基于帐篷地图机器人触觉传感器的转换电路

抽象的

力和触觉传感器是机器人感知和控制的基本元素，该元件呼叫大型范围和高精度放大器。本文，一部小说阵列触觉传感器的转换电路通过使用非线性帐篷图现象提出，其特征在于对小信号和非线性放大功能的灵敏度。基于帐篷地图转换电路可以同时实现放大和转换函数。该电路不仅简单，而且易于集成和生产。它非常适合于多径信号的并行采样大阵列触觉传感器的转换。

1.介绍

近几十年来，随着机器人技术的迅速发展，机器人传感器作为机器人的传感元件受到了广泛的关注。多轴力传感器和阵列触觉传感器，特别是通常称为触觉传感器，已经成为机器人传感器研究领域的主要研究内容[1，2］．人们希望机器人触觉传感器可以像具有高测量精度的人类感知器官，具有相似的手力和触觉的整合器官，小型化和柔韧性特性。例如，歌曲开发了一种具有高精度的小型四维自由度腕力传感器，由小的横弹梁，柔顺梁和弹性体的基部组成。它是机械结构中的一种自耦力传感器[3.］．Beyeler等人。设计了一个六轴MEMS力传感器，其具有悬挂的可移动体，其弯曲件允许偏转和旋转沿着-，- - - - - -,-axes。并且该可移动体的取向由七个电容器基于横向感测，导致高灵敏度[4］．马等人提出了一种新颖的非线性静态解耦算法基于耦合误差模型的建立为硬件力传感器,以避免过度拟合和最小化的负面影响校准数据中的随机噪声,从而获得高精确测量结果对机器人硬件力力的控制(5］．虽然机器人阵列触觉传感器可以被视为多点集成力传感器，但由于触觉传感器的灵活和小型化要求，触觉传感器很高，测量原理比Multiaxis力传感器更复杂[6，7］．Song等人提出了一种新的触觉纹理传感器设计方法，利用PVDF薄膜制作高精度、高速响应的纹理传感器[8］．Lee和Won开发了一种新型触觉成像传感器，采用多层聚二甲基硅氧烷光波导作为传感探头，能够高精度测量接触物体的弹性[9］．基于半导体技术、压阻式、电容式、压电式和其他类型的机器人，阵列式触觉传感器正在迅速发展。阵列触觉传感器在阵列尺寸和分辨率上有相应的增加[10，11］．然而，由于测量机构的限制，大多数高分辨率触觉传感器的传感元件输出信号相对较弱。此外，随着触觉阵列的扩展，希望触觉图像信号有一个快速的兑换率。共享相同小尺寸传感器的转换不能满足大尺寸阵列式触觉传感器信号采集的实时性要求。

近年来，非线性系统的一些独特特性由于其独特的特性而在测量领域中占有很大的地位，如混沌系统对小信号的灵敏度[12]、非线性映射[13，非线性信息存储[14和共振随机[15］．本文提出的帐篷图对小信号电路和非线性变换具有独特的特性。一本小说提出了机器人触觉传感器阵列的转换电路，实现了多通道触觉信号的并行采样转化具有高成本性能，具有调节扩增和转换功能集成的优点在于组合，电路简单，易于集成实现。

2.机器人触觉传感器信号采集系统

机器人触觉传感器的典型信号采集电路如图所示1，包括定时控制电路，线路扫描电路，读取电路和接口电路。通过定时控制电路控制和协调整个信号采集过程。根据定时控制电路的布置，排序线扫描电路时钟周期发送周期性激励信号--line阵列敏感元素，而读取电路订购时钟周期读取的输出信号列并行。然后通过由信号调节和信号调节组成的接口电路转换，触觉信号被传送到计算机以进行处理和目标识别。

传统的机器人阵列式触觉传感器，由于阵列尺寸小(约），经常使用转换以完成输出信号的模数转换敏感的元素。

3.小信号非线性放大器基于帐篷地图的转换

帐篷地图是典型的一维混沌系统[16，它被描述为 在哪里，．

这个图包括两个步骤:第一步是均匀拉长间隔它的一倍范围;第二步是将细长间隔折叠成原始间隔．这些迭代操作会导致相邻点索引的分离，最终达到混沌状态。

帐篷图对初值(系统输入信号)的放大不同于线性放大方法。线性放大倍数是一个常数，并且受系统工作范围的限制。处于混沌状态的帐篷映射系统在每次迭代中将信号加倍放大，并将加倍范围对称折叠，使得经过多次迭代，初始小信号最终可以在不超出系统运行范围的情况下被大大放大。

初始值，这对应于帐篷地图系统的输入信号，可以被描述为二进制部分

为了得到离散帐篷映射的迭代输出与初始信号的关系，本文引入了伯努利位移的非线性关系;其动力学方程为

在每次迭代中，伯努利左移二进制分数一个地方

对于Bernoulli Shift，定义为th迭代输出;在那里,，，是一个二进制序列。对于帐篷地图，如果我们定义，则对应关系，,，，详情如下:(1)什么时候， 那是，,然后,；(2）什么时候， 那是，,然后,；（3）什么时候， 那是，,然后,；（4)什么时候， 那是，,然后,．所以，，，是一个灰色代码序列，：

根据上述公式和初始时间，我们可以得到

因此我们设计了一个帐篷地图迭代输出的灰码序列，，转换成伯努利映射的二值序列，，再通过二进制分数序列计算初值，如下所示: 在哪里，，是所需的数字价值。在这里，帐篷地图完成了信号放大和转换功能。

4.实现了对电路的帐篷地图转换

电路基本元件是图中所示的开关电容整体电路2， 在哪里和为模拟开关和和是电容器。时钟，在同一时期处于相反的阶段吗．在前半段,在和是要走;因此,由输入电压充电．在后半期，是,是开着的，所以被指控的．该电路在一段时间内的输出电压是

帐篷图电路由上图所示的上述电路组成3.．零件I和III实施了功能，第二部分和第三部分实现的功能．第四部分是用于保持和延迟的电路。

数字4显示控制逻辑转换。首先，启动信号变高，然后开关用部分I和第二部分连接输入信号。延迟后，触发器产生交换机指令;如果,然后是打开的;如果,然后打开了。当时，控制信号交换机很高，所以充电或被转移到,由于，使输入电压被放大两倍。与此同时,也被收取。在下次0，开关关掉，开关接通，以便充电被转移到和结果．与此同时，与输入信号断开，因此存在迭代反馈循环转换和，是由相同的反馈电压充电来实现的吗和．这个圆圈不断迭代时代。

因此,二进制输出触发器是格雷码序列转换

以上序列，初始条件进入 （6）和Bernoulli二进制序列()。

5.基于帐篷图的阵列式触觉传感器信号采集系统电路

阵列触觉传感器模拟的信号放大的示意图基于帐篷地图电路的转换如图所示5．根据定时控制电路的布置，线路扫描电路将周期性激励信号发送到-线阵敏感元件，同时读取电路读取输出信号列并行。的- 通过同时信令非线性放大和模拟数字转换来产生-Column信号的基于帐篷地图的转换器。生成的灰色代码序列直接发送到计算机，该计算机将完成将灰色代码转换为二进制代码。然后，在定时逻辑的控制下，读取- 下一行上的COLUMN信号，以及完成的放大器和转换，在获得通过计算机的触觉图像信号，我们可以处理触觉信号。

我们可以进行扩增和转换实验敏感元件信号基于上述电路的微阵列触觉传感器。结果第8行8个敏感元素的转换如表所示1，这表明基于帐篷图的电路可以有效地实现放大转换小信号。

数字6是a的输出吗我们根据帐篷地图电路制作的微阵列触觉传感器，在其上放置一个非常轻的六边形铝片。每个触觉感知单元的测量范围为0.01 N ~ 10 N，说明本文提出的帐篷图是基于触觉感知单元的转换电路具有放大范围大、分辨率高的优点。与传统高精度阵列式触觉传感器相比[17]我们的方法更具成本效益，更容易实现。

6.结论

本文提出了一部小说用于机器人阵列触觉传感器的转换电路。该电路利用了帐篷图对小信号电路和非线性变换敏感的独特优势，具有调理放大和非线性变换等优点转换功能集成优势，电路简单，易于集成实现。该方法可以实现多通道触觉信号的并行采样该转换器能够满足大型阵列式触觉传感器信号采集的实时性要求。实验证明了该方法的有效性。

致谢

该工作得到了国家能源管理局的科技项目（NY20110702-1）和2013 - 2014年国家电网公司技术项目（项目名称是电动车充电测试和检测技术研究电池交换基础设施）。

参考

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