基于Matlab的接触压力分布测量系统的设计

的功能。
接触轮廓和压力分布 ； 确保车 门的密封性 ， 需要 测量 车门密 封条在关 门时 的受 力分 布。由此可见 ， 接触 压力 分布 的测
量是解决 以上 问题 的关键 诊断工 具 。美 国的 Ｔ ｋｃｎ 司 ｅｓａ 公
１ 系统 总体设计
柔性触觉传感器压力分布采集分析系统 以计算 机为硬
测量 和 显 示 。
关键 词 ：柔性 触觉传感 器 ； 接触压力分 布 ； ｔ ｂ 数据采集 Ｍａａ ； ｌ
中 图 分 类 号 ：Ｔ １ Ｐ２２
’ ～ － 一
文 献 标 识 码 ：Ａ
・ ・
文 章 编 号 ：１０ －７ ７ ２ １ ）６ ０９ －４ ００ ９８ （ ０ １ ０ －０ ６０
９ ６
传感器与微 系统 （ ｒｎｄ ｃｒａｄＭ ｃ ｓｓ ｍ Ｔ ｃｎｌ ｉ ） Ｔａ ｓｕ ｅ ｎ ｉｒ ｙｔ ｅｈ ｏ ｇｅ ｏ ｅ ｏ ｓ
２１ ０ １年 第 ３ Ｏ卷 第 ６期
基 于 Ｍａｌｂ的接 触 压 力分 布 测 量 系统 的设 计 ｔ ａ
张 武， 黄 英 ，曹广辉 ， 小文 赵
中， 由于糖尿病患者容易形成糖尿病足 ， 可以测量足底的动
环境下柔 性触 觉传 感器 的接 触压 力分 布测 量 系统 。利 用
Ｍａａ ｔ ｂ提供 的设备 控制 工具 箱 （ｎｔ ｍ ｎ ｏ ｔ ｌ ｏｌｏ ） ｌ ｉｓｕ ｅｔｃｎ ｏ ｔ ｂｘ ｒ ｒ ｏ
态压力分布来提前 发现病 征 ； 牙科 医生 要诊 断病 人 的牙 齿 咬合状况 时， 需要测量病 人上下牙 齿 间咬合力 的大小 和分
０ 引 言
本文所用 的触觉传感器可 以检测作用于接触面 的压力 的空间分布和大小 ， 而且具有类似 于皮肤柔韧性 的特点 ， 非 常适合各种接触面 之间 的压力 测量 。为 此 ， 计 了 Ｍａ ａ 设 ｔｂ ｌ
对各种接触压力分 布 的测 量和分 析 ， 许多 行业 的研 在
究和发展 中起 着极 其 重 要 的作 用 。例 如 ： 医疗 领 域 在
出信号经过调理 电路 处理 后 ， 在单 片机控 制下完 成多 路模
２ 硬件系统设计
拟 信号的分时采集和 Ａ Ｄ转换 ， ／ 最终通 过 串 口模 块将 数据 传送 给上位机处理 。
系统 的硬件设计主要包括柔性触觉 传感器 阵列 的设计
和单 片机采 样电路 两部 分。其 中 ， 片机 采样 电路 主要完 单
ｓａ ｉ ｔ ｎ ｅ ｏｕ ｉ ｎ ａ ｄ ｔ ｅ ｃ ｎ ａ ｔｐ ｅ ｓ ｒ ｉ ｒ ｕｉｎ ｏ ｅ ｉ ｌ ａ ｔ ｅ ｓ ｎ ｏ ｕ ａ ｅ ｒ ａ— ｍｅ ｄ ｎ ｍｉ ｔｂ ｌ ｙ ａ ｄ ｒ ｓ ｌ ｔ ， ｎ ｈ ｏ ｔｃ ｒ ｓｕ ｅ ｄ ｓｉ ｔ ｆｆ ｘ ｂ ｅ ｔｃ ｉ ｅ ｓ ｒ ｓ ｒ ｃ ， ｅ ｌｔ ｙ ａ ｃ ｉ ｏ ｔｂ ｏ ｌ ｌ ｆ ｉ ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ ｎ ｉｐ ａ ａ ｅ ａ ｈｅ ｅ ｏ ｖ ｎ ｅ ｔ ． ａ ｕ ｅ ｎ ｄ ｄ ｓ ｌｙ ｃ ｎ ｂ ｃ ｉｖ ｄ ｃ ｎ ｅ ｉｎ ｌ ａ ｙ Ｋｅ ｒ ｓ ｆ ｘ ｂｅ ｔｃｉ ｅ ｓ ｒ ｃ ｎ ａ ｔｐ ｅ ｓ ｒ ｉｔ ｂ ｔ ｎ； ｔ ｂ； ａａ ａ ｑ ｉｉ ｏ ｙ ｗｏ ｄ ： ｌ ｉ ｌ ａ ｔ ｅ ｓ ｎ ｏ ； ｏ ｔｃ ｒ ｓ ｕ ｅ ｄ ｓ ｕ ｉ Ｍａｌ ｄ ｔ ｃ ｕ ｓｔ ｎ ｅ ｌ ｉ ｒ ｏ ａ ｉ
布特性 。汽车行业 中 ， 研究座椅 的舒适性 ， 需要 测量 人体 对 座椅 的压力分布 ； 提高轮胎 的性能 ， 需要测量 轮胎与地面的
对串 口通信与图形用户界面 （ Ｕ ） Ｇ Ｉ工具 箱对用户界 面设计 的支持 ， 对压力信号进行采集处理 ， 方便地实现了对压力分 布情况的图像显示 、 数据存储和评估 ， 系统具备 了实时监测
（ 、） 一 ２
其 中， ， Ｒ 为集成运放 的反馈 电阻 。利用式 （ ） １ 和式 （ ） ２ 可定义一个系数 Ｃ， 将 表示为
Ｖ ＝Ｃ ． ｏ Ｆ （） ３
通过实验标定 ， 可以确定该系数值。式（ ） ３ 提供 了压力
信号和采集到 的电压信号进行 转换 的依 据。
２ ２ 硬 件 采 样 电路 ．
通信 ， 通过串 口将采样转换到 的数字信号 传输给计算 机 ， 再
在 Ｍ ｔ ｂ环境 中读取 、 ａａ ｌ 处理 串口数据 。本系统采用 Ａ Ｍ Ｌ ＴＥ
基金项 目： 国家 自然科 学基金 资助项 目（ １７ ０ ２ ； ６０ ２ ３ ） 国家“ ６ ” ８ ３ 计划资助项 目（ ０ ７ Ａ ４ ２ ０ ２０ Ａ ０ Ｚ ２ ）
接地 。这样 ， 所选列上 的每个单 元 的电阻值 Ｒ 都可通 过所在行的集成运算放大器输 出值 计算得到
ＶｄｖＲｆ ｉ ｆ ｖｏ ： ｏ ｕｔ ’ ．
ｅ
操作 ， 输出柔性触觉传感 器采集后的压力 分布 图像 ， 作 其工
原理 图如图 １ 所示 。在 Ｇ Ｉ Ｕ 里提供 的功 能包 括实时 图像 显 示、 图像和数据保存 、 历史数据 重现 等。
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ａ ｃ ｎ ａ ｔｐ ｅ ｓ ｒ ｉｔ ｂ ｔ ｎ ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔｓ ｓｅ ｗ ｉｈ ｉ ｂ ｓ ｄ ｏ ｅ ｉ ｌ ａ ｔ ｅ ｓ ｎ ｏ ｎ ｔ ｓ ｒ ｃ ： ｏ ｔｃ ｒ ｓ ｕ ｅ ｄ ｓ ｕ ｉ ａ ｕ ｅ ｎ ｙ ｔ ｍ ｈ ｃ ｓ ａ ｅ ｎ ｆ ｘｂ ｅ ｔｃｉ ｅ ｓ ｒａ ｄ ｉ ｉ ｒ ｏ ｌ ｌ ｓ ｄ ｓｇ ｐ ｒａ ｈ ｂ ｔ ｂ ａ ｅ ｉ ｔ ｄ ｃ ｄ ｅ ｉｎ ａ ｐ ｏ ｃ ｙ Ｍａｌ ｒ ｎ ｒ ｕ ｅ ．Ｔ ｉ ｙ ｔ ｍ ｏ ｓｓ ｆｔ ｒ ｅ ｐ ｎｓ ｈ ｅ ｉ ｌ ａ ｔ ｅ ｓ ｎ ｏ ｒａ ａ ｏ ｈ ｓ ｓ ｓｅ ｃ ｎ ｉｔ ｏ ｈ ｅ ａ ：ｔ ｅ ｆ ｘ ｂｅ ｔｃｉ ｅ ｓ ｒ ａ ｒｙ， ｓ ｌ ｌ ｓｇ ａ ｐ ｏ ｅ ｓｎ ｏｌ ｃｉｎ ｃｒ ｕ ｔａ ｄ ａ ａｙ ｉｇ ｓ ｆ ｒ ． Ｔ ｅ ｒ ａ — ｍｅ ｄ ｎ ｍｉ ｌ — ｈ ｎ ｅ ｅ ｓ ｒ ｓｇ ａｓ ｉｎ ｌ ｒ ｃ ｓ ｉ ｇ ｃ ｌ ｔ ｉ ｉ ｎ ｎ ｌｚｎ ｏｔ ｅ ｅ ｏ ｃ ｗａ ｈ ｅ ｔ ｙ ａ ｃ ｍｕ ｔ ｃ ａ ｎ ｌｓ ｎ ｏ ｉｎ ｌ ｌ ｉ ｉ ｄ ｔ ｃ ｕ ｓｔ ｎ ｄ ｓ ｌｙ， ｎ ａ ａｓｏ ａ ｅ ａ ｅｆ ｃ ｓ ｄ ｉ ｅ ａ ａｙ ｉ ｇ ｓ ｆ ａ ｅ ｐ ｒ ｗｈｃ ｅｆ ｒ ｕ ｃｉｎ ｕ ｈ ａａ ａ ｑ ｉｉ ｏ ， ｉｐ ａ ａ ｄ ｄ ｔ ｔｒ ｇ ｒ ｏ ｕ ｅ ｎ ｔ ｎ ｚｎ ｏｔ ｒ ａ ｔ ｉｈ ｐ ｒ ｍｓｆ ｎ ｔ ｓｓ ｃ ｉ ｈ ｌ ｗ ｏ ｏ
图 １ 采集 分 析 系统 原 理 图
Ｆｉ Ｓｃ ｅ ｔｃ ｄ ａ ｒ ｍ ｆｔ ｃ ｉｉｉ ｎ ａ ｄ ａ ａ ｙ ｉ ｙ ｔ ｍ ｇ１ ｈ ｍａ ｉ ｇ ａ ｏ ｉ ｈｅ ａ ｑｕ ｓｔｏ ｎ ｎ ｌ ｓ ｓｓ ｓ ｅ
硬件采样电路的原理 图如 图 ３所示 。传感器 阵列的输
ａ ｏ ｏ ｖ ｎ ｉ ｎ ｌ ｒｃ ｓ ｉ ｇａ ｄ ｄ ｓ ｂ ｔ ｎ ｉ ｇ ｉｐ ａ ． ｈ ｅ ｕ ｔ ｉ ｄ ｃ ｔｄ ｔ ａ ｉ ｓ ｓｅ ｈ ｓｇ ｏ ｓ ｓ ｍｅ ｃ ｎ ｅ ｔ ａ ｆ ｅｐ ｏ ｅ ｓ ｎ ｉｔ ｕ ｉ ｍａ ｅ ｄｓ ｌｙ Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｎ ｉａｅ ｈ ｔ ｈ ｓ ｙ ｔｍ ａ ｏ ｄ ｏｌ ｉ ｎ ｉ ｒ ｏ ｓ ｔ
第 ６期
张
武 ， ： 于 Ｍａａ 等 基 ｔｂ的接触 压力 分布测量系统 的设计 ｌ 驱动电压 的同时使 其 它 的列 经过 传 感器 单元 漏 电 阻
公 司生产 的低功耗型单片机 ＭＣ Ａ ８ Ｓ １作为下位机 的控 Ｕ Ｔ９５
制 中心 ， 控制采集 系统 的运行 。Ｇ Ｉ Ｕ 则用 于实现用户 的交 互
成 阵列 信号的采集 ， 并将 经过 Ａ Ｄ转 换 的数 据传 输给上 位 ／
机 串 口。
２ １ 阵 列式 柔 性 触 觉传 感 器原 理 与 结构 ．
考 虑到满 足不 同接触 表面状 况 的需要 ， 选取 的材料应 尽 可能柔软 、 厚度 要薄 。最 终选 择力 敏导 电橡胶 作 为传感 器 系统 的敏感单 元 ， 并采用 聚酰 亚胺 薄膜 作为柔 性基 底来 制备 ８ｘ ８型阵列柔性传感器 阵列 ． 。 ４ ｊ 在 对于单 个传感 单元施 加正 向作 用力时 ， 着加载力 随 的变化 ， 必然会 引起 其传 感 器的 电阻值 变化 。根 据界 面压 阻效应 Ｊ当力敏导电橡胶在与导 电体接 触时 ， 触表面 的 ， 接
（ 肥工业大 学 电子科学与应用物理学院 。 合 安徽 合肥 ２ ０ ０ ） ３０ ９
摘
要 ：介绍 了一种基于柔性触觉传感器 的接触压力分布采 集系统和利 用 Ｍａ ａ ｔｂ进行 系统设计 的方法 ， ｌ
采集分析系统 由柔性触觉传感器 阵列 、 信号处理采集 电路 和分析软件 三部分构成 。重 点介绍 了分 析软件 对多路传感器数据信号 的实时采集 、 显示 、 存储 ， 实现常规文件处理 、 并 分布 图像绘制等功能 的设计 。结果 表明 ： 系统具有较好 的稳定 性和分辨率 ， 能够方便地实现柔 性触觉传感 器表 面接触 压力分布 的动态 、 实时
电阻将 随着 加载力的增大而减小 ， 且有
Ｒｃ ，
图 ３ 硬 件 采 样 电路 原 理 图
Ｆｉ Ｓ ｈ ｍａ ｉ ｉ ｇ ａ ｏ ａ ｐ ｉ ｇ ｃ ｒ ｕ ｔ ｇ３ ｃ ｅ ｔｃ ｄ ａ ｒ ｍ ｆ ｓ ｍ ｌｎ ｉｃ ｉ
由于传感器输出信号都很微 弱 ， 同时为 了充分 利用 Ａ ／
（ ｃ ｏ ｌ ｆ ｌ ｔｏ ｉ Ｓｉｎｅａ ｄＡ ｐｉ ｈ ｓ ， ｆｉ ｎｖｒｉ ｆ ｅｈ ｏｏ ｙ Ｈｅｅ ２０ ０ Ｃ ｉａ Ｓｈ ｏ ｅ ｒｎｃ ｃｅｃ ｎ ｐ ｌｄＰ ｙｉ Ｈｅ ｉｅｓｙｏ ｃ ｎ ｌｇ ， ｆ ３０ ９， ｈｎ ） ｏＥ ｃ ｅ ￣ ｅＵ ｔ Ｔ ｉ