，，

(西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)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(shù)研究

田艷舉，張小棟，張黎明

(西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)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(lèi)的實(shí)際需求進(jìn)行溫度感知方案的論證，然后針對(duì)假手的溫度傳感器進(jìn)行選型并進(jìn)行測(cè)溫原理分析；根據(jù)選定的方案，進(jìn)行溫度感知各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)；最后搭建整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)并利用Proteus進(jìn)行仿真分析，最后針對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有該溫度感知系統(tǒng)的假手能夠?qū)崿F(xiàn)待抓取物溫度感知功能，且不影響假手的正常抓握。

關(guān)鍵詞：溫度感知；仿真分析；實(shí)驗(yàn)研究；仿生假手

中圖分類(lèi)號(hào)：TP241

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-2257(2015)10-0012-05

收稿日期：2015-06-25

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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(jiǎn)介：田艷舉(1988-)，女，河南安陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄芗僦拈_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)；張小棟 (1967-)，男，陜西周至人，教授，博士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄軝z測(cè)診斷與控制技術(shù)、智能機(jī)器人技術(shù)、生物電信號(hào)檢測(cè)技術(shù)及工程應(yīng)用； 張黎明 (1994-)，男，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)器人技術(shù)。

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

0引言

在仿生假手對(duì)對(duì)象感知方面，國(guó)內(nèi)外已有一定的研究，比如日本東京電氣通信大學(xué)的 Shimojo M 等人利用壓力敏感導(dǎo)電橡膠研制了一種新型的觸覺(jué)傳感器，并安裝在機(jī)器人的4個(gè)手指上，實(shí)現(xiàn)了物體的柔順抓??；哈爾濱工業(yè)大學(xué)通過(guò)在殘存肢體皮膚表面安裝振動(dòng)電機(jī)間接感知假手與抓握對(duì)象的觸覺(jué)信息，即將觸覺(jué)信息轉(zhuǎn)換成皮膚觸感傳遞會(huì)大腦，實(shí)現(xiàn)了假手的觸覺(jué)感知；清華大學(xué)研制了具有觸滑覺(jué)功能的肌電假手，以有機(jī)壓電(PVDF)材料為敏感元件，當(dāng)假手接觸物體并滑動(dòng)時(shí)，敏感元件產(chǎn)生交變的響應(yīng)信號(hào)，利用該信號(hào)實(shí)現(xiàn)了對(duì)物體滑動(dòng)的判斷；為了假手運(yùn)動(dòng)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(guò)程更加仿人化；本實(shí)驗(yàn)室在第二代仿生假手上安裝了觸滑覺(jué)傳感器，實(shí)現(xiàn)了觸滑覺(jué)感知。

隨著感知技術(shù)的提高，人手所具有的感知功能越來(lái)越多的被應(yīng)用在假手上，使得仿生假手在智能化和實(shí)用化的基礎(chǔ)上更推進(jìn)了一步。在人手的諸多感知功能中，對(duì)仿生假手的溫度感知技術(shù)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(shí)，人習(xí)慣于先用手感知水溫是否過(guò)冷或過(guò)熱，然后再?zèng)Q定是洗漱還是調(diào)節(jié)水溫。人手作為人體最靈活的部位，當(dāng)其接觸到過(guò)冷或過(guò)熱的物體時(shí)，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(qiáng)的耐熱性和耐寒性，過(guò)高或過(guò)低的溫度對(duì)人手和其他部位的傷害程度不同。因此對(duì)仿生假手展開(kāi)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(duì)仿生假手的溫度感知進(jìn)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(shè)定仿生假手溫度感知的閾值，當(dāng)超出該閾值時(shí)，溫度感知系統(tǒng)啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，從而引導(dǎo)下一步假手的動(dòng)作操作。

方案2。通過(guò)液晶顯示屏將溫度顯示出來(lái)，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(kāi)啟下一步的動(dòng)作。

比較2個(gè)方案，方案1雖然系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但該方案互換性差，對(duì)于不同的殘疾人需要設(shè)定不同的閾值，且不能滿足同一殘疾人不同時(shí)刻對(duì)不同溫度的需求。方案2雖然系統(tǒng)復(fù)雜，但互換性很好，能夠滿足殘疾人對(duì)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(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)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(chǎn)工藝，且制造商一般給不出標(biāo)準(zhǔn)化的熱敏電阻曲線，而熱電阻電阻和溫度的關(guān)系在有限范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，便于后續(xù)的單片機(jī)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(nèi)的物體，且當(dāng)溫度高于100 ℃或低于0 ℃的時(shí)候，人可以通過(guò)其他的感知功能(如視覺(jué))意識(shí)到溫度過(guò)高或過(guò)低，因而該假手的測(cè)溫范圍設(shè)定為0～100 ℃，測(cè)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(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)使用，其在0～100 ℃范圍內(nèi)線性度良好。其熱響應(yīng)時(shí)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(cè)溫元器件。

PT100薄膜薄電阻的厚度只有0.8～0.9 mm，通過(guò)黏合劑能夠很好的粘貼在假手上，使得在測(cè)溫的同時(shí)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(guān)系為：當(dāng)PT100溫度為0 ℃時(shí)，它的阻值為100 Ω；當(dāng)PT100溫度為100 ℃時(shí)，它的阻值為139.10 Ω。

1.3　溫度感知系統(tǒng)的組成

設(shè)計(jì)的溫度感知系統(tǒng)擬采用PT100作為溫度傳感器，AD623作為信號(hào)放大器，TLC1543作為A/D轉(zhuǎn)換元件，AT89C51作為信號(hào)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(yīng)變化。測(cè)溫的模擬電路將當(dāng)前PT100的阻值轉(zhuǎn)換為容易測(cè)量的電壓值輸出，經(jīng)過(guò)放大器放大后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬的電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)輸入AT89C51單片機(jī)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理后將溫度傳感器的電阻值轉(zhuǎn)換為溫度值，并由液晶顯示屏進(jìn)行顯示。該系統(tǒng)包括PT100的測(cè)溫單元、信號(hào)處理單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、單片機(jī)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(shè)計(jì)

1.4.1PT100傳感器的布置

PT100溫度傳感器可以通過(guò)粘貼到假手手心或者指節(jié)內(nèi)側(cè)(靠近手心的一側(cè))來(lái)達(dá)到測(cè)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(guò)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(yuǎn)指節(jié)上，雖然粘貼不太方便，但無(wú)論是精確抓取還是力度抓取時(shí)，PT100均能達(dá)到測(cè)溫的目的，因而PT100采用布置在假手食指遠(yuǎn)指節(jié)的方案。由于食指遠(yuǎn)指節(jié)的表面積遠(yuǎn)大于PT100，此時(shí)若采用一片PT100測(cè)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(gè)測(cè)點(diǎn)。

測(cè)溫系統(tǒng)中，擬采用的辦法是，在手指中線布置若干個(gè)PT100，作為待抓取物體的測(cè)溫元件，并在手指的外緣布置一個(gè)PT100，作為環(huán)境測(cè)溫元件。PT100布置如圖2所示，中線一共布置3個(gè)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(dāng)手指抓取到物體，即中線某個(gè)PT100與物體接觸時(shí)，環(huán)境測(cè)溫的PT100與物體不接觸。由于在抓握物體時(shí)假手的手指與物體為點(diǎn)接觸，因而假手手指中線上的PT100只有一個(gè)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(guò)中線PT100上電壓與手指邊緣PT100上電壓的差分關(guān)系，可以得到與物體接觸的PT100上的電壓值，經(jīng)過(guò)一定的轉(zhuǎn)換關(guān)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(shè)計(jì)

PT100作為電阻式溫度傳感器，其測(cè)溫原理是抓取物的溫度引起PT100阻值的變化，通過(guò)電路將PT100的阻值轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀诇y(cè)量的電壓或電流信號(hào)，再將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)信號(hào)的處理將其顯示為相應(yīng)的溫度。PT100的信號(hào)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(dāng)PT100有一個(gè)阻值R4的時(shí)候，則對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)電勢(shì)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(guān)系。

方案2。設(shè)計(jì)一個(gè)恒流源通過(guò)PT100，從而得到電壓值，如圖3b所示。

圖3　信號(hào)獲取電路

由于單臂橋式電路輸出的電壓信號(hào)與PT100電阻的變化不是線性關(guān)系，因而單片機(jī)處理比較復(fù)雜；而恒流源的電路輸出的電壓信號(hào)與PT100的電阻變化呈良好的線性關(guān)系，便于后續(xù)處理，因而本系統(tǒng)采用恒流源的信號(hào)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(guò)一些器件的巧妙設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)采用廉價(jià)的運(yùn)放來(lái)搭建，如圖4所示。由于運(yùn)算放大器虛地，所以O(shè)P07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(shí)外加調(diào)整電阻RV1以及限流電阻R1，所以R2下端電壓可調(diào)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(yùn)放的輸入阻抗極高，輸入端可以認(rèn)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(dá)到了恒流的目的。

圖4　恒流源的電路

1.4.3信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

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(gè)PT100兩端的電壓范圍為100～139.10 mV，電壓信號(hào)非常微弱，因此該感知系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)放大電路。在本系統(tǒng)中，由于引入了測(cè)量環(huán)境溫度和抓取物溫度兩種作用的PT100，所以需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行差分放大。系統(tǒng)中，擬采用±6 V作為所有運(yùn)放的電源電壓，由于共模電壓和差分電壓總和遠(yuǎn)小于電源電壓，因而應(yīng)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(cuò)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(guò)一只外接電阻可方便的調(diào)節(jié)。無(wú)外接電阻條件下時(shí)，AD623被設(shè)置為單位增益(G=1)，接入外接電阻時(shí)，增益可高達(dá)1 000。AD623的共模抑制比隨增益的增加而增大，同時(shí)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(nèi)部是三運(yùn)放結(jié)構(gòu)，1腳和8腳之間外接增益電阻RG，增益表達(dá)式由G=1+100 kΩ/RG確定。

設(shè)計(jì)的調(diào)理電路如圖5所示，由于測(cè)量環(huán)境溫度的PT100只有一個(gè)，即RT0，而用于測(cè)量抓取物溫度的PT100有3個(gè)，分別是RT1、RT2、RT3，所以RT0的電壓需經(jīng)第1個(gè)AD623放大3倍輸出電壓U1，然后才能進(jìn)行減法運(yùn)算。OP07的輸出電壓U2與U1差分輸入第2個(gè)AD623進(jìn)行第2級(jí)放大。第2個(gè)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。考慮到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(shí)，線性度在-3.6～+3.6 V間，因此2級(jí)放大倍數(shù)選擇20，相應(yīng)的第2個(gè)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(cè)量精度要求，所以該調(diào)理電路中又設(shè)計(jì)了3級(jí)放大電路。在3級(jí)放電路中，第2級(jí)放大電路的輸出U3與2 000 mV的電壓差分輸入第3個(gè)AD623，這樣可以將PT100 的0℃對(duì)應(yīng)100 Ω的阻值偏置掉，得到第3級(jí)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(duì)應(yīng)的第3級(jí)放大輸出U4的范圍為0～3128 mV。經(jīng)過(guò)3級(jí)放大，既滿足了測(cè)量精度的要求，也使AD623的輸出限制在其線性區(qū)內(nèi)。

圖5　信號(hào)調(diào)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(hào)，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(shí)驗(yàn)

2.1　虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

按照上述原理在Proteus中繪制電路仿真圖，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于Proteus的器件庫(kù)中沒(méi)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(lái)代替。本系統(tǒng)中，通過(guò)改變4個(gè)PT100的溫度示值(其中RT1～RT3中的一個(gè)PT100的溫度示值與其他3個(gè)不同)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)顯示，如果嚴(yán)格按照增益電阻的理論計(jì)算值來(lái)設(shè)定電位器的值，則實(shí)驗(yàn)得到的溫度值與PT100設(shè)定的溫度之間的誤差超出設(shè)計(jì)要求。根據(jù)實(shí)驗(yàn)理論值和實(shí)際值的差異，微調(diào)電位器R5。在實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)環(huán)境溫度為0 ℃，抓取物體的溫度為100 ℃，則設(shè)置標(biāo)號(hào)為RT1的PT100的溫度示值為100 ℃，其他3個(gè)PT100的示值為0 ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為99.8 ℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

為了檢驗(yàn)該溫度感知系統(tǒng)是否正確，按照上述實(shí)驗(yàn)說(shuō)明進(jìn)行若干組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該測(cè)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(shè)計(jì)要求，驗(yàn)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(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述溫度感知系統(tǒng)的原理利用實(shí)驗(yàn)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(jì)的測(cè)溫效果進(jìn)行對(duì)比，如圖7和8所示。首先分別用兩種方式測(cè)量6組實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)微調(diào)增益電阻用紅外測(cè)溫的結(jié)果對(duì)溫度感知系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。利用校準(zhǔn)后的溫度感知系統(tǒng)進(jìn)行20組測(cè)溫實(shí)驗(yàn)并在相同的條件下進(jìn)行紅外測(cè)溫的驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：溫度感知系統(tǒng)的20組實(shí)驗(yàn)中，18組實(shí)驗(yàn)的誤差在±0.5 ℃以內(nèi)，剩余2組實(shí)驗(yàn)的誤差分別為0.6 ℃和0.9 ℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該仿生假手的溫度感知系統(tǒng)偏離設(shè)計(jì)目標(biāo)的誤差為10%，該誤差產(chǎn)生的原因有：①紅外線溫度計(jì)本身有誤差；②溫度感知系統(tǒng)各個(gè)模塊存在誤差。

圖7　假手感知水杯溫度實(shí)驗(yàn)

圖8　紅外線溫度計(jì)測(cè)量水杯溫度實(shí)驗(yàn)

綜合考慮上述2個(gè)誤差原因及2組實(shí)驗(yàn)的溫度偏差程度，說(shuō)明在正確率允許的范圍內(nèi)，該系統(tǒng)滿足了仿生假手的設(shè)計(jì)需求。此外，該溫度感知系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)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(jià)格低廉的實(shí)際需求。

3結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析人手的溫度感知功能對(duì)生活的重要性及殘疾人對(duì)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(shí)際需求，選用了PT100作為假手的溫度敏感元件。通過(guò)電路的合理設(shè)計(jì)，完成了整個(gè)感知系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。Proteus中的虛擬仿真結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。仿生假手的溫度感知實(shí)驗(yàn)則驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的溫度感知系統(tǒng)的正確性及實(shí)用性，從而使得仿生假手在感知仿生方面更推進(jìn)一步。

參考文獻(xiàn)：

Shimojo M,Namiki A,Ishikawa M,etal.A tactile sensor sheet using pressure conductive rubber with electrical-wires stitched method. Sensors Journal , IEEE , 2004 ,4(5):589-596.

湯奇榮，姜力，李楠，等．肌電假手感覺(jué)反饋機(jī)理研究．傳感器與微系統(tǒng)，2008，27(8)：72-74.

姜明文，王人成，羅志增．具有觸滑覺(jué)功能的肌電假手．清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，44(8)：1051-1053.

王偉，姜力，王新慶．具有力/位感知的仿人假手拇指機(jī)構(gòu)．哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，42(9)：1403-1407.

衛(wèi)永琴，高建峰．一種恒流源電路的巧妙設(shè)計(jì)．儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27(9)：1170-1172.