维普资讯
http://www.cqvip.com
２０
０ ３年 第 ２
２卷 第 ９期
传感 器技术 （½ ½½ ½ Ｔ½½½ ½½ ½ ½ ½ ½
Ｊ½½ ½ ½ ½½½½ Ｔ½½ ½½ ）
½
３
１
智 ½ 机 器 人 的热 觉研 制
张 乐星
，½志 增
（．
１ 杭州师范 学院 计算机 系 ， 江 杭州 ３ ０ １ ；２ 杭 州电子工业学 院 自动化 系 ，
浙
１０２ ．
浙江 杭州 ３ ０ ３ ）
１０ ７
摘
要 ：传感器是 机器人智 ½化 的基础 ，
通过 对智½ 机器人 的热 觉讨论 ，
给出 了热觉 传感 器 的制½ 方法 ，
包括恒 热源 的选择 、
热电½换 的实现 ，
以及热觉传感 器 中热觉信 号 的分析 与处理 过程 ， 通 过实验 证 明
最后
了其 可行性 。
关键 词 ：机器人 ； ½ ；
智
热觉 ；
传感 器
中图分类号 ：ＴＰ ２
２４
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１０
０ ０—９ ８ （０ ３ ０ —０ ３ —０
７ ７ ２ ０ ）９ ０ １ ３
Ｄ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½½ ½ ½ ½ Ｓ ½ ½ ½ ½ ½½½
½ ½½
½½ ½ ½½ ½½ ½ ½ ½ ’ ½½ ½ ½ ½ ½ ½
Ｚ
ＨＡＮＧ － ½ ½ ，Ｌ Ｏ ½ — ½ ½ ２
Ｌ½ ½ ½ Ｕ
Ｚ ½ ½ ½
½
（ ． ½ ½ ½ ½½ ，
１Ｄ½½ ½½ ½ Ｈ蛐
½Ｃ
½
Ｔ ½½ ½Ｓ ½½ ½Ｈ蛐 咖
½ ½½’ ½ ½ ，
Ｃ ½
３ ０ １ ， ½½
１０ ２ Ｃ½½ ；
２ Ｄ ½ ½ ½½½ ½ ， ½ ½½ Ｉ½ ½½ ½ ½ ½½ ½ Ｅ ½ Ｗ½½ Ｈ½½½ ３ ０ ３ ， ½½ ）
． ½ ½ ½ ½ ½ Ｈ½ ½￣ ½½ ½½ ½Ｅ½ ½½½ ½ ￣
½ Ａ½
½
½
½
， ½ ½￣ １０ ７ Ｃ ½½
Ａ½ ½½ ½ Ｓ ½½ ½ ½ ½ ½ ½½½ ½ ½ Ｓ½½½½½ ½ ． ½½ ½ ½ ½½½½ ½ ½ ½ ½½½ ½ ½½ ½ ½ ½½½½½
½½ ½ ： ½ ½½½ ½ ½½½ ½ ½ ½ ½ ½ ’ ½½½ ½ ½ Ｔ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½½½½½ ½ ½ ½ ’ ½ ½ ½
½
½
½
½
½ ½
½
½½½½，½ ½½½½ ½ ½½½ ½½½ ½½½ ½ ½½ ½½½ ½ ½½ ½½ ½½ ½½½ ½ ½ ½½½ ½ ½ ½ ½½ ½½ ½ ½
½½
½
½ ½ ½ ½½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ，
½
½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½½½ ½ ½ ½ ½ ，½ ½ ½½ ½½ ½
½
½ ½
½½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½½ ½½ ½½½ ½½½ ½½ ，½ ½ ½½½½ ½ ½ ½ ½½½ ½ ½ ½ ½ ½½½½½½ １½½
½ ½ ½½ ½½½ ½½½½ ½ ½½ ½ ½½ ½ ½￣ ½½½ ½½½ ½ ½ ½½ ½½ ½½ ½½½ ½½ ½ ½
½
½ ½
½
½
½
½
½½ ½ ½ ½½ ½ ½ ，½ ½ ½½½ ½½ ½½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½½ ½ ．
½ ½½½½½½ ½， ½½ ½ ½ ½½ ½½½ ½ ½½ ½½ ½ ½½ ½ ½
½
½
½
½½ ½
Ｋ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ；½ ½ ½½ ½ ½ ½；½ ½ Ｄ
½ ½½ ½ ： ½ ½ ；½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½
½
½ ½
½½ ½
½
０ 引 言
持 在 一个 恒定 的温 度 ， 此 温 度应 比环境 温 度 高 ，
且
这
为 了适 应 复 杂 ½ 业 的要 求 ， 器 人 必 须 通 过 各
机
样 ½热觉传感器接触到外界物 ½时 ，
就½ 和外界物
½迅速发生热传递 ；
其次在设计热觉传感器时 ，
要考
虑热觉传感器 中的热 电½换 的实现 问题 ，
即如½将
热觉传感器表面温度 的变化½换 为电量的变化 ，
以
便于进行测量和分析计算。
１ １ 热 觉 传 感 器 中的恒 热 源
．
种传感器及信号处理系统以感知环境或½业 目 的
标
信息 ，
实现 自
适应控制 。在机器人工½ 中有些场合 ，
需要 它对 工 件 的 材 料 做 出物 性 的判 断 ，
比如 区 分 工
件 是 由金属 制 成 的 ，
还是 由非金 属 材料 制 成 的等 等 ，
此项 工 ½可 以 由机器 人 的热 觉来 完 成 。
机器 人 的热觉 是 指 ½机 器人 接 触 到环 境 温度 下
的 目标 物 ½ 时 ， 于 被 接 触 物 ½ 导 热 性 ½ ［½ 差
由
的
异，
机器 人 有 冷暖 程 度 不 同 的 “ 感 ”
手
。机 器 人 根 据
在设计热觉传感器 中的恒热源时 ，
除了要½装
有热觉传感器的机械手在经过预热之后½大致保持
在一个恒定 的温度 ，
而且要考虑恒温 电路 的简单实
用 ， 于 安装 于 机 器 人 的机 械 手 爪 上 。基 于 上 面 两
便
方 面 的考 虑 ， 于热 觉 传 感 器 中 的 恒 热 源 选 用 了 正
对
温 度 系数 的热 敏 电 阻 器 （½½½ ½ ½½½½½½ ½
½½½½½½½½½½ ½½—
½
½ ½ ½ ½ ½ ½Ｉ ）
½ ½ ½½½ ½ ， ， 。
½ ½
½ ）
导热信息 ，
可进一步推断物½是 由什么材料组成的。
人 们 ½有 这 样 的感 觉 经验 ： 同一 环境 温 度 下 ， 手
在
人
触摸 金 属 和非 金 属感 觉不 一 样 ， 属较 冷 ，
金
非金 属 较
暖 ， 是 由于人 手 与 物½ 之 间热 传 导不 一 样造 成 的 。
这
根 据此 原 理 ，
就可 以设计 出智 ½机 械 手 的热 觉 ，
½它½对热传导率相差较大的 目标物½做 出判断 。
１ 热觉 传 感器 的 制½
Ｐ 按 其 温 度 一电 阻 特 性 的不 同 又 可 分 为 两
１
在设 计 热觉 传 感 器
２时 ， 先 要 考 虑 热 觉 传 感
首
种类型 ：
开关型正温度系数热敏电阻（
或称临界正温
热 敏电阻器）
和缓变型（
补偿型 ）
正温度系数热敏电
器 的恒热源 问题 ，
以½它在正常工½时，
表面½够保
收 稿 日期 ：０３ ０ — ３
２０ — ５ ２
■ ½ 一
１ ½ Ｉ ½皿
½
■½
圜½
一
维普资讯
http://www.cqvip.com
３
２
传 感 器 技 术
第２
２卷
阻 。前 者 的温 度 一
电阻特 性 曲线 如 图 １ 示 。
所
预热 之 后 ， 敏 电 阻 器 的 温 度 达 到 居 里 点 温 度 。
热
由
图 １ 知 ： 温 度 到 达 居 里 点 温 度 之 后 ， 敏 电 阻
可
½
热
的 阻值 会 急剧 上 升 。 以 它 从 电压 源 中 吸 收 ½ 量 的
所
功 率 （ ＝ Ｕ２Ｒ ）
Ｐ
／ 急剧 减 小 。
另一 方 面 ，
由于热 敏 电
阻 的居 里 点 温度 超 过 周 围环 境 的温 度 ， 又要 向周
它
围环境 释 放 热½ 量 ， 且 两者 的温度 差 越大 ， 敏 电
而
热
阻 器 向周 围环境 中释放 的½量 越 多越 快 。
温度 ￡
／
由上 面 的分 析 可 知 ，
½热 敏 电 阻 器 的温 度 到 达
图 １ 开 关 型 正 温 度 系数 热敏 电 阻 的 电 阻 一温 度 特 性 曲线
Ｆ½ Ｒ½ ½½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½
½ １
½ ½½ ½ －½
½ ½½ ½ ½ ½ ½
居 里点 温度 之 后 ，
随着 热 敏 电 阻器 从 电压 源 中 吸 收
½量的功率急剧减少 ，
该功率会小于热敏 电阻 向周
围环境 中释 放½ 量 的功 率 ，
即热 敏 电 阻器 的 温 度 要
下降 ；
½温度 下 降 到½ 于 居 里点 温度 时 ， 敏 电阻 的
热
½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½½½ ½ ½½ ½ ½
½½ ½ ½ ½½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½
½在 居里 点 温 度 以 下 ， 敏 电 阻器 的 电 阻 值 大
热
½不变 ，
½达到 居 里 点 温 度 时 ， 值 急 剧 增 大 ，
阻
电阻
温 度 系数 可 达 （ ０ ０ ％ 。缓 变 型 正 温 度 系 数
１ ½６ ）
阻值又要急剧减小 ，
它从 电压源 中吸收½量 的功率
又 要 大 于 向周 围环 境 中释 放 ½ 量 的 功 率 ， 热 敏 电
即
阻 的温 度 又会 上升 。 后 ， 敏 电阻 器 的热 ½ 量交 换
最
热
热 敏 电 阻器 的温 度 一 电 阻 特性 与 开 关 型 相 似 ， 在
½
居里点 温 度 附近 的变 化 不 像 开 关 型那 样 陡 峭 ， 阻
电
温度 系数 在 （ ． ½８ ％ 之 间
０５ ）
会 趋 于一 个 动态 平 衡 状 态 ， 它 的 温 度会 保 持 在 居
即
里 点 温 度 附近 。
所 以 ， 关 型正 温 度 系 数 的热 敏 电 阻器 的两 端
开
热 觉 传 感 器 中 的 恒 热 源 ， 择 了居 里点 温 度 为
选
６ ℃ 的开 关 型正 温 度 系数 热 敏 电 阻 （ 温 度 一电 阻
５
其
特性 曲线 如 图 １ 示 ） 在 ６ ½７ ℃ 温度 区 间 内 ，
所
， ０ ５
其
接 上 一个 恒 定不 变 的 电压 源 ， 起 到所 需 要 的恒 热
会
源 的½ 用 。
１ ２ 热 觉传 感 器 中热 电½换 的 实现
．
温度 一电 阻之 间 的关 系 近 似用 下 式表 示 为
Ｒ￡＝ Ｒ½½ Ｂ（
½ ½ ½— ½ ），
½
（）
１
要 想把 热 觉传 感 器 中温 度 的变 化½ 换 为 电量 的
变 化 ， 以选 择 阻 值 同样 随着 温 度 的 变 化 而 改 变 的
可
金属 热 电 阻器 ½某 一 电路 中 热 电阻 的阻 值 发 生
３。
改变 时 ， 引起 该 电路 中一 些 电量 的变 化 ，
会
由此实 现
热觉 传 感 器 中热 电 的½换 。
热 电阻材 料 一般 有 两类 ：
贵金 属 和非 贵金 属 。
通
常用 于 温 度测 量 的 主要 有 铂热 电 阻 （ 金 属 ）和 镍 、
贵
式 中 Ｒ½为 温 度 ½时 的 阻 值 ， Ｒ½为 温 度 为
Ｑ；
０ （ 常温 ） 的 阻值 ， Ｂ 为 正 温 度 系数 热 敏 电
℃ 或
时
Ｑ；
阻 器 的材料 常数 ， 称热 灵 敏度 ，
又
Ｋ。
对 式 （ ） 边 取对 数 ， 到
１两
得
½Ｒ￡＝ Ｂ（
½
½— ½ ） ½ ，
½ ＋½Ｒ½
贝 有 Ｂ ＝ （ Ｒ ½ ） （
４
１ 一½Ｒ½ ／ ½—½ ）．
½
½
又根 据定 义 ， 电阻温 度 系 数为
其
１
½
‘
铜热 电阻（
非贵金属 ）它们 的结构通常有两种 ：
。
线绕
式 （ 属丝 热 电阻 ）薄膜 式 （ 属薄 膜 热 电 阻 ）金属
金
、
金
。
薄膜 热 电阻器 中用 于测 量效 果 最½ 的是 铂薄 膜 热 电
阻器 ， 电 阻值 在 一２ ０½ ６ ０ 范 围 内有很 ½ 的
其
０
０℃
线性 度 ， 且其 材 料 物理 性 ½相 对 稳定 。
并
与铂 丝 热 电
½
Ｒ￡
。
由式 （ ） Ｒ 求 导 可得
１对
½ ＝ （ Ｒ￡ ½Ｒ０ ／ ½— ½）＝ Ｂ ．
１ 一 ½ ）（
½
０
阻 相 比 ，铂 薄 膜 热 电 阻 具 有 很 小 的 时 间 常 数
（ ０ ５ ） 铂 薄 膜热 电 阻 的这 一 特 性 ， 于快 速 测
≤ ． ，
½
对
量某 一 物 ½ 的温 度 时 ，
或需 要 对 所 测 量 的对 象 进 行
温度 的实 时反 馈 控制 时 ， 是相 ½有 利 的 。 设 计智
½
在
由上式 可 以看 出 ， Ｔ
Ｐ Ｃ热 敏 电 阻器 的 温度 系 数
与 温度 无关 ， 等 于材料 系 数 Ｂ。
并
½在 开关 型 正 温度 系 数热 敏 电阻 的两 端加 上 一
½机械手热觉传感器时 ，
就选用了铂薄膜热 电阻。
１３ 信 号处 理 电路 的设 计 与 分析
．
个 固定 不变 的电压 源 时 ，
由于 电阻 要 从 电压 源 中 吸
收½ 量 ， 以它 的温 度要 不 断 的 升高 。 过 短 时 间的
所
经
热觉传感器的信号处理电路
３如 图 ２
所示 。
维普资讯
http://www.cqvip.com
第 ９期
张乐 星 等 ： ½ 机 器 人 的 热 觉 研 制
智
３
３
械 手在 工 ½ 时 ， 以 根 据 此 阀值 来 确 定 外 界 物 ½ 的
可
热传导性 ，
从而区分开热传导率相差较大的物½ 。
２ 智 ½机 械 手 的热 觉 实验
对热觉传感器 的运行性 ½进行实验 ，
把热觉和
三感觉 （
接近觉 、
接触觉 、
滑觉 ）
组合传感器一起装在
有提 升 功 ½ 的机 械 手 上 ， 各 种 不 同 的 目标 物 ½ 进
对
行 了导 热性 ½ 的判 断 工 ½ ，
目标 物 分 别 为铁 、 、
铝 胶
囤 ２ 信 号 处 理 原 理 囤
Ｆ½ Ｐ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½
½ ２
½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½
½
木、
木头 。½ 者编 写 的 ½ 件 是 通 过 控 制 机 械 手 臂 旋
½ 不 同 的角 度来 告诉 用 户 目标 物 的材 料 组成 ：
（）
１ 如果 目标物 被 判 断为铁 ，
则机 械 手臂 按 逆 时
针 方 向旋 ½ ４ 。 放 下 工件 ；
５后
（ ） 果 目标物 被 判 断为 铝 ，
２如
则机 械 手臂 按 逆 时
针 方 向旋 ½ １。 放 下工 件 ；
５后
（）
３ 如果 目标物 被 判 断 为胶木 ， 机 械 手臂 按顺
则
时 针方 向旋½ １ 。 放 下 工件 ；
５后
（ ） 果 目标物 被 判 断 为木头 ， 机 械 手臂 按顺
４如
则
时 针方 向旋½ ４ 。 放 下工 件 。
５后
表 １是机 械 手热 觉 实验 结 果 。
其 中尺 为随着温度的变化 ，
，
阻值发生相应改变
的铂 薄膜 热 电阻 ，
它经 过 恒热 源 电路 的预 热之 后 ，
表
面保 持在 一 个 大致 恒定 的温 度 （ 约 为 ６ ℃ ） 由前
大
５
。
面 的分析 可 知 ， 热 电阻 的 电 阻 一温 度 特 性 曲线 具
铂
有很 ½ 的线性 度 ， 以在 此 电路 中没 有 考 虑 铂 热 电
所
阻 的线性 化 问题 。
½½ 用 智 ½机 械 手 的热 觉传 感 器 去判 断 物½ 的
材性 而接 触 物½ 时 ，
由于 物 ½ 表 面温 度 ½ 于 热 觉 传
感器表面温度 ， 以发生热传递 而½铂 热电阻的温
所
度下 降 ，
由它 的 温 度 一 电阻 特 性 知 ， 热 电 阻 的 阻
铂
值也要相应降½。
于是 ， ２中 ½点的 电½ 也要
图
下降。
另外 ， 算放 大 器 Ａ
运
２和 电 阻 ， ７ ， 一
Ｒ，
起构 成 差动 放 大器 ， 以 ，
所
½点 的 电½ 为
½
½＝
（ — ½ ）
½．
试验表明热觉传感器可以帮助智½机械手准确
地 判 断 目标 物 的导 热性 ½ 并进 一 步 推 断 目标物 的 材
料组成。
表 １ 机 械 手 热 觉 实 验
Ｔ½ １ Ｍ ½½ ½ ½ ½½ ½ ½½½ ½ ½ ½½½ ￣ ½
½
½ ½ ½½ ½ ½’ ½ ½ ￣ ½½½½
½ ６
、
由于 下 降 ， 不 变 ， 以 也 要 降½ ， 应
所
相
地，
½点 的电½ 也 降 ½ 。
由运算 放 大器 Ａ 和 以及 电阻 Ｒ１， ５Ｒ１，
３
４Ｒ１， ６
Ｒ７ 成 的测 量 放 大器 电路 ， 过 分析 可 知 ：
１组
经
½满 足 条 件 （ ４Ｒ½）＝ （ ７Ｒ１）时 ， 出
Ｒ１／ ５
Ｒ１／ ６
输
电压 为
Ｕ
Ｏ＝ （
１＋Ｒ１／ ５
４ Ｒ１）・（ 一
）
３ 结束 语
用 开 关 型正 温 度 系数 热 敏 电 阻 器 做 恒 热 源 ，
用
所以 ，
½智 ½ 机械 手 接 触 外 界 物 ½ 时 ，
由于
铂热电阻做感温元件 的热觉传感器用于机械手判断
目标 物 的导热 性 ½ 是 可行 的。另 外 铂 热 电 阻器 是 选
择薄膜型的 ，
适合小型化、
装于机器人手指上的要求 。
½是 ，
此种热觉传感器也有它的缺点 ：
只½判断
导 热性 ½ 相差 大 的 目标 物 ½ ， 于导 热 性 ½ 相 差 小
对
的 目标物½ ，
必须½用多传感器信息融合技术 。
参考文献：
［ ½ 姜 为珩 ．
１
传热学 ［ ． 京 ：
Ｍ½北
高等教育 出版 社 ，９ ５ ７ — １
１９ ．９ ８ ．
［ ½ 黄备 庆 ， 发 昌．
２
½
一种机 器人温 觉及热 觉组 合 系统 的研 究 ［ ½
Ｊ．
机 器 人 ，０ ０ ６ ５
２ ０ ． ：０—５
３．
减小 ， 不变 ，
于是输 出电压 Ｕ 增加 ，
０
而且 Ｕ 增加
０
的 幅度 与
减 小 的 幅度 相 关 。
½与 智 ½机 械 手 接
下 降 的也 越
触 的外界 物 ½ 热传 导率 越 大 时 ， 热 电 阻 温 度 下 降
铂
的越 多 ，
电阻减 小 的也越 大 ， 应 的
相
多 ， 到 的输 出 电压 Ｕ
得
０增 加 的越 多 。
于是 可 以通 过
信 号处 理 电路 中 的输 出 电 压 “
。来 判 断 外 界 物 ½ 的
热传 导 特 性 。 。越 大 ， 应 的 物 ½ 热 传 导 率 越 大 ；
Ｕ
对
“ 越小 ， 应 的物 ½ 热传 导 率越 小 。 实 际应 用 中 ，
０
对
在
可 以根据 实 验 测 出几 种典 型 物 ½ 与智 ½机 械 手接 触
［ ½ 黄贤武 ，
３
郑筱霞 ， 波 ．
曲
传感器实际应用 电路 设计 ［ ．
Ｍ】 北京 ：
电子 工 业 出 版 社 ，１ ９ ．８—７ ．
９７６
Ｏ
½者 简介 ：
张乐 星（９５ ， ，
１７ 一）男 安½ 省太湖 县人 ， 师 ，
讲
硕士 ，
现主要 从事
计 算 机 控 制 及 安 全 方 面 的教 学与 研 究 工 ½ 。
时的 “ 值 ，
½ 另外根据物½的热传导特性 、
信号处理
电路 的分 析计 算 等 等 因素 来 确定 Ｕ 的阀 值 。 ½ 机
。
智
京公网安备 11010802033920号
Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved
评论