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实验高分辨率触觉传感器阵列

D.H.Mott

英国机器人系统有限公司

M.H.LeeandH.R.Nicholls

英国威尔斯大学

摘要

压力强度传导原理使得触觉传感器体积小、效率高。两个机器人手抓安装传感器连接到触觉处理模块，触觉传感器的工作表面正被设计、生产、并有了价值。人们使用压力强度传导原理并把它描述在论文中。使用这种传感器的触觉模块实验的目的也同样被讨论。

导言

机器人系统需要一系列的传感器去了解它的工作环境的状态，每一个传感器都有它特定的位置，如远距离视觉、近距离视觉、近程设备和触觉传感器，有的安装在机器人本身，用于测量点到轴的压力和力矩。视觉控制常常是机器人系统 的一个指标，因为它提供了很多有用的信息。然而，当前这种信息受到了限制，如光的条件不够、或者这种工作只能在特定的空间里运行。视觉的最大缺点在于当手抓传感器运行时它常常不能提供实时信息，因为机器人抓东西的手也就是它获取物体信息的器件，因此它只能在动作之前或之后提供有用数据。然而触觉传感器却有能力察觉当下接触的物体和物体的压力，并提供视觉提供不了的传感信息。

触觉传感器是这样定义的，只要他们之间没有空间，它就能不间断地接触。压力传感器测到完整的压力和力矩时才会停止。如果一个触觉传感器或多个传感器安装在机器人的操作中，那么关于传感器接触表面的细小信息便可获得同时监控程序依然执行。触觉图像由2D阵列的传输压力组成，能被分析为视觉图象。因此传感视野也能被认为是“接触视觉”。别的传感器同样被发现在机器人系统中，并在接触时进行。比如，通过压力来触动的微动开关、测量各个方向的压力的压力传感器，也许是手指的倾斜。在Harmon的定义中这些设备被认为是接触传感器而非是触觉传感器。

触觉传感器有各种不同的用途，比如外形的检测、有沟的觉察和别的表面的觉察、物体的判别。证明的抓住和错误补偿的抓住、滑落的检测和证明的集合等

等。

Harmon也做了一个触觉传感器需求的测量，并列出触觉传感器理想的特点，它们包括：

(a)、传感器的表面有兼容性和持久性

(b)、空间分辨率应在秩序的1-2毫米

(c)、50-200之间的触觉象素应该被接受

(d)、传感器应该是稳定的、单调的并且具有低滞后性

(e)、每个要素都有1-10的责任时间

(f)、动态范围应予以1000：1，阈值灵敏度为1克

这几条应加在当地的触觉图像进程的需要中，尽管主控制系统有具有灵敏传感器的能力。

人们对各种传感器的兴趣逐渐增加。随着一些传感器的原型正在被开发，利用各种传感技术涉及碳纤维、导电橡胶、压阻材料、磁材料、电光材料等。一些最有价值的设计可以在[3.4.5.6]中发现，这些是生产正常传感器的设备。但另一种做法是由Hackwood,Beni,和Nelson[7]设计的。他们的做法是传感器使用磁阻效应技术去测量当地的剪距和力矩。当活动的手的交互作用是重要的时这会对操作任务有特别的用处，如滑落的察觉。有的设计的很好但分辨率不是很高的传感器正在宣传。然而，这篇文章论述触觉传感器的设计，可以用高分辩率视觉传感器的比赛，典型值256×256视觉元素在2cm2 板子。

传导技术

该转化方法是在BRSL/UCW传感器上采用光学现象，形成直接的触觉形象，搬上摄像影像系统，然后对现行的视觉工具和技术加以利用。

这些传感器利用了不同的物体有不同的折射率。传感器是由一个清晰的压力板，一个光源和投影膜（并没有紧连着压力板）。压力板比周围的空气有较大的折射率，而膜的比空气和压力板都大。光是由压力板的边缘传入的，大部分的光被发射了，因为这是从折射率高的传到折射率高的媒介，如从玻璃传入空气。因此只有很少的一部份在压力板上留下，因此，主板上的低表面上也就是图像的区域一律是黑的。然而，当膜接触到板块时，即这种情况是物体放在传感器的表面，漫反射而不是全反射发生了。这是因为当光从折射率低的传到折射率高的，扭转了刚才的情况，光通过降低表面的压克力上，使该点所在膜板接触，这可以被引到一个热成像仪，比如低消耗的Videcom摄像机，或紧密型的固态摄像机。这些图

像会和传感器表面上的位置和尺寸相吻合。

光路的强度是和物体与压力板上的压力成一定的比例。考虑到压力板上的区域只影响到图像获取的一个元素。因此，光传入的数量决定于压力板和投影板之间的元素点，随着物体和压力板之间的压力加大，光传入的数量越多，图像的像素越多。单个元素的光的强度随着压力的增大而增大。这个原理应用于全部的表面。用这种方法获取图像的例子在图4和5中显示。

实施光学反射传导技术

工作表面是由敏感表面结合光学折射压力传递原理（上面描述的）构成的。这个设备由10mm的玻璃与为顶的塑料夹层材料构成，常规Videcom摄像机上扑捉弥漫反射光。视频代表性的触觉图像是通过数字化仪和储存成为运行于LSI的11/23的自动图像视觉处理.这使得触觉图象分析有可能像视觉图像分析。视觉图像的数据包能应用于触觉里是因为触觉和视觉有一系列能够相互转化的分析技术。工作表面的活动区域是35×35cm.而视频图像是128×128，用8个编码表示一个像素。

人们发现类似的装置已独立在医学领域中应用了。Betts和Duckworth设计并制造了一台能测量脚底压力和分析塑胶和玻璃界面的仪器。

一个集合工作单元可以包括一个触觉工作表面为对象详细的检查。比如机器人操作者可以表示各种不同表面的物体和每一个表面不同的触觉图像，并且把它扑捉和储存。这些图像能通过一个模式检验一个物体。也许能找到一个不规则的物体，而这些物体可能是视觉系统是不能察觉的。

在机器人的UCW实验室中构造的触觉表面是能对其它各种材料检测的工具。但它最终纳入为包含若干个不同的传感装置。这种工作表面正是用这种想法设计的，因此对实验机器人的的重量和尺寸是对的。设备的评价是目前正在进行调查的，涉及到滞后、灵敏度、噪声水平及环境对各种各样的的触觉传感器的表面的影响。

机器人手爪安装传感器

使用光学折射方法的触觉传感阵列正被设计和生产，它们足够小和轻能安装在机器人的手上。这种传感器包括当地图像处理的度，当图像分析未完成时则向主程序发出请求。

手爪安装传感器由一个压力板安装在一个机器人的手指上，连在一起的还有兼容膜，但它并没有紧紧连接在压力板上。

CCD图像传感器是惯性固态的摄像机，并能用8位数据来记录一个像素从而记录145×208的图像。这个设备仅需要一根线去传输从芯片上的数据，并且这些都可以包含在一个单一的有线电视上。这种传感器并不像别的传感器一样有大量的数据线行程安排问题。

触觉传感器一个可贵的特征是它可以被设计为低层次的加工，并且在外部计算机系统接受它之前对触觉图像进行分析，基于这种思想，一个特殊用途的硬件模型即触觉图像处理模型为联合夹持式安装触觉传感器设计和生产。它包括对CCD图像传感器芯片的控制和驱动，阴极射线管去方便展示的触觉图像显示器。主控制器是使用了两个Z80的进程系统。这两个Z80能被编程去分析并且如果需要的话，它能在它传递给外部计算机系统之前处理图像。这个触觉处理模型有能力从两个触觉传感器上上传数据。按设想，这两个机器人将并联运行，反对手指的机器人手爪。

一个Z80作为传感器的驱动，用于控制CCD图像传感器芯片，时钟图像也从那显示出来。这些图像通过8位双向并行端口要么传输到外部系统，要么通过无向接口传到另一个Z80中，这第二个Z80被叫着传感图像分析器，用于检测传感器图像和在主程序上。它用访问双向接口并用它来从主计算机系统中接受数据和发送图像和别的数据返回这个系统。

传感器图像存于记忆存储器中，在如今，传感处理模块内存是4K，这个很容易被升级为256×256，它有四个存储区，其中2个传感器用来比较当前的和以前的图像，以及比较不同传感器之间的图像。

触觉处理模块所包含的程序定义：

1、图像阈值

2、特征提取

3、跳检测

4、测量总表面积

5、监测聚酰胺的最高值

6、转化原始图片或处理图片到外部系统

7、控制视频显示图像

8、启用/禁止对重大的活动的中断

两个触觉传感器将安装在IPA MIGS中以便控制并整合在UCW建立的多个传感器环境。这个系统包含可读的自动图像视觉处理方案，这提供了强大的图像处

理工具。触觉处理模块合两个传感器被建立合运行，并且传感器的评估审判在进行中。然而在写的时候没有任何数据是能用的。

加工触觉图像

触觉图像和视觉图像有很多相似之处，它们都是由相连的大型阵列的量子化水平组成，这是他们所确定的。因此，在UCWA中的BRSL的自动图像VING系统有可能处理触觉图像的请求，并和他们交换这些信息。自动图像是一个提供广泛的图像分析处理的工具系统。它使得在触觉处理系统中能在软件程序中吸收最有用的操作。工业使用的需求会使得触觉图像处理系统有个下载的工具（这个程序是从视觉操作中下载）。

详细的文字研究正在进行，这是显而易见的，许多研究人员正在用研究视觉图像的方式研究触觉，如物体的识别。这是很重要的，因为这意味着它能如同视频图像处理一样有平行端口的输出，能提供如纹理、硬度、曲率等的表面信息。这是一个需要更多关注和研究的领域，要尽可能地高效地处理从这些新传感器传来的数据。

触觉传感器别的用途主要是物体或任务之间的关系.Hackwood 举例两种不同类型的传感器，一些用来测量物体的形状的，另一些用来控制动态手的。他觉得常压力传感设备对测量物体的动态不是很有用，但设计为力矩传感器有着重要的意义。人们希望使用具有这两个功能的BRSL/UCW传感器。嵌入在触觉传感模块中的快速软件能控制动态，并在成功采集图像的时间之间联系，如检测启动电路。这个研究同样包括了触觉传感器的自适应能力和控制系统的检查。作为一个手抓安装传感器安在一个物体上，检测时应从两边检测它的表面特征，如果检测方向错误，需要纠正。

结论

这篇文章讨论的是压力强度传感方法，使得低消耗型触觉传感器有着高空间分辨率。这些要素需要传感器被普遍接受并且制作工艺简单，从而使得它变得市场化。设备的效率可以很高，这依赖于摄像系统而不是象其它触觉传感器设计受制作业的限制。触觉处理模块中工作主要决定于传感器的灵活能力，而它的精密水平和传输速度则取决于软件的设计和硬件的质量。这些功能将让这个传感器一定程度的弹性，以前没有做的。压力转化为光的传输方法的原理使得当前存在的视觉工具和技术同样能应用在触觉处理。因而大量的经验和结论能继承下来。但在另一方面，紧紧地检测触觉传感器提供的独特信息和开发这样的工具也是很重

要的。高效率触觉传感器的发展在机器人研究中开辟了一个领域。这种传感器的未来工作则是报告接触视觉技术，在仔细的接触检查中看表面纹理特征以及在操控性任务中开发触觉信息。

参考文献

1、Harmon,L,D.”接触传感器技术回顾”，社会的制造工程师，技术报告msr8082-14，电气工程和机器人技术学院，卡内基-梅隆大学，19824、Hillis,W.D.”活跃的触摸感测”，爱便笺，629，麻省理工学院AI实验室，1981年4月

5、Robertson,B.E.和 Walkden,A.J.“机器人触觉传感器系统”，proc.of第三届int.conf.on机器人视觉及感官的控制，nov.19836、Raibert,M.H.Tanner,J.E.设计和实施一项超大规模集成电路触觉传感电脑, 国际期刊的机器人技术的研究，第1卷，第3号，1982年秋天

7、Hackwood,s.,Beni,G.和Nelson,t.j.转矩敏感的触觉阵列机器人proc.of第三届int.conf.on机器人视觉及感官的控制，1983年11月

8、Batchelor,B.G.,Mott,d.h.,Page,G.J.Upcott,D.N.”自动图像处理进程”在“数字图像进程“ed.Jones N.B.,pub.peregrinus 1982年9月

9、Batchelor,R.P.Duckworth,T.”测量足下压力的设备”，医学工程，第7卷。197810、Betts,R.P.,Duckworth,T.,Austi,I.G.,”塑料和玻璃界面的反射及

其在足部压力测量的应用”。医学工程和技术期刊，第4卷，1980.