阻性传感阵列的测试方法研究及其应用

摘要

触觉传感阵列以电子皮肤的形式被广泛用于机器人、医疗设备、人体假肢和可穿戴设备等领域，是当今国际研究热点之一。其中，阻传感阵列以其具有的稳定性高、成本低、后续信号处理电路简单、易实现等优点在触觉传感领域具有更广泛的应用。阻传感阵列的性能不仅与其制备技术有关，也与其测试方法性能紧密关联。为了实现阻性传感阵列测试方法的低电路复杂度、高测量精度，本文结合触觉应用开展了阻性传感阵列的测试方法及其应用研究。首先，以降低测试电路的复杂度、提高测量精度及阻值量程为目的提出Improved Resistance Matrix Approach(IRMA)测试方法；其次，以实现对阻性传感阵列测试方法的快速评估为目的设计了基于多软件混合编程的联合仿真系统；而后，设计并制作了兼具柔弹性的热敏传感坐垫；最后，实现了基于IRMA的柔弹性热敏传感坐垫系统，并进行了实验验证。 论文的主要工作内容和研究成果如下： 1.对STC、STM32等微控制器的IO端口测试表明其输出电平时存在内阻，其值约为数十欧姆；Multisim仿真结果表明该输出内阻会影响Resistance Matrix Approach（RMA）测试方法的测量精度。据此，本文提出了IRMA测试方法，通过在RMA基础上额外增设行ADC采集通道的方式来消除该输出内阻的影响，以此提高测量精度和阻值量程。 2.为了实现对阻性传感阵列测试方法的快速评估，搭建了基于LabVIEW、MATLAB、Multisim混合编程的联合仿真系统，并基于手动计算结果验证了该系统仿真结果的正确性，最后利用该联合仿真系统对RMA和IRMA的基本性能进行了仿真，分析了微控制器IO端口输出内阻和相邻传感单元对其性能的影响，以及测量精度、阻值量程的性能。仿真结果表明，IRMA能够有效消除微控制器IO端口输出内阻的影响，且更不易受相邻传感单元的影响，因此具备更高的测量精度和更宽的阻值量程。 3.以共用行列线的形式设计了基于热敏电阻的传感坐垫，将导电织物均匀卷曲在未被拉伸的弹性织物中，并在等间隔处弹性织物固定以等间隔放置热敏电阻，从而制备了兼具柔弹性的电极，页实现了相邻传感单元间的等拉伸度，最终制成了具有一定的柔弹性的热敏传感坐垫。该热敏传感坐垫能够较好地贴合在三维物体表面，也具有被拉伸能力。 4.搭建了基于IRMA的柔弹性热敏传感坐垫系统。基于STM32F373微控制器内嵌的16位高精度ADC和浮点运算单元，实现了对热敏坐垫中行列电极电压的高精度采集和坐垫中所有热敏单元的阻值快递解算；开发了基于MFC的上位机软件，实现了与下位机的通信、热敏单元的电阻值和温度值间的转化及数值显示、温度分布图的绘制、数据存储等功能。 5.基于IRMA的硬件电路实验验证了IRMA的测量精度、阻值范围、抵抗相邻传感单元影响能力等性能；对基于IRMA的肉弹性热敏传感坐垫系统开展了水杯、人手、坐姿等温度传感实验，结果表明该系统能够初步实现温度分布检查。

目录

第一个书签之前