仿生假手的溫度感知技術研究

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(西安交通大學機械工程學院，陜西 西安 710049)

Research on Temperature Sensing Technology for Bionic Prosthetic Hand

TIAN Yanju, ZHANG Xiaodong , ZHANG Liming

(School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

仿生假手的溫度感知技術研究

田艷舉，張小棟，張黎明

(西安交通大學機械工程學院，陜西 西安 710049)

Research on Temperature Sensing Technology for Bionic Prosthetic Hand

TIAN Yanju, ZHANG Xiaodong , ZHANG Liming

(School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

摘要：為了使仿生假手能最大程度地模仿人手的感知功能，首先根據(jù)人類的實際需求進行溫度感知方案的論證，然后針對假手的溫度傳感器進行選型并進行測溫原理分析；根據(jù)選定的方案，進行溫度感知各個模塊的設計；最后搭建整個測溫系統(tǒng)并利用Proteus進行仿真分析，最后針對該系統(tǒng)進行了實驗驗證，實驗結果表明，具有該溫度感知系統(tǒng)的假手能夠實現(xiàn)待抓取物溫度感知功能，且不影響假手的正常抓握。

關鍵詞：溫度感知；仿真分析；實驗研究；仿生假手

中圖分類號：TP241

文獻標識碼：A

文章編號：1001-2257(2015)10-0012-05

收稿日期：2015-06-25

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51275388)

Abstract：In order to make the bionic prosthetic hand has maximum sensing functions, temperature sensing schemes are demonstrated based on human’s need. Then temperature sensor is selected and measurement principle is analyzed. According to the scheme, each module is designed. At last the whole system is obtained. With the system, simulation analysis with Proteus and experimental verification are finished. The experiment result shows that the prosthetic hand with temperature sensing system can help sense temperatures without affecting the prosthetic hand’s normal use.

作者簡介：田艷舉(1988-)，女，河南安陽人，碩士研究生，研究方向為智能假肢的開發(fā)設計；張小棟 (1967-)，男，陜西周至人，教授，博士研究生導師，研究方向為智能檢測診斷與控制技術、智能機器人技術、生物電信號檢測技術及工程應用； 張黎明 (1994-)，男，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向為智能機器人技術。

Key words：temperature sensing; simulation analysis; experimental research;bionic prosthetic

0引言

在仿生假手對對象感知方面，國內外已有一定的研究，比如日本東京電氣通信大學的 Shimojo M 等人利用壓力敏感導電橡膠研制了一種新型的觸覺傳感器，并安裝在機器人的4個手指上，實現(xiàn)了物體的柔順抓??；哈爾濱工業(yè)大學通過在殘存肢體皮膚表面安裝振動電機間接感知假手與抓握對象的觸覺信息，即將觸覺信息轉換成皮膚觸感傳遞會大腦，實現(xiàn)了假手的觸覺感知；清華大學研制了具有觸滑覺功能的肌電假手，以有機壓電(PVDF)材料為敏感元件，當假手接觸物體并滑動時，敏感元件產生交變的響應信號，利用該信號實現(xiàn)了對物體滑動的判斷；為了假手運動更加穩(wěn)定、更加智能化，王偉等人在假手上集成了力/位置傳感器，使抓取過程更加仿人化；本實驗室在第二代仿生假手上安裝了觸滑覺傳感器，實現(xiàn)了觸滑覺感知。

隨著感知技術的提高，人手所具有的感知功能越來越多的被應用在假手上，使得仿生假手在智能化和實用化的基礎上更推進了一步。在人手的諸多感知功能中，對仿生假手的溫度感知技術研究甚少。但人手作為直接與外界環(huán)境接觸的部位，其感知溫度的功能不可小覷且不可替代，比如洗漱時，人習慣于先用手感知水溫是否過冷或過熱，然后再決定是洗漱還是調節(jié)水溫。人手作為人體最靈活的部位，當其接觸到過冷或過熱的物體時，它能夠迅速脫離物體，從而規(guī)避危害。而且，由于人手經(jīng)常接觸不同的物體，其較身體其他部位具有更強的耐熱性和耐寒性，過高或過低的溫度對人手和其他部位的傷害程度不同。因此對仿生假手展開溫度感知的研究就顯得非常重要。

1假手的溫度感知系統(tǒng)

1.1　溫度感知方案論證

為了對仿生假手的溫度感知進行研究，從而為其后續(xù)操作提供參考，提出以下2種方案：

方案1。設定仿生假手溫度感知的閾值，當超出該閾值時，溫度感知系統(tǒng)啟動報警系統(tǒng)，從而引導下一步假手的動作操作。

方案2。通過液晶顯示屏將溫度顯示出來，殘疾人根據(jù)該溫度自行決定下一步的操作，或者放棄操作物體或者開啟下一步的動作。

比較2個方案，方案1雖然系統(tǒng)簡單，但該方案互換性差，對于不同的殘疾人需要設定不同的閾值，且不能滿足同一殘疾人不同時刻對不同溫度的需求。方案2雖然系統(tǒng)復雜，但互換性很好，能夠滿足殘疾人對不同溫度的需求。因而，該仿生假手采用方案2完成溫度感知系統(tǒng)的搭建。

1.2　傳感器的選擇及原理分析

從假手的結構及經(jīng)濟性考慮，選用接觸式溫度傳感器。由于熱敏電阻線性度極差，并在很大程度上依賴于生產工藝，且制造商一般給不出標準化的熱敏電阻曲線，而熱電阻電阻和溫度的關系在有限范圍內呈線性關系，便于后續(xù)的單片機處理，因而選用熱電阻作為假手的溫度敏感元件。由于人手經(jīng)常接觸的是0～100 ℃以內的物體，且當溫度高于100 ℃或低于0 ℃的時候，人可以通過其他的感知功能(如視覺)意識到溫度過高或過低，因而該假手的測溫范圍設定為0～100 ℃，測量的誤差為±0.5 ℃。PT100是一種穩(wěn)定性和線性都比較好的鉑絲熱電阻傳感器，經(jīng)常作為標準電阻溫度計使用，其在0～100 ℃范圍內線性度良好。其熱響應時間小于30 ms。PT100滿足假手的溫度感知需求，因而選用PT100作為測溫元器件。

PT100薄膜薄電阻的厚度只有0.8～0.9 mm，通過黏合劑能夠很好的粘貼在假手上，使得在測溫的同時而不影響假手的正常抓取操作。PT100的阻值與溫度變化近似成正比，其變化關系為：當PT100溫度為0 ℃時，它的阻值為100 Ω；當PT100溫度為100 ℃時，它的阻值為139.10 Ω。

1.3　溫度感知系統(tǒng)的組成

設計的溫度感知系統(tǒng)擬采用PT100作為溫度傳感器，AD623作為信號放大器，TLC1543作為A/D轉換元件，AT89C51作為信號處理單元，LCD1602作為顯示器件。

假手抓取物體后，PT100與物體良好接觸，物體的溫度變化引起PT100阻值的相應變化。測溫的模擬電路將當前PT100的阻值轉換為容易測量的電壓值輸出，經(jīng)過放大器放大后通過A/D轉換器將模擬的電壓值轉換為數(shù)字信號，該數(shù)字信號輸入AT89C51單片機，經(jīng)過單片機的數(shù)據(jù)處理后將溫度傳感器的電阻值轉換為溫度值，并由液晶顯示屏進行顯示。該系統(tǒng)包括PT100的測溫單元、信號處理單元、A/D轉換單元、單片機數(shù)據(jù)處理單元以及溫度顯示單元，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1溫度感知系統(tǒng)的組成

1.4　溫度感知系統(tǒng)的模塊設計

1.4.1PT100傳感器的布置

PT100溫度傳感器可以通過粘貼到假手手心或者指節(jié)內側(靠近手心的一側)來達到測溫的目的。假手手心為平面，粘貼PT100方便且牢固，但是由于精確抓取過程中，物體并未與手心接觸，因而該方案不能滿足需要。而如果將PT100布置在食指的遠指節(jié)上，雖然粘貼不太方便，但無論是精確抓取還是力度抓取時，PT100均能達到測溫的目的，因而PT100采用布置在假手食指遠指節(jié)的方案。由于食指遠指節(jié)的表面積遠大于PT100，此時若采用一片PT100測溫，則待抓取物體不一定能夠與PT100接觸，因而需要按照一定的規(guī)律在仿生假手上布置多個測點。

測溫系統(tǒng)中，擬采用的辦法是，在手指中線布置若干個PT100，作為待抓取物體的測溫元件，并在手指的外緣布置一個PT100，作為環(huán)境測溫元件。PT100布置如圖2所示，中線一共布置3個PT100，其中中線上的PT100比手指邊緣的PT100位置上凸出一定高度，以保證當手指抓取到物體，即中線某個PT100與物體接觸時，環(huán)境測溫的PT100與物體不接觸。由于在抓握物體時假手的手指與物體為點接觸，因而假手手指中線上的PT100只有一個能夠與物體接觸，而位于手指邊緣的PT100可以感知環(huán)境溫度。通過中線PT100上電壓與手指邊緣PT100上電壓的差分關系，可以得到與物體接觸的PT100上的電壓值，經(jīng)過一定的轉換關系，可以得到與物體接觸的PT100的溫度，即為物體的溫度。

圖2　PT100布置

1.4.2恒流源的設計

PT100作為電阻式溫度傳感器，其測溫原理是抓取物的溫度引起PT100阻值的變化，通過電路將PT100的阻值轉變?yōu)槿菀诇y量的電壓或電流信號，再將該模擬信號轉換成數(shù)字信號，通過信號的處理將其顯示為相應的溫度。PT100的信號獲取電路一般有單臂電橋式或恒流源式，如圖3所示。

方案1。采用惠更斯電橋，如圖3a所示。其中R1、R2、R3的阻值恒定且相等，當PT100有一個阻值R4的時候，則對應輸出一個電勢差Uo，即有

(1)

由式(1)可以看出，PT100的阻值與輸出電壓Uo為非線性關系。

方案2。設計一個恒流源通過PT100，從而得到電壓值，如圖3b所示。

圖3　信號獲取電路

由于單臂橋式電路輸出的電壓信號與PT100電阻的變化不是線性關系，因而單片機處理比較復雜；而恒流源的電路輸出的電壓信號與PT100的電阻變化呈良好的線性關系，便于后續(xù)處理，因而本系統(tǒng)采用恒流源的信號采集電路。

恒流源的電路，有的采用三極管或者專用恒流源，也有通過一些器件的巧妙設計實現(xiàn)的，系統(tǒng)采用廉價的運放來搭建，如圖4所示。由于運算放大器虛地，所以OP07的反向輸入端電壓為0 V，則R2上端電壓為0 V。由于該電路中采用了精密電壓源LM336為-2.5 V，同時外加調整電阻RV1以及限流電阻R1，所以R2下端電壓可調整為-2.5 V，則R2兩端電壓為2.5 V，根據(jù)PT100鉑絲電阻的限流范圍，此處選用1 mA的電流，因而選用電阻R2的阻值為2.5 kΩ。由于運放的輸入阻抗極高，輸入端可以認為輸入電流為零，因而流經(jīng)PT100鉑絲電阻的電流等于流經(jīng)電阻R2的電流，從而達到了恒流的目的。

圖4　恒流源的電路

1.4.3信號調理電路的設計

由于恒流源的電流為1 mA，而PT100在0～100 ℃的阻值范圍為100 ～139.10 Ω，則施加在每個PT100兩端的電壓范圍為100～139.10 mV，電壓信號非常微弱，因此該感知系統(tǒng)需要設計放大電路。在本系統(tǒng)中，由于引入了測量環(huán)境溫度和抓取物溫度兩種作用的PT100，所以需要對信號進行差分放大。系統(tǒng)中，擬采用±6 V作為所有運放的電源電壓，由于共模電壓和差分電壓總和遠小于電源電壓，因而應該選用儀表放大器作為差分放大元器件。

由于Proteus中AD620模型錯誤，所以選用與之性能幾乎一致的AD623，以方便電路的仿真分析。AD623的增益通過一只外接電阻可方便的調節(jié)。無外接電阻條件下時，AD623被設置為單位增益(G=1)，接入外接電阻時，增益可高達1 000。AD623的共模抑制比隨增益的增加而增大，同時可以保持最小誤差。AD623功耗較低，電源電壓范圍比較寬，并且線性度、溫度穩(wěn)定性、可靠性比較好。AD623的內部是三運放結構，1腳和8腳之間外接增益電阻RG，增益表達式由G=1+100 kΩ/RG確定。

設計的調理電路如圖5所示，由于測量環(huán)境溫度的PT100只有一個，即RT0，而用于測量抓取物溫度的PT100有3個，分別是RT1、RT2、RT3，所以RT0的電壓需經(jīng)第1個AD623放大3倍輸出電壓U1，然后才能進行減法運算。OP07的輸出電壓U2與U1差分輸入第2個AD623進行第2級放大。第2個AD623的差分輸入即為施加在與物體接觸的PT100兩端的電壓，其范圍為100～139.10 mV?？紤]到AD623的放大倍數(shù)的線性度受電源電壓制約，+6 V和-6 V供電時，線性度在-3.6～+3.6 V間，因此2級放大倍數(shù)選擇20，相應的第2個AD623的輸出電壓U3的范圍為2 000～2 782 mV。由于該放大倍數(shù)不能滿足測量精度要求，所以該調理電路中又設計了3級放大電路。在3級放電路中，第2級放大電路的輸出U3與2 000 mV的電壓差分輸入第3個AD623，這樣可以將PT100 的0℃對應100 Ω的阻值偏置掉，得到第3級放大電路的差分輸入為0～782 mV，根據(jù)AD623的線性范圍，選擇放大倍數(shù)為4倍，對應的第3級放大輸出U4的范圍為0～3128 mV。經(jīng)過3級放大，既滿足了測量精度的要求，也使AD623的輸出限制在其線性區(qū)內。

圖5　信號調理電路

1.4.4溫度感知系統(tǒng)

系統(tǒng)采用AT89C51處理數(shù)字信號，并將最終的溫度示值顯示在液晶顯示屏上。其流程如圖6所示。

圖6　溫度感知系統(tǒng)流程

2溫度感知系統(tǒng)實驗

2.1　虛擬仿真實驗

按照上述原理在Proteus中繪制電路仿真圖，并進行實驗。由于Proteus的器件庫中沒有精密電壓源LM336-2.5V的模型，所以這里采用-2.5 V的恒壓源來代替。本系統(tǒng)中，通過改變4個PT100的溫度示值(其中RT1～RT3中的一個PT100的溫度示值與其他3個不同)進行實驗。實驗顯示，如果嚴格按照增益電阻的理論計算值來設定電位器的值，則實驗得到的溫度值與PT100設定的溫度之間的誤差超出設計要求。根據(jù)實驗理論值和實際值的差異，微調電位器R5。在實驗中，假設環(huán)境溫度為0 ℃，抓取物體的溫度為100 ℃，則設置標號為RT1的PT100的溫度示值為100 ℃，其他3個PT100的示值為0 ℃，實驗結果為99.8 ℃，滿足設計要求。

為了檢驗該溫度感知系統(tǒng)是否正確，按照上述實驗說明進行若干組實驗，實驗結果表明該測溫系統(tǒng)不受環(huán)境溫度影響，系統(tǒng)最大誤差為+0.3 ℃和-0.1 ℃，滿足設計要求，驗證了該溫度感知方案的可行性。

2.2　仿生假手的溫度感知系統(tǒng)實驗

根據(jù)上述溫度感知系統(tǒng)的原理利用實驗室現(xiàn)有元器件搭建假手的溫度感知系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)感知水杯的溫度并與紅外線溫度計的測溫效果進行對比，如圖7和8所示。首先分別用兩種方式測量6組實驗，并通過微調增益電阻用紅外測溫的結果對溫度感知系統(tǒng)的結果進行校準。利用校準后的溫度感知系統(tǒng)進行20組測溫實驗并在相同的條件下進行紅外測溫的驗證，實驗結果為：溫度感知系統(tǒng)的20組實驗中，18組實驗的誤差在±0.5 ℃以內，剩余2組實驗的誤差分別為0.6 ℃和0.9 ℃。實驗結果表明該仿生假手的溫度感知系統(tǒng)偏離設計目標的誤差為10%，該誤差產生的原因有：①紅外線溫度計本身有誤差；②溫度感知系統(tǒng)各個模塊存在誤差。

圖7　假手感知水杯溫度實驗

圖8　紅外線溫度計測量水杯溫度實驗

綜合考慮上述2個誤差原因及2組實驗的溫度偏差程度，說明在正確率允許的范圍內，該系統(tǒng)滿足了仿生假手的設計需求。此外，該溫度感知系統(tǒng)實驗的響應時間不超過4 s，滿足殘疾人的使用需求。并且，整套溫度感知系統(tǒng)僅需100多元，滿足價格低廉的實際需求。

3結束語

通過分析人手的溫度感知功能對生活的重要性及殘疾人對于仿生假手的溫度感知需求，確定了仿生假手的溫度感知方案。根據(jù)假手的形狀及實際需求，選用了PT100作為假手的溫度敏感元件。通過電路的合理設計，完成了整個感知系統(tǒng)的設計。Proteus中的虛擬仿真結果驗證了該系統(tǒng)滿足設計要求。仿生假手的溫度感知實驗則驗證了設計的溫度感知系統(tǒng)的正確性及實用性，從而使得仿生假手在感知仿生方面更推進一步。

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