.2.1 传感器的基本组成  16-17
    2.2.2 触觉传感器举例  17-23
    2.2.3 传感器传感原理的对比评价  23-25
    2.2.4 传感器敏感材料的对比评价  25-27
    2.2.5 本文触觉传感器设计所采用的传感原理和敏感材料  27
  2.3 导电橡胶的主要特性及其在触觉传感器中的应用  27-31
    2.3.1 导电橡胶的概述及其导电机理  27-29
    2.3.2 导电橡胶作为敏感材料的优点  29
    2.3.3 导电橡胶压阻特性在触觉传感器中的应用  29-31
  2.4 本章小结  31-33
3 基于导电橡胶的智能机器人触觉传感服装设计  33-41
  3.1 智能机器人触觉传感服装设计的基本要求  33-34
  3.2 基于导电橡胶的智能机器人触觉传感器设计  34-39
    3.2.1 阵列式触觉传感器的设计  34-38
    3.2.2 相关工艺及实现方法  38-39
  3.3 分块式触觉传感服装的制作  39-40
  3.4 本章小结  40-41
4 触觉传感服装的系统实现  41-65
  4.1 触觉传感服装系统信号处理总体设计方案  41
  4.2 单个触觉传感器阵列的硬件电路设计  41-55
    4.2.1 触觉传感器阵列触觉信号检出电路设计  41-42
    4.2.2 阵列选通电路设计  42-50
    4.2.3 抗电磁干扰设计  50-51
    4.2.4 数据采集系统介绍  51-55
  4.3 软件系统主要实现的功能  55-57
  4.4 基于Lab view 的数据采集处理程序设计  57-62
    4.4.1 Lab view 软件概述  57-58
    4.4.2 数据采集程序设计  58-59
    4.4.3 数据分析处理程序设计  59-62
    4.4.4 驱动控制程序设计  62
  4.5 显示程序设计  62-63
  4.6 本章小结  63-65
5 系统集成与实验研究  65-73
  5.1 实验平台  65
  5.2 实验过程  65-69
    5.2.1 虚拟仪器的参数设置  65-66
    5.2.2 信号采集  66
    5.2.3 具体实验步骤  66-69
  5.3 采集得到的触觉信号显示  69-70
  5.4 实验误差分析  70-71
    5.4.1 导电橡胶特性引起的误差  70-71
    5.4.2 信号传输与处理电路误差分析  71
    5.4.3 A/D 转换卡误差分析  71
    5.4.4 其它原因引起的误差  71
  5.5 本章小结  71-73
6 全文总结  73-75
致谢  75-77
参考文献  77-81
附录 A：作者在攻读硕士学位期间发表论文及专利  81-83
附录 B：简单机器人触觉信息显示源程序  83-92
独创性声明  92
学位论文版权使用授权书  92

基于导电橡胶的智能机器人触觉传感服装研究

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