遥作机器人触觉临场感的电触觉实现

《遥作机器人触觉临场感的电触觉实现》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第19卷第5期机器人ROBOTVol.19,No.51997年9月Sept.,1997

遥作机器人触觉临场感的电触觉实现金世俊黄惟一宋爱国(东南大学仪器科学与工程系南京210018)摘要本文对电触觉的实现作了实验性研究.提出了在操作者手指上实现触觉再现的电极形状和分布以及刺激电流波形,并由此给出了实现遥作机器人触觉临场感的系统构成及实现方案.该系统可使操作者遥感到从机器人机械手指与点,线,面等形状物体的接触,位置分辨力可达2.2mm.关键词电触觉,机器人,临场感1引言由于人工智能,传感和控制水平的限制,工作

2、在复杂或未知环境下的全自主型机器人是目前难以达到的目标.临场感遥控机器人系统是实现未知环境下作业的有力手段.临场感技术通过将远地机器人与环境的相互作用信息(视觉的,力觉的,触觉的)反馈到本地操作者处,从而使操作者感知机器人周围的环境以及和环境的相互作用.视觉临场感的重要性已得到广泛承认和研究,力觉临场感的研究也已经开始,而触觉临场感,由于触觉再现的难度较大,研究开展的较晚.具有触觉临场感机器人的实现,将极大地提高操作人员的现场感知能力,产生身临其境的感受,从而能有效地控制机器人完成复杂,精巧的任务.触觉再现装

3、置的研制是触觉临场感技术的核心.由于人手大小和感知情况的限制,触觉再[1]现装置只能是一种微型的阵列式器件.利用振动触觉实现触觉再现的研究国外已经开始.但由于对机电设计及制造的高要求,同时存在笨重,有噪音,动态范围小以及极低的能量转换效率和发热,使之很难走向实用.随着电生理的长足发展,电触觉的研究国外已经开展.电触觉具有:1)简单易行,成本低,2)轻便,易于小型化,3)易于集成且分辨力高,4)功耗低,能量[2]转换效率高,不发热,5)易于和计算机接口以及控制等优点,因而受到越来越多的重视.近年来,这方面的研究

4、在国内也引起了关注.因而,研究电触觉并利用其实现遥作机器人的触觉临场感是很有意义的.本文在对电触觉的实现作实验性研究的基础上,提出了在操作者手指上实现触觉再现的电极形状和分布.通过对几种典型刺激电流波形的实验分析和比较,选出了最佳的刺激波形.由此给出了实现遥作机器人触觉临场感的系统构成及实现方案.该系统可使操作者遥感到从机器人机械手指与点,线,面等形状物体的接触,位置分辨力可达2.2mm.2电触觉简介通过刺激电压、电流和波形以及电极的大小、材料和与皮肤的接触力,还有皮肤的位置、厚度和水合作用,电刺激可以产生诸

5、如麻刺,痒,振动,接触,压,捏,灼痛等感觉.许多研究者认[3,4][5]2为,流过皮肤的电流直接刺激传入神经纤维,Pfeiffer却提出小电极时(1mm)是直接刺激

国家863智能机器人传感技术网点实验室资助课题.1996-12-09收稿334机器人1997年9月[6]感受器.Blamey和Clark有意选择电极的位置以刺激手指上的整个神经束,得到的感觉并不一定限定在一个小的皮肤区域.用微电极刺激单个传入神经纤维的技术揭示了各种各样的感[7]觉是和不同种类神经纤维的激活相联系的.目前国外的研究主要是将电刺激

6、施加于腹部皮肤的局部区域,并用于听觉,视觉的感觉替代.从目前的效果来看,电触觉的主要缺点在于易引起不舒服的感觉(如刺痛感),动态范围小,一致性较差.但是,随着研究的深入是可以通过选用一定的电极和放置以及刺激波形有效地消除刺痛感,扩大动态范围,并具有较好的一致性.3系统设计3.1电极及刺激波形由于流经皮肤的电流是离子性的,因而需要一个变换器(电极)将引线内的电子电流转变为离子电流.为了减小皮肤受到的刺激和可能的损伤,电极不应向皮肤内引入非本体离子.电极也决不能引起化学反应,以致于在电极和皮肤间形成绝缘层.因而常

7、选用金,银,不锈钢等作电极材料.文献中的刺激电极和中性电极多采用同轴式分布,但由于手指面小且不平整,采用这种分布不方便,特别是多点时变得不现实,因而需寻求新的电极布置.我们采用图1的电极布置.实验表明:1)采用各电流波形刺激时,中性电极处无任何感觉;2)易于实现多手指触觉再现并易于控制;3)不易出现突发刺痛感.对于刺激电极,较大的面积会有较为舒服和真实的触觉感,因而一般要求面积不小于十几平方毫米,但采用这样的电极构成点阵式结构,满足不了高位置分辨力的要求.经过分析和实验,当两电极相距很近时,采用相同的刺激电流

8、,基本等效于面积为两电极面积之和的电极的刺激效果.由此我们将刺激电极设计成如图2所示的结构.它由24个2mm×2mm微电极组成,微电极的彼此间距为0.2mm.一方面,通过选通不同的微电极组合,可等效于不同形状的刺激电极,从而再现与不同形状物体的接触,同时电极面积也达到要求,另一方面可以使位置分辨力达到2.2mm(详见图5).中性电极根据放置处皮肤的特点采用2.1cm×2.6cm的尺寸.这样,当采用短