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摘要:

相較于電信號(hào)觸覺傳感器，基于光學(xué)的觸覺傳感器性能更好，受外界環(huán)境影響小，抗干擾性能更高。觸覺傳感器以彈性材料模擬人體皮膚，在彈性材料內(nèi)部有標(biāo)記點(diǎn)陣列。用攝像頭拍攝標(biāo)記點(diǎn)的圖像，通過(guò)測(cè)量彈性材料受力發(fā)生形變時(shí)標(biāo)記點(diǎn)陣列的位移情況來(lái)求解出力的分布情況，進(jìn)一步計(jì)算出觸覺信息。傳感器采用EP4CGX30為主處理芯片，采用雙層電路堆疊的方式實(shí)現(xiàn)，總尺寸為40mm×20mm×15mm。

關(guān)鍵詞:

觸覺傳感器;光觸覺;標(biāo)記點(diǎn)

電信號(hào)觸覺傳感器可以與信號(hào)處理電路直接連接，輸出受力信息。同時(shí)，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，信號(hào)處理電路可以封裝在傳感器中構(gòu)成傳感器單元，傳感器單元的尺寸也變得越來(lái)越小，但電信號(hào)的觸覺傳感器又容易受到外界環(huán)境的影響［1］。一種新型的觸覺傳感器為基于光學(xué)的觸覺傳感器，主要由彈性體和圖像傳感器兩部分組成。傳感器受力時(shí)，其彈性體發(fā)生的形變與其所受力的大小有關(guān)，通過(guò)圖像傳感器獲取彈性體形變，進(jìn)而獲得傳感器受力信息，即觸覺信息。由于圖像傳感器輸出的是數(shù)字信號(hào)，因此，基于光學(xué)的觸覺傳感器受外界環(huán)境影響小，抗干擾性能更高。效果比較好的基于光學(xué)的觸覺傳感器有Gelforce傳感器和Gel-sight傳感器。Gelforce傳感器通過(guò)在彈性體內(nèi)部放置標(biāo)記點(diǎn)，測(cè)量傳感器受力時(shí)標(biāo)記點(diǎn)位移計(jì)算出傳感器受力［2］。Gelsight傳感器在彈性體表面涂有一層全反射涂料，通過(guò)測(cè)量傳感器受力時(shí)反射光強(qiáng)的變化獲取彈性體形變［3］。

大多數(shù)基于光學(xué)的觸覺傳感器都需要連接PC，將圖像傳感器采集的圖像傳輸至PC端處理計(jì)算得出傳感器受力信息，這不利于傳感器的小型化，影響傳感器的使用范圍。本文用電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理算法，并實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理電路的小型化，與參考Gelforce設(shè)計(jì)的傳感器構(gòu)成傳感器系統(tǒng)，使系統(tǒng)可以直接輸出受力信息并可以安裝在機(jī)械手內(nèi)，增加基于光學(xué)的觸覺傳感器的使用范圍。

1基于光學(xué)的觸覺傳感器Gelforce的基本原理

如圖1所示，Gelforce傳感器的彈性體內(nèi)有許多標(biāo)記點(diǎn)，當(dāng)傳感器受力時(shí)，彈性體發(fā)生形變，標(biāo)記點(diǎn)位置發(fā)生變化。假設(shè)彈性體表面僅有一點(diǎn)受力，以此點(diǎn)為原點(diǎn)，平行于彈性體表面的平面為xy平面，垂直于xy方向指向彈性體內(nèi)部的方向?yàn)閦方向，建立坐標(biāo)系。

2傳感器處理電路的設(shè)計(jì)

傳感器處理電路的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，F(xiàn)PGA芯片是整個(gè)電路的核心，它的功能有:1)控制CMOS攝像頭OV7690采集圖像并存儲(chǔ)在RAM中;2)從RAM中讀取CMOS采集的圖像，并利用質(zhì)心法計(jì)算出標(biāo)記點(diǎn)位移;3)利用式(4)計(jì)算出傳感器受力信息。功能1和2需要對(duì)采集的圖像進(jìn)行逐像素點(diǎn)掃描、識(shí)別，運(yùn)算量大，是處理電路的速度瓶頸，因此，采用硬件實(shí)現(xiàn)。功能3計(jì)算公式相對(duì)復(fù)雜，但運(yùn)算量很小，適宜在CPU上用軟件實(shí)現(xiàn)，所以，采用Fy，F(xiàn)z)，某一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)d為(x，y，z)，由文獻(xiàn)［4］中介紹的彈性原理可計(jì)算出標(biāo)記點(diǎn)在x，y方向的位移。為減小尺寸，F(xiàn)PGA選擇FBGA封裝形式的EP4C30芯片，大小僅為14mm×14mm×1．4mm，RAM選用了BGA封裝的SRAM芯片IS61VPS102418A。處理電路硬件由處理電路板和配置電路板兩塊電路板組成。處理電路板主要元件為FPGA芯片和RAM芯片，電容電阻均選用0201封裝。電路板的尺寸為40mm×20mm×10mm，其實(shí)物圖如圖3所示。配置電路板主要由電源芯片和配置芯片組成，電源芯片選用LM1084IS，AME1117CCTZ和AME1117，分別為處理電路板提供3．3，1．2，2．5V電壓，面積均為8mm×2mm，EPCS4N為配置芯片，儲(chǔ)存FPGA配置信息，面積為6mm×3mm。配置電路板尺寸為35mm×16mm×8mm，與處理電路板通過(guò)1．2mm插針插座連接，形成堆疊結(jié)構(gòu)，整體尺寸為40mm×20mm×15mm。

3功能驗(yàn)證

文獻(xiàn)［6］中的方法檢驗(yàn)信號(hào)處理電路的測(cè)量標(biāo)記點(diǎn)位移的功能。在彈性體表面不受力的情況下，對(duì)其連續(xù)拍攝。將標(biāo)記點(diǎn)在一定范圍內(nèi)移動(dòng)，再由信號(hào)處理電路計(jì)算每次移動(dòng)后標(biāo)記點(diǎn)到位移量。測(cè)試結(jié)果如表1所示，由于標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)精確到0．125像素點(diǎn)坐標(biāo)，所以，標(biāo)記點(diǎn)位移的也精確到0．125像素。從表中可以看出:信號(hào)處理電路實(shí)現(xiàn)測(cè)量標(biāo)記點(diǎn)位移的功能，誤差不大于0．125像素。4結(jié)束語(yǔ)本文首先詳細(xì)分析了基于光學(xué)的觸覺傳感器的工作原理，然后設(shè)計(jì)了基于FPGA的處理電路，它可以實(shí)現(xiàn)原Gel-force傳感器計(jì)算機(jī)端的全部處理過(guò)程，且電路尺寸僅為40mm×20mm×15mm，這大大增加了基于光學(xué)的觸覺傳感器的使用范圍。

作者：張貴相 郭峰 張春 單位：清華大學(xué) 微電子研究所