面向视力障碍群体的仿生电磁触觉传感器设计

摘要

【目的】视力障碍群体的规模与需求不容忽视，触觉传感器在辅助阅读领域的应用尤其值得关注，它既可集成于机器人或假肢系统，又能为视力障碍群体提供有效的盲文阅读工具，研究具有信息交互能力的视力辅助装置与盲文识别技术，对于实现视力障碍群体的技术支持具有重要意义。【方法】基于仿生原理模拟仿生毛发功能，采用具有磁性的铁镓合金丝作为仿生毛发，以霍尔元件作为毛发根部的感受器，并根据盲文字母阵点的尺寸，设计了一种仿生电磁触觉传感器。基于磁化强度、磁感应强度理论及力学方程，推导了传感器作用力与输出电压之间的关系曲线。搭建了由信号发生器、功率放大器、激振器、数据采集卡、计算机和直流稳压电源组成的动态特性测试系统，测试了触觉传感器的动态特性。【结果】测试结果表明，触觉传感器在0～1.5 N范围内可以实现作用力与电信号的转换，输出电压在0～1.5 N作用力范围内随力的增加逐渐增大，当接触力小于0.5 N时，二者近似呈线性关系。传感器在1 Hz频率、0.2～1.4 N作用力范围内的输出电压稳定性较高；在1 Hz、1.0 N作用力下的灵敏度为34.5 mV/N;在1 Hz、0.5 N作用力时响应时间和恢复时间分别为20 ms和18 ms。利用所设计的仿生电磁触觉传感器，构建了由二指机械手、电机驱动滑台、数据采集卡和计算机等组成的盲文识别系统，通过对盲文阵点的扫描，确定了盲文字母与输出电压波形的对应关系。【结论】对所研制的电磁触觉传感器的输出特性进行了测试，实验结果与计算值较好吻合，表明计算模型能够描述作用力与输出电压之间的关系。设计的触觉传感器输出电压具有稳定性好、灵敏度高、响应速度快的特点，可用于静态和动态作用力的检测。应用盲文识别系统确定了盲文字母对应的电压波形，指出电压波形峰数、电压峰值强度和峰起始点所对应的时间可以作为识别盲文字母的判据，表明盲文识别系统具有识别盲文字母能力。研究成果可为视力障碍群体提供新的盲文识别工具和技术路径，可将触觉传感器与识别技术进行深度融合，面向视力障碍群体构建辅助技术支持系统。

关键词

视力障碍群体 / 仿生技术 / 铁镓合金丝 / 电磁传感器 / 输出电压模型 / 触觉感知 / 盲文识别 / 测试系统