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通過觸覺感受，實現(xiàn)汽車與人的智能交流
2022-03-23 14:51:57· 來源：HBM測試與測量
采用PMX測控系統(tǒng)對形狀記憶觸覺執(zhí)行器進行研究執(zhí)行器可以幫助人們更安全地操作機器和設備。將事故風險降至最低。比如形狀記憶觸覺信息系統(tǒng)在汽車中的應用。形狀
采用PMX測控系統(tǒng)對形狀記憶觸覺執(zhí)行器進行研究
執(zhí)行器可以幫助人們更安全地操作機器和設備。將事故風險降至最低。比如形狀記憶觸覺信息系統(tǒng)在汽車中的應用。
形狀記憶合金（SMA）可以作為無噪音和輕量化的小型驅(qū)動器在極小空間中運行。盡管尺寸很小，但這些驅(qū)動器的功率密度是所有已知驅(qū)動器中最高的。
作為一個走心的形狀觸覺系統(tǒng)解決方案，首先我們來了解下——什么是形狀記憶效應？
圖1 形狀記憶效應原理
形狀記憶元件在馬氏體狀態(tài)下發(fā)生機械變形，如超過臨界應力，會以穩(wěn)定的狀態(tài)出現(xiàn)高延伸率（高達約8%）。如果隨后溫度升高，由馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體狀態(tài)時，則會發(fā)生形狀記憶元件的重塑。這個過程是遲滯和可逆的 [1]。如圖1所示，通過電加熱，形狀記憶元件可以在狀態(tài)1和2之間來回切換。在材料轉(zhuǎn)換過程中，可以檢測到電阻的顯著變化。
FG線驅(qū)動器通常由鎳鈦合金組成，在連續(xù)操作中可產(chǎn)生400兆帕的最大拉應力，一次操作時可產(chǎn)生800兆帕的最大拉應力[2]。例如，一根1g自重的FG線可以移動5000g的負載。由于上述特性，通過形狀記憶效應可以設計出非常輕巧和緊湊的觸覺元件。
圖2 基于FGL的執(zhí)行器
圖2展示了弓形FG驅(qū)動器。鉸鏈式FG線兩端通過機械裝置夾緊，中間部分與執(zhí)行機構(gòu)連接。這個執(zhí)行器可以用來向人類傳遞觸覺刺激。
力觸覺功能梯度制動器的特點是其定位特性。在這里，準靜態(tài)刺激可以被傳遞，通過觸覺受體進行區(qū)分，在強度方面比振動執(zhí)行器更好。
接下來，我們通過一幅圖，讓大家更直觀地了解一個理念——通過觸覺感受，實現(xiàn)汽車與人的智能交流。
圖3 裝有 FG 致動器用于觸覺信息傳遞
1)汽車中的控制單元，2)傳感器和控制單元之間的數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)，3)帶集成放大器輸出的傳感器系統(tǒng)，4)障礙物，5)腳踏板區(qū)域，6)方向盤區(qū)域，7)座椅區(qū)域，8)腰部區(qū)域，9)背部區(qū)域，10)帶集成電子設備的油門踏板，11)觸覺鞋，12)測量和控制觸覺執(zhí)行機構(gòu)，13)感應接口，14)根據(jù)圖2的FG執(zhí)行機構(gòu)，15)FG執(zhí)行機構(gòu)的電子設備，16)電源模塊-如電容器或蓄電池
圖3顯示了用于汽車的觸覺信息反饋系統(tǒng)。車輛通過傳感器檢測環(huán)境條件，例如行駛時與其他車輛的距離、停車時的障礙物或檢測附近的危險等。例如，該信號可由超聲波傳感器檢測并轉(zhuǎn)發(fā)給控制單元。
現(xiàn)在，觸覺刺激信息可通過各種皮膚受體傳遞給駕駛員。如4)所示，可通過方向盤上的模擬觸覺元件傳輸與前方車輛的距離信息，或在座椅中產(chǎn)生位置相關(guān)的刺激，例如在座椅腰部區(qū)使用相關(guān)執(zhí)行器。
刺激感知的一個特別有趣的點也是腳部區(qū)域。將執(zhí)行器集成到鞋子中來實現(xiàn)。在足弓區(qū)域，可以使用FG執(zhí)行器可以產(chǎn)生2 mm的最大行程。也就是說執(zhí)行器行程超出了鞋底1.2毫米厚度的不敏感區(qū)，可產(chǎn)生了5 N的最大刺激，行程為0.8毫米。然后通過無線信息傳輸與控制單元建立連接。
系統(tǒng)開發(fā)與實驗裝置
為了評估這一概念，需要將FG執(zhí)行器安裝在鞋內(nèi)后足弓區(qū)域，并且觸覺銷需穿透鞋底，以確保能到達鞋內(nèi)足弓區(qū)。
測試由帶有控制和Codesys編程功能的PMX通用測量放大器進行。FG驅(qū)動器行程以及觸覺信號的刺激強度由電位傳感器檢測并發(fā)送到測量放大器。FG執(zhí)行器的觸發(fā)是通過事件控制的，根據(jù)伺服電機對鞋子的負載激勵，可以測量FG執(zhí)行器的行程。
在周期循環(huán)開始時，控制器發(fā)出關(guān)閉繼電器的信號，關(guān)閉電源和被測執(zhí)行器之間的電路，F(xiàn)G導線縮短，原理如圖2所示。實驗裝置如圖4所示。
圖4 實驗裝置的示意圖
1)實驗室電源，2)繼電器卡，3)集成 PLC 功能的通用放大器 PMX，4)電阻力傳感器，6)電位傳感器，7)帶內(nèi)置觸覺FG執(zhí)行器的男鞋，8)三腳架，9)用于產(chǎn)生觸覺刺激的FG執(zhí)行器
PMX測量放大器——用于控制和數(shù)據(jù)記錄
PMX測量放大器為測試臺提供了一種量身定制的解決方案。其靈活的設計允許使用多種傳感器進行精確測量，并可通過數(shù)字輸入和輸出以及CODESYS軟件PLC控制整個試驗臺。所有測量值均以20kHz采樣，并可通過以太網(wǎng)接口在HBM CATMAN軟件上進行可視化和存儲。
在接下來的實驗中，還模擬了鞋內(nèi)的壓力負荷，類似于步行時的壓力負荷。兩個伺服電機被用來在鞋底產(chǎn)生壓力。圖6顯示了相關(guān)的動態(tài)測量過程（隨時間變化）。
制動加載，F(xiàn)G 執(zhí)行器上的負載也會改變。如果行程達到零位，則關(guān)閉FG導線的電流并打開負載。如果執(zhí)行機構(gòu)仍處于奧氏體狀態(tài)，它會被機械力拉長，或經(jīng)歷假彈性應變。關(guān)閉反作用力后，F(xiàn)G執(zhí)行器現(xiàn)在跳回到擴展位置，這取決于其轉(zhuǎn)換溫度。用戶可以注意到的，脈沖時間只有4秒。
圖5 在電流脈沖為2.8A和1.2V的情況下，在無機械負載的情況下進行FG執(zhí)行器測量的試驗結(jié)果。在試驗中，使用直徑為0.5mm的FG導線，可產(chǎn)生最大11N力和2.7mm行程。實驗中行程限制在2毫米以內(nèi)。
圖6 在電流脈沖為2.8A和1.2V的情況下，機械載荷（前后）FG執(zhí)行器的測量結(jié)果。在實驗中，使用直徑為0.5mm的FG線，可產(chǎn)生最大11N力和2.7mm行程。實驗中行程限制在2毫米以內(nèi)。
總結(jié)與展望
“這里列出的基本信息是‘基于形狀記憶因素的適宜觸覺反饋元件’項目的一部分（由 BMBF 科學項目資助）。由于PMX測量系統(tǒng)精確且易于編程，能夠在短時間內(nèi)完成測試。PMX作為測試的控制系統(tǒng)同時，并可作為數(shù)據(jù)采集（DAQ）用于以后的測試評估。
“機械設計和測試是產(chǎn)品開發(fā)的基礎(chǔ)，在進一步的研究過程中，這些技術(shù)將轉(zhuǎn)移到機器安全、汽車技術(shù)和服裝工業(yè)。”Alexander Czechowicz 博士在項目介紹會上如此評論。
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