温度触觉表面形态识别

周连杰 李建清 陈从颜 吴剑进 吴剑锋

(东南大学仪器科学与工程学院，南京 210096)

触觉是一种通过直接与对象接触测量其特征的复合感觉，包括接触觉、压觉、力觉、滑觉、温觉等与接触有关的感觉，可以识别物体的尺寸、柔软度、冷热、表面形状、表面纹理等特征［1－3］.通过触觉直接接触对象表面可以感知对象表面形态，滑觉可感知表面纹理、粗糙度等特征，压觉可感知柔性或刚度等特征［4－6］，而温度触觉可通过感知表面热属性识别表面形态，其中通过滑觉、压觉对表面纹理、表面形状的研究已较多，而对温觉研究相对较少，有待进一步研究.

研究表明，皮肤表皮上的温度感受器对发生在接触瞬间温度的快速变化很敏感［7］，接触面的瞬间温度变化与初始温差、被接触物体的表面形态、材料、接触力大小都有关系.因此可将温度触觉用于识别物体的材料热属性、表面形态、接触力大小等特征.

本文分析了表面形态影响接触热传导的因素，将温度触觉传感器应用于表面形态识别，进行了不同表面形态的实验，实验结果表明该温度触觉方法能较好区分表面为光滑、粗糙、波纹形态的同种材料物体.

1 温度触觉传感装置

应用于表面形态测试的温度触觉传感装置结构框图如图1所示，传感器由很薄的恒温元件、基板、感温元件构成.恒温元件由恒温模块控制恒温，感温元件用于检测温度触觉传感器与对象接触时的温度变化过程，阻值与温度成正比，由传感模块实现检测.基板为恒温元件与感温元件提供支架.

2 表面形态识别机理

图1 温度触觉传感装置表面形态识别框图

根据热传导理论，具有初始温度的传感器与被测物体良好接触且接触面光滑时，在接触面处具有连续的边界条件，接触面在接触瞬间达到共同的温度和相同的热流密度.

在接触面处感温元件的温度Tc会短时间内从TS0渐趋向于接触温度，该接触温度由下式决定:

式中，TS0，TM0分别为传感器、被测物体的初始温度;λi，ρi，ci(i=S，M)分别为物体 i的热导率、密度、比热容.将感温元件短时间内的收敛温度值T′end作为测得的接触温度值，物体的材料可以被识别［8］.

对于非光滑表面形态的接触面，在表面空隙中会有大量空气，存在一定厚度的接触热阻，如图2所示由于该热阻的影响，感温元件测得的接触温度值将会升高.

将一定厚度的非光滑接触面处看做有膜系数无厚度的等效接触面，则接触面处热流连续，温度不连续，温度方程为

式中，TS，TM分别为等效接触面处传感器温度与被测物体温度;kS为传感器的热导率;x为位置变量;h为接触膜系数，是接触热阻的倒数［9－11］，由下式决定:

式中，k为表面等效热导率;D为表面热阻等效厚度.k，D主要受表面形状影响，如图3所示的矩形条纹规则表面形状，其等效热导率k由下式:

式中，kM，kA分别为被测物体、空气的热导率;p称为条纹占空比，由下式定义:

式中，SM，SA分别为传感器表面与被测物体、空气的接触面积，即

图2 不同接触面形态的温度时间曲线

图3 矩形条纹表面形态

式中，L为条纹间距;a为条纹接触长度.

此时，矩形条纹的表面热阻等效厚度D等于条纹深度d.

由式(2)可知，条纹的深度d及占空比p两个形状因子是影响接触面处热传导特性的主要因素，进而影响感温元件的温度Tc.

3 有限元仿真分析

3.1ANSYS 模型

在ANSYS的Thermal模式下，进行关于不同表面形态对感温元件温度时间曲线影响的仿真分析.图4是采用的ANSYS模型，传感器为长、宽分别为20 mm，厚度为1.7 mm的平板，恒温元件简化为恒温面，感温元件简化为嵌入基板底部的薄铜层.被测物体为长、宽分别为40 mm，厚度为20 mm上表面带有矩形条纹的块体.由于对称性，采用半模型和四分之一模型分析.传感器基板材料采用酚醛树脂，被测物体材料采用大理石.传感器与被测物体良好接触，在表面条纹的沟槽处填充空气.采用SOLID90热单元进行网格划分，被测物体外表面采用INFIN47无限单元划分网格模拟无限边界，设置恒温元件保持恒温36℃，传感器初始温度36℃，被测物体初始温度24℃，设置表面形状参数变量L，d，p，设置计算时间为20 s.

图4 传感器与被测物体的ANSYS模型

图5 不同L的Tc时间曲线比较

3.2 条纹间距对Tc的影响

固定d=0.5 mm，p=0.5，对不同条纹间距L进行仿真，分析其对感温元件温度Tc的影响，仿真结果如图5所示.

从图5中看出所有的Tc时间曲线几乎重合，对于L的变化，传感器不易识别.

3.3 条纹深度对Tc的影响

固定L=1 mm，p=0.5，对不同条纹深度d进行仿真，分析其对Tc的影响，仿真结果见图6所示.

如图6(a)所示，随着d增大，Tc变化幅度慢慢减小，趋向于接触温度的时间变长.如图6(b)所示，收敛温度值T′end随d增大而增大，平均变化率约为0.3℃/mm，d对Tc的影响较显著，传感器易识别.

图6 条纹深度的影响

3.4 条纹占空比对Tc的影响

固定L=1 mm，d=0.5 mm，对不同条纹占空比p进行仿真，分析其对Tc的影响，仿真结果如图7所示.

图7 条纹占空比的影响

如图7(a)所示，p越小，Tc变化幅度越小，趋向于接触温度的时间越长.如图7(b)所示，p较小时，T′end对p的变化率大，随着p增大，变化率越来越小，p＞0.7时，变化率小于0.1℃/0.1.由于传感器温度分辨率 (0.1℃)的限制，故传感器在p＜0.7的范围内对p的变化敏感，易识别;对于p＞0.7的条纹表面传感器难以识别.

仿真分析结果表明d，p对Tc影响显著，是影响接触面等效热导率的主要因素，符合理论推导，且传感器对d的分辨率可以达到0.33 mm，在 p＜0.7的范围内对p的分辨率可以达到0.1.

3.5 不同表面形态温度触觉仿真

采用 d=1 mm，L=2 mm，p=0.3 的矩形条纹模拟波纹表面，采用 d=0.25 mm，L=0.5 mm，p=0.25的矩形条纹模拟粗糙表面，进行仿真分析并进行实验对比.如图8所示是波纹、粗糙表面的温度分布图，波纹的接触面处温度更高，图9是波纹、粗糙、光滑三种表面形态Tc时间变化曲线，随表面粗糙度的增加，热阻越大，Tc变化幅度越小，趋于接触温度时间越长.

图8 不同表面形态的温度场分布

图9 不同表面形态的Tc时间曲线比较

4 不同表面形态温度触觉实验

对大理石材料物体的不同表面形态进行了温度触觉传感实验，如图10所示是温度触觉传感装置及带有波纹、粗糙、光滑三种不同表面形态的大理石物体.实验结果如图11所示，粗糙与波纹的情况下空气热阻影响较大，与光滑情况下区别明显，表面粗糙度越大，热阻越大，基本符合图9的仿真结果，但由于非良好接触与表面形态的不规则性，实验结果与仿真结果有一定偏差.

5 结语

图10 不同表面形态温度触觉实验图

图11 不同表面形态温度触觉实验结果图

本文将温度触觉传感器用于同种材料物体表面形态识别，分析了其工作原理，通过ANSYS有限元模拟对不同表面形态被测物体对感温元件温度信号的影响进行了仿真分析和实验研究.结果表明，条纹深度和条纹占空比对感温元件温度信号影响较大，所采用的温度触觉传感方法能较好区分表面为光滑、粗糙、波纹形态的物体.

References)

［1］ Yamamoto Akio，Cros Benjamin，Hashimoto Hironori，et al.Control of thermal tactile display based on prediction of contact temperature［C］//Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotics ＆ Automation.New Orleans，2004:1536－1541.

［2］ Yang Y J，Cheng M Y，Shih S C，et al.A 32 × 32 temperature and tactile sensing array using PI－copper films［J］.Int J Adv Manuf Technol，2010(46):945－956.

［3］ Chikara Sonoda，Tsutomu Miki，Yayoi Tateishi.Fuzzy inference based subjective material－recognition system employing a multi－modal tactile sensor［C］//Proceedings of the 18th international conference on Fuzzy Systems.Jeju Island，Korea，2009:245－250.

［4］ Song Aiguo，Morris Dan，Colgate J Edward，et al.Real time stiffness display interface device for perception of virtual soft object［C］//Proc IEEE/RSJ Inter Conf on Intelligent Robots and System.Edmonton，Canada，2005:139－143.

［5］ Takamuku Shinya，Iwase Tomoki，Hosoda Koh.Robust material discrimination by a soft anthropomorphic finger with tactile and thermal sense［C］//2008 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.Nice，France，2008:3977－3982.

［6］陈旭，宋爱国，林国余.纹理触觉信息检测系统研究［J］.微计算机信息，2009，25(13):132－133.Chen Xu，Song Aiguo，Lin Guoyu.Tactile detect system using PVDF sensor［J］.Control and Automation，2009，25(13):132－133.(in Chinese)

［7］ Siegel David，Garabieta Inaki，Hollerbach John M.An integrated tactile and thermal sensor［C］//Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation.San Francisco，CA，USA，1986:1286－1291.

［8］ Mukai Toshiharu，Onishi Masaki，Hirano Shinya，et al.Development of soft areal tactile sensors for human－interactive robots［C］//IEEE SENSORS 2006.Daegu，Korea，2006:831－834.

［9］刘鉴民.传热传质原理及其在电力科技中的应用分析［M］.北京:中国电力出版社，2006.

［10］奥齐西克M N.热传导［M］.俞昌铭，译.北京:高等教育出版社，1983.

［11］赵振南.传热学［M］.北京:高等教育出版社，2008.