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整身坐姿仿生触觉试验系统的研制
作 者：胡 泽 张 川 徐 聪
(中机科（北京）车辆检测工程研究院有限公司, 北京 延庆区 102100)
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摘 要：整身坐姿仿生触觉试验系统是针对于航空座椅等座舱设备所研制。本文介绍了整身坐姿仿生机器人手部触觉系统的研制，在其手指间加载柔性传感器，在眼部使用增量式视觉定位方式，最后以测试屏幕响应时间的方案为结尾阐述整个测试流程。
关键词：智能座舱测试；触觉系统；柔性传感器；响应时间
Development of a Biomimetic Tactile Testing System for Full Body Sitting Posture
Hu Zhe Zhang Chuan Xu Chong An Xian-Long
Vehicle Testing Engineering Research Institute of China,55 Dongwai Street, Yanqing District, Beijing, China
Abstract:The whole-body sitting posture bionic tactile test system is developed for cockpit equipment such as aviation seats. This article introduces the development of a tactile system for the hand of a fully seated bionic robot. A flexible sensor is loaded between its fingers, and an incremental visual positioning method is used for the eyes. Finally, the entire testing process is explained with a solution to test the screen response time.
Keywords: Intelligent cockpit testing；haptic system；Flexible sensor； Response time
一、引言
如果提高交互安全性、交互效率是智能座舱最重要的议题。特别是航空器的座舱空间小、自动化程度高，需要通过拟人化的方式对座舱的按钮进行识别。而当前“无按钮化”的设计思路，使得对触摸屏的图像识别成为智能座舱交互试验的基础。如何将中控、仪表及其他屏幕的显示内容，高度还原到测试软件中，直接影响到测试的精准度和可靠度。整身坐姿仿生触觉试验系统基于机器视觉和图像识别技术，利用工业摄像头对中控屏、仪表屏及其他屏幕的相关显示进行符号、图片特性（图标、字符的样式、位置、大小、灰度、颜色比对等）的采集、识别和分析[1-3]。整身坐姿仿生触觉试验系统中仿生机械臂具备7DOFs，臂长符合中国驾驶员50分位数。机械臂整体表面安装压力传感电子皮肤，具备防碰撞功能。手掌佩戴仿生皮肤，手掌及五指各关节具备智能触摸感知功能[3]。
二、系统设计
（一）概述
整身坐姿仿生触觉试验系统主要由自动化测试平台以及整身坐姿仿生机器人组成。整身坐姿仿生机器人可实现对智能座舱中控屏的功能测试。实现UI、UE功能逻辑验证，可进行非侵入式测试，客观量化中控屏的响应时间。其中图像视觉采集设备的图像分辨率：≥500万像素，采集帧率：≥120fps，动作触控仿真设备的运动定位精度：±0.01mm(三自由度)、±0.02mm(七自由度)，有效行程范围：500mm，运动速度：1000mm/s，力觉精度：±0.1N。
(二)手指尖传感器
整身坐姿仿生机器人手部加载仿生触觉传感器，其是一种模拟人类触觉系统的传感器，它能够感知物体的形状、硬度、粗糙度等信息。其工作原理是通过模拟人类皮肤的感受器官，将物体的力学信号转化为电信号，从而实现对物体的触觉感知。仿生触觉传感器的结构主要包括感受器、信号处理器和输出器三部分[4]。典型的仿生手指如图2所示。
感受器由弹性材料制成，其表面覆盖着微小的感受单元，这些单元可以感知物体施加在其表面的力和压力。当物体施加力或压力时，感受单元会发生形变，从而产生电信号。这些电信号会被传输到信号处理器中进行处理。
信号处理器是仿生触觉传感器的核心部分，它能够将感受器产生的电信号转化为数字信号，并对其进行处理和分析。信号处理器通常采用FPGA芯片，能够实现高速、高精度的信号处理和数据分析。
输出器是仿生触觉传感器的最终输出部分，它能够将处理后的数据输出到整身坐姿仿生机器人。输出器采用数字接口，实现与整身坐姿仿生机器人的数据交互和控制。
综上，仿生触觉传感器的工作原理和结构是通过模拟人类触觉系统，将物体的力学信号转化为电信号，并通过信号处理器进行处理和分析，最终输出到外整身坐姿仿生机器人中，实现对中控屏的触觉感知。
（三）眼部算法
视觉传感器采用3D结构光相机，具备高精度、低功耗优势，可实时采集物体三维信息，适用于25-150cm距离的识别[5]。眼部用相机做图像的学习和跟踪，采用增量式视觉定位方式，主要方式为视觉SLAM，依靠于CMOS相机实现定位。视觉SLAM系统分为视觉里程计和后端两部分内容[6]，根据相邻的两张图像信息估计相机运动，再给后端一个系统预测值。相机的位姿估计采用特征点法，特征点取自图像中一些特别的地方，将图像中的角点、边缘、区块视为代表性的地方。
角点的提取采用FAST角点,在FAST-12算法中，为了高效，增加了一项预测试操作。对于每个像素，直接检测邻域圆上的1，5，9，13像素，当这四个像素中有三个同时大于亮度±阈值时候，才可能是一个角点，这样大大加快了检测速度。
三、响应时间测试
通过整身坐姿仿生触觉试验系统，进行了中控屏响应时间的测试验证。客观量化OperatingSystem及APP应用响应时间。响应时间测试分为点火信号开始->CAN信号->触控信号->图像出现，测试流程如图4所示。实车测试结果如图5所示。可以看出系统可以可以对触摸屏的按钮改变进行有效的响应，有望用于智能座舱中仿生交互的研究。
实车测试结果如下图所示
四、总结
本论文介绍了整身坐姿仿生触觉试验系统的研制，并进行了实车的中控屏响应时间测试。使智能座舱测试能够实现自动化测试，提高测试结果的准确率，统一功能测试要求的精准度、动作的一致性，使得测试结果拥有客观性依据。
参考文献
[1].吴衔誉,庄嘉权,林忠麟等.用于缺陷检测的指尖型大面积光学式触觉传感器设计与性能研究[J/OL].仪器仪表学报:1-12[2023-04-27].
[2].佘明华,徐瑞东,韦继超等.纺织基柔性触觉传感器及可穿戴应用进展[J].丝绸,2023,60(03):60-72.
[3].杨平安,刘中邦,李锐等.电阻式柔性触觉传感器的研究进展[J/OL].材料导报,2023(09):1-32[2023-04-27].
[4].朱姿娜,张芮,曾阳浩等.电涡流柔性触觉传感器的结构设计与实验[J/OL].机械科学与技术:1-8[2023-04-27].
[5].仉新,郑飂默,谭振华等.动态场景下移动机器人视觉SLAM[J].机床与液压,2023,51(03):57-63.
[6].罗彪,欧阳志华,易昕宁等.基于自适应动态规划的移动机器人视觉伺服跟踪控制[J/OL].自动化学报:1-11[2023-04-27].
作者简介：
胡泽;出生年月：1970年4月25日;性别：男;籍贯：河北省保定市人;民族：汉;学历：大专;职称：工程师;研究方向：机电一体化;从事车辆检测工作
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