南京工程学院 江苏 南京 210000
摘要：电子皮肤，一种可以让机器人产生触觉的系统，其结构简单，可被加工成各式各样的形状，能像衣服一样附着在设备表面，能够让机器人感知到物体受力的的地点和方位以及受力大小等信息。以往其他高校进行电子皮肤电子皮肤的研制上主要思路为依靠密集的压力传感矩阵同时进行数字判断与模拟信号输入，即一个传感器同时判断压力大小与受力部位，并提高压力传感精度，但此方法成本高昂代价昂贵。我们基于拓展按键矩阵开关，开发出一套成本低廉的机器人电子皮肤，用于精度不高的受力反馈。
关键词:矩阵开关 电子皮肤
一.研究内容
1.国内外研究情况:
早在2003年，日本东京大学的研究团队利用低分子有机物——并五苯分子制成薄膜，通过其表面密布的压力传感器，实现了电子皮肤感知压力。随着尖端材料科学研究的深入，石墨烯、碳纳米等特殊材料因超轻薄、韧性强、电阻率小等优良特性。科学家认为这种石墨烯、碳纳米等特殊材料是电子皮肤的优良“基底”。例如，中国研究人员就使用碳纳米管传感器制成的具有高灵敏度的电子皮肤，可感知到20毫克蚂蚁的重量。[1]
2。电子矩阵开关
矩阵式键盘不同于独立式键盘。一般独立式矩阵键盘，每一个按键对应单片机一个IO口，即有N个按键，就有N 根线，优点是可以按组合键，每个按键彼此不受影响。但是也会有十分突出的缺点，即用线太多，过于占用单片机端口资源。而矩阵键盘则有按键多，占用单片机IO口资源少的特点，虽然不能按下组合键，但对于本项目，经过综合考量，我们使用矩阵键盘。
一般，矩阵键盘连线分为行线与列线，若有四根行线，四根列线，则有4X4 共16个按键，这样极大的节省了资源。对于按键的状态查询一般采用扫描法。
首先将行线所接单片机IO口至为高电平，列线所连IO口作为输入端，若某IO口读取电平状态为高电平，则所连列线上有按键按下，记下列数。行列输入输出反转，将列线所连单片机IO口置为高电平输出，由行线所连单片机IO口检测，若某行线上检测到高电平，则此行线所连按键有按键按下，记下行数，由行数与列数可以唯一确定按键。
[2]
3.FSR电阻片
Force Sensing Resistor是著名Interlink Electronics 公司生产的一款体积小，重量轻，感测精度高，超薄型电阻式压力传感器。这款压力传感器是将施加在FSR传感器薄膜区域的压力转换成电阻值的变化，从而获得压力信息。在一般情况下，压力越大，电阻越低。其允许用在压力0g-10kg的场合。可用于机械夹持器末端感测有无夹持物品，仿生机器人足下地面感测，哺乳类动物咬力测试生物实验，在控制反馈，机器仿生等应用中，使用范围及其广泛。[3]
二.实现方法
我们采用模块化方式处理将电子皮肤的功能分为两个部分，及数字判断与压力传感，由压力传感器判断部位受力大小有灵敏按键开关矩阵判断受力部位，将两部分整合进一块医用硅胶基座中，即可完成一块电子仿真皮肤。将皮肤引出针脚分别接入arduino mega的数字针脚与模拟针脚，即可进行实时判断，感知外部动作并通过输出设备显示。
1.下位机
基于4X4矩阵键盘的特点以及用途，将其拓展为10*10的电子矩阵键盘，用导电墨水在两张硅胶垫上绘制矩阵键盘电路。引出10根行信号线，10根列信号线，共二十根信号线，连接在单片机上并使用扫描法检测受力位置。
将FSR两端，一端接在单片机正极一端接在单片机模拟输入针脚，以检测受力大小。
下位机在按键触动时向上位机发送所按下的位置以及力度。
2.上位机
上位机与下位机进行串口通信，接收下位机发送的数据，如位置，力度等，并在用户界面上显示受力痕迹，如受力程度与受力区域等。通过设置阈值，对受力过度的情况进行报警以防止进一步的损失。
三.结论
本文所述电子皮肤，具有成本低，稳定性高的特点，对于精度要求不高的情况下，是一种十分廉价的方案。
四.研究的创新点
采用全新的解决方案设计机器人皮肤，将压力传感与接触部位判断分开，单独设计电路，以降低成本
五.总结
此款电子皮肤虽很难达到目前先进水平的精度要求，但其低成本，高稳定的特性是其主要竞争优势足以满足对于电子皮肤精度不高的工程应用。
引用
[1] 吕晓洲 用于电子皮肤的新型压力传感器的研究
[2] 谢维成 样加国 单片机原理与应用
[3] FSR402电阻式压力传感器使用说明书
项目内容:本项目为南京工程学院大学生科技创新项目
论文作者:郭润舟 储鑫磊 葛凯强 黄海鹏 金吴亮
论文发表刊物:《科技中国》2016年9期
论文发表时间:2016/12/8
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