一种新型智能机器人敏感皮肤的触觉传感器阵列_李平

1996年11月机器人　R OBOT N ov.,1996†国家自然科学基金资助项目.1995-08-04收稿一种新型智能机器人敏感皮肤的触觉传感器阵列†

李　平 文玉梅

(重庆大学光电精密仪器系　630044)

摘　要　本文提出了一种超精密、高位置分辨率、快速响应的、可任意分布的、便于大规模集成的

智能化机器人的多参量融合的阵列触觉传感器,介绍了石英晶振超精密分布测量压力、形变、温度、生物量和化学量的原理.该系统传感及信号传输方法独特,精度、分辨率和响应速度等指标优于其他机器人敏感皮肤系统.

关键词　机器人敏感皮肤,触觉传感器阵列,压电传感器

1　引言

对环境、对象状况的感知,是机器人智能化的最重要的特征.人类的大脑功能有三分之二用于管理触觉信息.人体的触觉信息直接来源于密布在整个皮肤组织中的触觉细胞、神经末梢、触觉小体等基本感受元素,它们在皮肤的所有部位能感受各种刺激,再与肌肉、腱、关节这些更深部位感受器一起,形成复杂的综合信息,传向神经系统进行处理.因此,模仿人体触觉功能的智能化机器人的最关键的部分是其高精度、高分辨率、高速响应的任意分布的多参量阵列触觉传感器研究.

压电材料本身具有传感特性和致动特性于一体,是最理想的智能材料.由压电材料构成的智能化触觉传感器、致动器,有其他触觉传感器无法比拟的优点,目前,得到迅猛的发展,在智能机器人,多传感器融合,精微细加工测试、航天、航空、国防、工业控制、生物工程、化学和众多的高科技领域中得到广泛应用.

压电触觉传感器通常是利用压电材料受压力产生电荷进行传感,其传感精度较低,并且要将每一独立压电单元连接才能构成多维阵列传感器,大大限制传感器规模、分辨率和响应速度.因此,便于超大规模集成的、用传感材料本身进行信号传输的、谐振式超高分辨率、超高精度、快速响应的压电触觉传感器成为各国研究的重点.目前这一领域十分活跃,剑桥大学人工智能实验室Antonio B icchi 等在《机器人学研究》1993年3期[1]

上详细介绍了各种接触式力敏传感器.在1992～1993年间Yale 大学(美)电子工程系E .Cheung 等提出了一种机器人敏感皮肤系统[2].意大利Pisa 临床生理学研究所和Mo dena 大学物理系分别提出一种压电材料触觉传感器阵列[3]及基于压电特性的高精度谐振压力传感器[4].以上只是对压力或触觉传感器阵列的某些指标进行研究,但对超大规模、超高精度、超高分辨率、快速响应的可任意分布多参量阵列触觉传感器的研究,国外还未见报道.

本文提出石英谐振器高精密多参量传感的原理,其测量精度比其他传感器高若干数量级,并首次提出石英晶体与上下交错电极间形成独立振子的能陷(驻波)条件及受压后自由传播条件,使得石英晶体上可以任意排列电极,构成任意众多振子,形成任意形状分布的理想的、多维分布式传感器.该传感器信号传输和输出是以调频波(谐振波)形式传播,抗干扰能力极强,并

DOI:10.13973/ k i .rob ot.1996.06.010

且信号是半数字化的,便于计算机处理.由于石英晶片上电极网络的任意性,信号波传递的任意性,更真实模仿了人的神经网络和皮肤组织,形成快捷的反应速度.石英谐振式分布传感器不仅能感知压力、形变位移,加速度,还可以传感温度、化学量、生物量等,这使多维分布式多传感器融合系统的实现成为可能.为实现更大规模的、复杂的分布、高强度及大测量范围,本文还提出用更低廉、柔软、任意形状的石英薄膜实现人造皮肤,更加接近人的感觉系统.

2　高精度多参量谐振式压电传感器

在机器人触觉传感技术中,高精度,高分辨率和高效、快捷的转换方法是触觉传感器的关键,无论是光电式、压阻式、应变式、磁致弹性式,还是普通压电式触觉传感器都存在感受范围、灵敏度、分辨率、重复性、迟滞性、响应速度和温度等方面的矛盾,其传感器应用范围大大受到限制,特别是作为多维、超高精度、高分辨率、高灵敏的任意分布的阵列传感器,更需改进.

石英晶体谐振器是目前振荡频率最稳定的器件,其AT 切片振荡器频率稳定率都在10

-8以上,最高可达10-14以上.将单片石英晶体构成自由振动系统,从振动振子无声辐射的板面

方向上加压力,如图 1.其板面发生形变,振动频率将随所加压力或板面位移量大小而发生变化,其曲线如图2(a).板的振动频率随压力或位移变化为线性关系,并且具有很好的重复性,只要精确测出频率变化就可精确反应压力或形变位移量的变化,该法的位置和压力测量精度由于采用高稳定石英晶振比其他测量高出好几个数量级.这样,单片石英晶振就构成了十分理想的、高精度的、单点式位移、压力传感器.如果用N L 1、LC 等切型石英,由于有很好的频率温度特性(如图2(b)),可构成高精度温度传感器.在电极表面涂上生物或化学膜,利用关系式

(1)可构成单片生物、化学传感器.

f =- 2.3×106

(Δm /A )(1)

式(1)中,A 为AT 切型晶片面积,Δm 为质量变化.可见,利用石英晶振压力与频率、温度与频率及质量与频率的关系,经合理设计,可构成优良的多传感器融合系统

.图1　单片石英振子的压力施加 图2　谐振频率与施加压力间的关系

3　可任意分布的智能化机器人敏感皮肤系统构成原理与实现

在AT 切型石英谐振器的有极区(e 区),由于有金属电极的质量负载和静电效应,改变了传播速度和密度,即改变了声阻.所以弹性波从有极区向无极区(s )传播时,将由于声阻的不等而遭反射.如果反射回来的波正好与入射波同相相加,就使有极区的振动加强,形成驻波.如果在“s ”区内晶体片的厚度切变振动的固有频率f s ,在“e ”区固有频率f e ,与振动波的频率f 满足f e