張貴相， 郭　峰， 張　春

(清華大學(xué) 微電子研究所，北京 100084)

基于光學(xué)的觸覺傳感器電路設(shè)計(jì)*

張貴相， 郭峰， 張春

(清華大學(xué) 微電子研究所，北京 100084)

摘要:相較于電信號觸覺傳感器，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，通過測量彈性材料受力發(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40 mm×20 mm×15 mm。

關(guān)鍵詞:觸覺傳感器； 光觸覺；標(biāo)記點(diǎn)

0引言

電信號觸覺傳感器可以與信號處理電路直接連接，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越小,但電信號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，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Gelsight傳感器。Gelforce傳感器通過在彈性體內(nèi)部放置標(biāo)記點(diǎn)，測量傳感器受力時(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，通過測量傳感器受力時(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)信號處理算法，并實(shí)現(xiàn)信號處理電路的小型化，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。

圖1　傳感器受力時(shí)標(biāo)記點(diǎn)的位置變化Fig 1　Position change of markers when sensor is applied force

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。設(shè)受到的力F為(Fx,Fy,Fz)，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方向的位移分別如式(1)、式(2)所示

(1)

(2)

式中r為標(biāo)記點(diǎn)到原點(diǎn)的距離，即標(biāo)記點(diǎn)選定后x，y，z和r均為定值；σ為材料的泊松系數(shù)，E為材料的楊氏模量，它們僅與材料自身的力學(xué)特性有關(guān)，當(dāng)彈性體材料選定后,σ與E也為定值。此時(shí)，式(1)、式(2)等號右端除了Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z均為定值，即標(biāo)記點(diǎn)位移由受力點(diǎn)的受力信息決定。

彈性材料的實(shí)際特性接近線性、均勻、各項(xiàng)同性，因而,做此假設(shè)不會產(chǎn)生較大誤差。將彈性體表面劃分為n個(gè)測量點(diǎn)，這種假設(shè)下，當(dāng)n個(gè)點(diǎn)受力時(shí)，用離散空間φ={(F1,F2,…,Fn),(ξ1,ξ2,…,ξn)}表示n個(gè)施加的力Fi和施力位置ξi，彈性體內(nèi)部m個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的位移{d1,d2,…,dm}可以由式(3)計(jì)算出

u(A d→j)=H→i,jF→i

H→i,j=H(d→j-ξ→i)

(3)

式中H(x)為彈性體表面受力信息到彈性體內(nèi)標(biāo)記點(diǎn)位移的轉(zhuǎn)移矩陣，它是一個(gè)2m×3n的矩陣。

傳感器Gelforce工作時(shí)，傳感器的攝像頭可以獲取彈性體內(nèi)標(biāo)記點(diǎn)xy方向的位移，若想通過m個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的位移{ud1,ud2,…,udm}求出彈性體表面n個(gè)測量點(diǎn)的受力{F1,F2,…,Fn}，需求式(3)中H的逆矩陣，即彈性體內(nèi)標(biāo)記點(diǎn)位移到傳感器表面受力信息的轉(zhuǎn)移矩陣G。由文獻(xiàn)[5]可知，當(dāng)H的行數(shù)大于列數(shù)，即2m>3n時(shí)，H的逆矩陣存在，如式(4)所示

G→=(H→TH→)-1H→T

(4)

當(dāng)傳感器表面的測量點(diǎn)數(shù)n<3m/2時(shí)，傳感器表面的受力信息可由彈性介質(zhì)內(nèi)標(biāo)記點(diǎn)的位移及轉(zhuǎn)移矩陣G求出，如式(4)所示

(5)

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需要對采集的圖像進(jìn)行逐像素點(diǎn)掃描、識別，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NiosII實(shí)現(xiàn)。

圖2　處理電路整體結(jié)構(gòu)Fig 2　Overall structure of processing circuit

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。

圖3　處理電路板實(shí)物圖Fig 3　Physical map of processing PCB

處理電路板上的接口排列圖如圖4和圖5所示。

圖4　處理電路板接口分配排列圖(正面)Fig 4　Pareto diagram of interface on processing PCB (front)

圖5　處理電路板接口排列圖(背面)Fig 5　Pareto diagram of interface on processing PCB (back)

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)信號處理電路的測量標(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)，再由信號處理電路計(jì)算每次移動(dòng)后標(biāo)記點(diǎn)到位移量。

測試結(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:信號處理電路實(shí)現(xiàn)測量標(biāo)記點(diǎn)位移的功能，誤差不大于0.125像素。

表1　處理電路功能檢驗(yàn)結(jié)果

4結(jié)束語

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Gelforce傳感器計(jì)算機(jī)端的全部處理過程，且電路尺寸僅為40 mm×20 mm×15 mm，這大大增加了基于光學(xué)的觸覺傳感器的使用范圍。

參考文獻(xiàn):

[1]Yousef H,Boukallel M,Althoefer K.Tactile sensing for dexterous in-hand manipulation in robotics—A review[J].Sensors and Actuators A:Physical,2011,167(2):171-187.

[2]Kamiyama K,Vlack K,Mizota T,et al.Vision-based sensor for real-time measuring of surface traction fields[J].Computer Graphics and Applications,IEEE,2005,25(1):68-75.

[3]Johnson M K,Adelson E H.Retrographic sensing for the mea-surement of surface texture and shape[C]∥2009 IEEE Confe-rence on Computer Vision and Pattern Recognition(CVPR),IEEE,2009:1070-1077.

[4]Kamiyama K,Kajimoto H,Kawakami N,et al.Evaluation of a vision-based tactile sensor[C]∥2004 Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation,ICRA’04,IEEE,2004:1542-1547.

[5]Hetnarski R B,Ignaczak J.Mathematical theory of elasticity[M].Boca Ration:CRC Press,2004.

[6]Sato K,Kamiyama K,Kawakami N,et al.Finger-shaped gelforce:Sensor for measuring surface traction fields for robotic hand[J].IEEE Transactions on Haptics,2010,3(1):37-47.

Circuitdesignforoptics-basedtactilesensor*

ZHANGGui-xiang,GUOFeng,ZHANGChun

(InstituteofMicroelectronics,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Abstract:Compared with tactile sensor based on electrical signal,optics-based tactile sensor has a better property,less influence of environment and higher interference resistance.An optics-based tactile sensor is made of skin-like elastic material with markers array inside.When a force is applied to the sensor,the elastic body deforms and the markers move.The camera captures image of the markers.Distribution of force is calculated by displacement of markers array.EP4CGX30 is used as main processing chip,the circuit is PCBs piled together and the totol size is 40 mm×20 mm×15 mm.

Key words:tactile sensor; optics-based tactile; marker

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0070—03

收稿日期：2015—07—11

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61327809)

中圖分類號:TP 391

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)04—0070—03

作者簡介:

張貴相(1989-)，男，滿族，遼寧本溪人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閳D像處理電路。