基于导电橡胶的触觉传感阵列及其标定实验研究

摘要

触觉传感技术在智能机器人领域占有非常重要的地位;与听觉、视觉一样，是机器人感知外部世界信息的一种重要手段，先进的触觉传感技术就是智能机器人的主要标志之一，触觉(智能)机器人亟待实现的核心难点是触觉传感器的量化标定与触觉信息的恢复显示。
　　 本文主要研究《智能机器人触觉传感服装》这一课题的核心技术“导电橡胶传感特性的标定技术”与触觉(力谱)标定系统，在项目中，构建出智能机器人的服装——触觉传感阵列及其信息获取与分析处理系统，即触觉标定系统；借助系统本身，结合实验技术，利用误差理论与MatLab等工具进行深入研究，对实验数据进行分析与处理；从而突破导电橡胶压阻特性这一技术难关，标定出导电橡胶的压阻特性关系。为基于导电橡胶的智能机器人服装这一项目的核心问题的提供了解决方案和实验结论；同时，构建出的触觉传感标定系统也为广大压阻特性的传感器量化标定提供了良好的技术参考。
　　 基于导电橡胶的触觉传感阵列的标定系统由触觉传感阵列(装配有128×64个导电橡胶的PVC膜)，力学装置，SONY/Tektronix公司的AWG2005信号发生器，“中断”与“扫描’’电路，NI(National Instruments)公司PCI-6259数据采集卡、2个SCB-68接线盒，信号采集电路、信号处理电路，屏蔽电缆，ACER的PC机组成硬件系统；软件系统则是由NI的LabVIEW软件，MS(Microsoft)的VisualStudio2006及OpenGL技术，Mathworks公司的MatLab R2006。在该系统工程中，由力学装置产生触觉信息、信号发生器产生电信号，在触觉传感阵列中，通过导电橡胶传感器合成变换；再经过多个电路模块，借助Lab VIEW应用程序控制数据采集卡并将信号送入PC机，采用OpenGL技术进行三维图形化显示，利用MatLab进行数据的后处理，即量化标定。在项目实验中，实验方法研究贯穿于整个硬件系统，标定技术研究则是对整个系统的核心之一，尤其是对数据分析与处理起关键性作用。
　　 通过长期大量的实验，理论分析与归纳总结，本文为智能机器人触觉传感服装制作提供了新的设计，标定技术为触觉传感阵列的检测提供了新的技术解决方案。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1触觉传感技术的发展进程及趋势

1.1.1国内外发展及应用概况

1.1.2主要优缺点分析与总结

1.1.3触觉传感技术发展趋势及建议

1.2标定技术的一般方法与意义

1.3本项目的提出及研究意义

1.4本文研究的主要内容和特点

2基于导电橡胶的触觉传感阵列研究

2.1传感器概述

2.2触觉传感器原理与选择

2.3导电橡胶

2.3.1导电橡胶的概述及其导电机理

2.3.2导电橡胶作为敏感材料的优点

2.3.3导电橡胶在触觉传感中的应用

2.3.4本课题采用的导电橡胶的概述

2.4触觉传感阵列设计

2.4.1触觉传感器的设计举例

2.4.2本课题中的设计思路

2.4.3设计方法和实物图

2.5本章小结

3触觉标定系统的硬件设计

3.1硬件系统框图及工作原理

3.2施力机构与测力装置

3.3信号处理子系统的原理及实物

3.4触觉标定系统硬件集成

3.5本章小结

4触觉标定系统的软件设计

4.1软件系统架构与功能简要

4.2数据采集、处理及存储程序的设计

4.2.1 LabVIEW简介

4.2.2 LabVIEW编程原理与设计概要

4.2.3数据采集与控制模块的设计

4.2.4数据存储

4.2.5 LabVIEW程序总装及时钟匹配

4.3触觉传感阵列及其信号显示

4.3.1 VC++的编程环境及OpenGL的简介

4.3.2三维机器人的绘制

4.3.3数据读取与图形显示

4.4本章小结

5标定实验研究与传感器的数学建模

5.1实验平台与标定实验原理

5.1.1实验平台组成

5.1.2传感器标定原理

5.2实验平台的整体调试及实验研究

5.2.1施力方式与虚拟仪器的参数设置

5.2.2实验方案及具体实施

5.2.3实验的重难点与解决方法

5.2.4实验结果记录例举

5.3实验误差的分析与修正

5.3.1软硬件设计方面的系统误差

5.3.2传感器的随机误差

5.3.3仪器装置与环境引起的粗大误差

5.3.4 PCI-6259数据采集卡的系统误差

5.3.5信号传输与数据处理流程中的误差

5.3.6其它因素引起的误差

5.3.7误差削弱与修正

5.4导电橡胶传感器的数学建模

5.4.1 MatLab软件概述

5.4.2数据拟合与回归分析

5.5系统技术指标参数与性能拓展

5.5.1系统的技术指标及参数

5.5.2测试系统的拓展

5.6本章小结

6全文总结

6.1本文完成的主要工作

6.2后续研究工作展望

致谢

参考文献

附 录