CN105318996B

CN105318996B - 一种可同步测试摩擦接触面积的仿生手指

Info

Publication number: CN105318996B
Application number: CN201510196610.8A
Authority: CN
Inventors: 唐玮; 时晓露; 刘佳奇; 朱华; 李猛钢
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2015-04-23
Filing date: 2015-04-23
Publication date: 2018-09-04
Anticipated expiration: 2035-04-23
Also published as: CN105318996A

Abstract

本发明公开了一种同步测试摩擦接触面积的仿生手指，包括：指甲盖、固定螺丝、仿生皮肤、内核、照明光源、凹透镜、全反射镜、微型压力传感器、填充介质、前级放大器、A/D转换器、FPGA芯片、USB控制器、电源模块、信号输出接口、摄像头主系统、微型摄像头。该可同步测试摩擦接触面积的仿生手指在采集压力信号的同时观测接触界面，并测量接触面积大小，保存接触界面的图像信息，对深入分析接触过程中力学信号变化规律起到很大的作用。

Description

一种可同步测试摩擦接触面积的仿生手指

技术领域

本发明涉及一种仿生手指，尤其是一种可同步测试摩擦接触面积的仿生手指。

背景技术

目前在仿生手指的研究领域，研究者希望在采集温度、微振动和力学信号的同时获取其它相关信息量，比如对接触界面的动态图像观测捕捉更多摩擦过程中的瞬变信息，当前存在多种仿生手指，但均不能实现仿生手指与物体在接触过程中摩擦接触面图像信息的同步测量，因此提供一种可同步测试摩擦接触面积的仿生手指就很有必要。

发明内容

为了克服当前仿生手指不能实现在与物体在接触过程中摩擦接触面图像信息同步测量的问题，本发明提供一种可同步测试摩擦接触面积的仿生手指，该可同步测试摩擦接触面积的仿生手指在采集压力信号的同时观测接触界面，并测量接触面积大小，保存接触界面的图像信息，对深入分析接触过程中力学信号变化规律起到很大的作用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该可同步测试摩擦接触面积的仿生手指包括：指甲盖、固定螺丝、仿生皮肤、内核、照明光源、凹透镜、全反射镜、微型压力传感器、填充介质、前级放大器、A/D转换器、FPGA芯片、USB控制器、电源模块、信号输出接口、摄像头主系统、微型摄像头。

指甲盖的材料采用PA1010，该材料轻而硬，能减轻模型整体重量，和固定螺丝共同起到固定仿生皮肤的作用；

固定螺丝采用型号为G208A-3的尼龙66开槽沉头螺丝，公称长度6mm，该固定螺丝穿过指甲盖和仿生皮肤与内核中的内加工的螺纹连接，作用是将指甲盖、仿生皮肤及内核连接成一个整体；

仿生皮肤，采用110-2甲基乙烯基硅橡胶为基础的仿生硅橡胶薄膜，薄膜厚度取1.5mm左右，仿生皮肤外表面加工有指纹，以便于相互区分和编辑，并能起到增加摩擦力的作用；

填充介质采用益术康医用透明质酸钠凝胶，该凝胶具有较好的粘弹性，可使本仿生手指的力学性质更接近人的手指，内核头部底部表面和内核内部的光路通道表面有镀层，能防止光线散射；

内核采用型号为PC 4610-10的光学级聚碳酸酯，该材料与人骨密度相近，透光率较好，能为图像采集提供良好的光线条件；

凹透镜的型号为HP-019，材质为ZF4，折射率1.7，直径10mm，焦距-5mm，与仿生皮肤的距离为8mm，该凹透镜的作用是使仿生皮肤与物体接触界面形成一个完整缩小的虚像，并传送至全反射镜上，手指接触物体表面的压力限定为0～2N；

全反射镜的型号为ZF14，折射率1.9，截面总长12mm，总宽12mm，厚度12mm，反射面上开一凹槽，凹槽底面与内核之间以空气隔离；作用是使虚像的入射光线发生全反射，传送至手指内核尾部的微型摄像头中；

照明光源采用型号LG-324UWC的内凹直插LED灯珠，直径3mm，光照强度150～800mcd，白光6500～7000k，四只LED灯珠在手指内核底部围绕凹透镜以相等间隔排布，固定在内核底部凹槽内，四只LED灯珠串联，一端接15V电压，另一端接一只30Ω的限流电阻R1；照明光源的作用是克服光线条件差的外界环境的局限，为透镜成像、图像采集提供充足光源；

摄像头模组的型号为408M-T，由摄像头主系统和微型摄像头组成，微型摄像头尺寸6.5mmx6.5mmx4mm，像素200万，图像分辨率480P(720*480)，实现50帧/秒(PAL)的画面更新速率状态下的高速拍摄功能，该摄像头模组接5V电源，摄像头输出信号段连接上位PC机；其作用是接受来自全反射镜的光学信息，并将其转换为数字化影像信号，然后将图像信号传送给PC机；

微型压力传感器的型号为FSR400，量程10gf～1kg，该微型压力传感器一端接-5V电压，另一端接前级放大器，微型压力传感器的作用是获取接触界面的实时力学信息，将力学信号转化为电信号；微型压力传感器用胶水均匀粘贴在仿生皮肤内部，位于凹透镜下方；

前级放大器的型号为MCP6001，该前级放大器有5个引脚，其中引脚1为输出端，引脚2、3接地，引脚4接微型压力传感器输出端，引脚5接5V电源，引脚1、4之间接一只反馈电阻Rf，阻值为10kΩ，该前级放大器的作用是将微型压力传感器的微弱电信号进行放大处理；

FPGA芯片的型号为EP10K250A，该FPGA芯片有100个引脚，其中引脚5接3.3V电源，引脚6接地，引脚17接50MHz晶振，FPGA芯片用于提供芯片的时钟信号；

A/D转换器的型号为MCP3208，该型号A/D转换器有16个引脚，其中引脚1接MCP6001芯片的引脚1，引脚16接3.3V电源，引脚9、14接地，引脚10、11、12、13分别接EP10K250A芯片的引脚4、3、2、1；该A/D转换器的作用是将模拟电信号转换为便于处理的数字电信号；

数据传输模块选用型号为CY7C68013的USB控制器，该芯片有100个引脚，其中引脚1接3.3V电源，引脚99接GND，引脚77、72、71、67、56、55、4和3分别接EP10K250A的引脚25、32、33、37、86、87、98和99，引脚34～37、44～47、80～83、95～98分别接EP10K250A的引脚40～55，引脚10、11接24MHz晶振，晶振通过两个22PF的瓷片电容C1和C2接地，引脚17接USB D+，用于实现与USB D+的信号连接，引脚18接USB D-，用于实现与USB D-的信号连接。该USB控制器芯片的作用是负责将底层信号调制并通过USB串口向PC机上行输出数据包，同时将PC机的控制信号下行传送至底层单元；

电源模块是型号为JCA10全隔离型超薄开关电源，该电源模块能实现直流电压15V\5V\3.3V\-5V电压隔离输出，具有温度保护、过载保护及短路保护；该电源模块的作用是将市电220V交流电压转换为可供手指模型使用的稳压直流电源。

使用时，仿生手指采集力学及图像信号的步骤为：动态的数据信号经过1条电压信号线被采集进入前级放大电路，放大信号进入MCP3208芯片进行模数转换；模拟信号进入MCP3208芯片后，进行数模转换过程，最终被转换为数字信号；来自A/D转换器的数字信号进入EP10K250A芯片，对信号进行计算后输出；从EP10K250A芯片输出的信号进入CY7C68013芯片，CY7C68013芯片对数据进行缓存，然后经由USB接口传送到上位的PC机，通过运行虚拟仪器软件，按照预定的算法，解析出信号，将数据存盘；对存盘数据分析，计算得到受力大小，同时将摄像头模组拍摄的图像信号经由USB接口传送到上位的PC机，结合视频解码软件动态显示图像信号，可选择拍照或录像，并利用图像处理软件同步计算接触面积的大小，之后结合力和受力面积可计算出压强大小。

本发明的有益效果是：该可同步测试摩擦接触面积的仿生手指在采集压力信号的同时观测接触界面，并测量接触面积大小，保存接触界面的图像信息，对深入分析接触过程中力学信号变化规律起到很大的作用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的仿生手指主视剖视图。

图2是本发明的仿生手指去除仿生皮肤后的内核仰视图。

图3是本发明的系统电路图。

图中，1.指甲盖，2.固定螺丝，3.仿生皮肤，4.内核，5.照明光源，6.凹透镜，7.全反射镜，8.微型压力传感器，9.填充介质，10.前级放大器，11.A/D转换器，12.FPGA芯片，13.USB控制器，14.电源模块，15.信号输出接口，16.摄像头主系统，17.微型摄像头。

具体实施方式

图中，一种可同步测试摩擦接触面积的仿生手指，包括：指甲盖1、固定螺丝2、仿生皮肤3、内核4、照明光源5、凹透镜6、全反射镜7、微型压力传感器8、填充介质9、前级放大器10、A/D转换器11、FPGA芯片12、USB控制器13、电源模块14、信号输出接口15、摄像头主系统16、微型摄像头17。

指甲盖1的材料采用PA1010，该材料轻而硬，能减轻模型整体重量，和固定螺丝2共同起到固定仿生皮肤3的作用；

固定螺丝2采用型号为G208A-3的尼龙66开槽沉头螺丝，公称长度6mm，该固定螺丝2穿过指甲盖1和仿生皮肤3与内核4中的内加工的螺纹连接，作用是将指甲盖1、仿生皮肤3及内核4连接成一个整体；

仿生皮肤3，采用110-2甲基乙烯基硅橡胶为基础的仿生硅橡胶薄膜，薄膜厚度取1.5mm左右，仿生皮肤3外表面加工有指纹，以便于相互区分和编辑，并能起到增加摩擦力的作用；填充介质9采用益术康医用透明质酸钠凝胶，该凝胶具有较好的粘弹性，可使本仿生手指的力学性质更接近人的手指，内核4头部底部表面和内核4内部的光路通道表面有镀层，能防止光线散射。

内核4采用型号为PC 4610-10的光学级聚碳酸酯，该材料与人骨密度相近，透光率较好，能为图像采集提供良好的光线条件；

凹透镜6的型号为HP-019，材质为ZF4，折射率1.7，直径10mm，焦距-5mm，与仿生皮肤3的距离为8mm；该凹透镜6的作用是使仿生皮肤3与物体接触界面形成一个完整缩小的虚像，并传送至全反射镜7上，手指接触物体表面的压力限定为0～2N；

全反射镜7的型号为ZF14，折射率1.9，截面总长12mm，总宽12mm，厚度12mm，反射面上开一凹槽，凹槽底面与内核4之间以空气隔离；作用是使虚像的入射光线发生全反射，传送至手指内核4尾部的微型摄像头17中；

照明光源5采用型号LG-324UWC的内凹直插LED灯珠，直径3mm，光照强度150～800mcd，白光6500～7000k，四只LED灯珠在手指内核4底部围绕凹透镜6以相等间隔排布，固定在内核4底部凹槽内，四只LED灯珠串联，一端接15V电压，另一端接一只30Ω的限流电阻R1；照明光源5的作用是克服光线条件差的外界环境的局限，为透镜成像、图像采集提供充足光源；

摄像头模组的型号为408M-T，由摄像头主系统16和微型摄像头17组成，微型摄像头17尺寸6.5mmx6.5mmx4mm，像素200万，图像分辨率480P(720*480)，实现50帧/秒(PAL)的画面更新速率状态下的高速拍摄功能，该摄像头模组接5V电源，摄像头输出信号段连接上位PC机；其作用是接受来自全反射镜7的光学信息，并将其转换为数字化影像信号，然后将图像信号传送给PC机；

微型压力传感器8的型号为FSR400，量程10gf～1kg，该微型压力传感器8一端接-5V电压，另一端接前级放大器10，微型压力传感器8的作用是获取接触界面的实时力学信息，将力学信号转化为电信号；微型压力传感器8用胶水均匀粘贴在仿生皮肤3内部，位于凹透镜6下方；

前级放大器10的型号为MCP6001，该前级放大器10有5个引脚，其中引脚1为输出端，引脚2、3接地，引脚4接微型压力传感器8输出端，引脚5接5V电源，引脚1、4之间接一只反馈电阻Rf，阻值为10kΩ，该前级放大器10的作用是将微型压力传感器8的微弱电信号进行放大处理；

FPGA芯片12的型号为EP10K250A，该FPGA芯片12有100个引脚，其中引脚5接3.3V电源，引脚6接地，引脚17接50MHz晶振，FPGA芯片12用于提供芯片的时钟信号；

A/D转换器11的型号为MCP3208，该型号A/D转换器11有16个引脚，其中引脚1接MCP6001芯片的引脚1，引脚16接3.3V电源，引脚9、14接地，引脚10、11、12、13分别接EP10K250A芯片的引脚4、3、2、1；该A/D转换器11的作用是将模拟电信号转换为便于处理的数字电信号；

数据传输模块选用型号为CY7C68013的USB控制器13，该芯片有100个引脚，其中引脚1接3.3V电源，引脚99接GND，引脚77、72、71、67、56、55、4和3分别接EP10K250A的引脚25、32、33、37、86、87、98和99，引脚34～37、44～47、80～83、95～98分别接EP10K250A的引脚40～55，引脚10、11接24MHz晶振，晶振通过两个22PF的瓷片电容C1和C2接地，引脚17接USB D+，用于实现与USB D+的信号连接，引脚18接USB D-，用于实现与USB D-的信号连接。该USB控制器13芯片的作用是负责将底层信号调制并通过USB串口向PC机上行输出数据包，同时将PC机的控制信号下行传送至底层单元；

电源模块14是型号为JCA10全隔离型超薄开关电源，该电源模块14能实现直流电压15V\5V\3.3V\-5V电压隔离输出，具有温度保护、过载保护及短路保护；该电源模块14的作用是将市电220V交流电压转换为可供手指模型使用的稳压直流电源；

使用时，仿生手指采集力学及图像信号的步骤为：动态的数据信号经过1条电压信号线被采集进入前级放大电路，放大信号进入MCP3208芯片进行模数转换；模拟信号进入MCP3208芯片后，进行数模转换过程，最终被转换为数字信号；来自A/D转换器11的数字信号进入EP10K250A芯片，对信号进行计算后输出；从EP10K250A芯片输出的信号进入CY7C68013芯片，CY7C68013芯片对数据进行缓存，然后经由USB接口传送到上位的PC机，通过运行虚拟仪器软件，按照预定的算法，解析出信号，将数据存盘；对存盘数据分析，计算得到受力大小，同时将摄像头模组拍摄的图像信号经由USB接口传送到上位的PC机，结合视频解码软件动态显示图像信号，可选择拍照或录像，并利用图像处理软件同步计算接触面积的大小，之后结合力和受力面积可计算出压强大小。

Claims

1.一种可同步测试摩擦接触面积的仿生手指，包括：指甲盖(1)、固定螺丝(2)、仿生皮肤(3)、内核(4)、照明光源(5)、凹透镜(6)、全反射镜(7)、微型压力传感器(8)、填充介质(9)、前级放大器(10)、A/D转换器(11)、FPGA芯片(12)、USB控制器(13)、电源模块(14)、信号输出接口(15)、摄像头主系统(16)、微型摄像头(17)；其特征是：指甲盖(1)的材料采用PA1010；固定螺丝(2)采用开槽沉头螺丝，该固定螺丝(2)穿过指甲盖(1)和仿生皮肤(3)与内核(4)中的内加工的螺纹连接；仿生皮肤(3)，采用硅橡胶为基础的仿生硅橡胶薄膜，仿生皮肤(3)外表面加工有指纹；填充介质(9)采用医用透明质酸钠凝胶，内核(4)头部底部表面和内核(4)内部的光路通道表面有镀层；内核(4)采用光学级聚碳酸酯；凹透镜(6)的材质为ZF4，折射率1.7，直径10mm，焦距-5mm，与仿生皮肤(3)的距离为8mm；全反射镜(7)的型号为ZF14，反射面上开一凹槽，凹槽底面与内核(4)之间以空气隔离；照明光源(5)采用LED灯珠，四只LED灯珠在仿生手指内核(4)底部围绕凹透镜(6)以相等间隔排布，固定在内核(4)底部凹槽内，四只LED灯珠串联，一端接15V电压，另一端接一只30Ω的限流电阻R1；摄像头模组的型号为408M-T，由摄像头主系统(16)和微型摄像头(17)组成，该摄像头模组接5V电源，摄像头输出信号端连接上位PC机；微型压力传感器(8)的型号为FSR400，其一端接-5V电压，另一端接前级放大器(10)，微型压力传感器(8)用胶水均匀粘贴在仿生皮肤(3)内部，位于凹透镜(6)下方；前级放大器(10)的型号为MCP6001，其引脚1为输出端，引脚2、3接地，引脚4接微型压力传感器(8)输出端，引脚5接5V电源，引脚1、4之间接一只反馈电阻Rf，阻值为10kΩ；FPGA芯片(12)的型号为EP10K250A，其引脚5接3.3V电源，引脚6接地，引脚17接50MHz晶振；A/D转换器(11)的型号为MCP3208，其引脚1、引脚16接3.3V电源，引脚9、14接地，引脚10、11、12、13分别接EP10K250A芯片的引脚4、3、2、1；数据传输模块的型号为CY7C68013，其引脚1接3.3V电源，引脚99接GND，引脚77、72、71、67、56、55、4和3分别接EP10K250A的引脚25、32、33、37、86、87、98和99，引脚34～37、44～47、80～83、95～98分别接EP10K250A的引脚40～55，引脚10、11接24MHz晶振，24MHz晶振通过两个22PF的瓷片电容C1和C2接地，引脚17接USBD+，引脚18接USB D-；电源模块(14)是型号为JCA10全隔离型超薄开关电源。