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仿生机器人人体皮肤控温系统
作 者： 王 维 夏 欢 刘术志
(中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122)
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摘 要：本文概述了具有中国人体特征的仿生机器人人体皮肤控温系统的原理以及结构；通过PID控制器控制加热使仿生机器人具有人体皮肤的温度性能。文中给出了试验数据结果，该系统具有温度控制均匀且精度高的优点。 关键词：仿生机器人；人体皮肤；控温；石墨烯电热膜
Human skin temperature control system of biomimetic robot
Wang Wei, Xia Huan, Liu Shu-Zhi, Yang Li-Ke, Zhang Yi, Lei Jian-Mei
(China Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd. No.9 Jinyu Avenue, New North Zone, Chongqing, P. R. China, 401122)
Abstract：This article outlines the principle and structure of bionic robot human skin temperature control system with Chinese human body characteristics; by controlling heating through a PID controller, the bionic robot has the temperature performance of human skin. The experimental data results are presented in the article, and the system has advantages of uniform temperature control and high accuracy.
Keywords：Biomimetic robots; Human skin; Temperature control; Graphene Heating film
前言
暖体假人是模拟人体与环境之间热湿交换的仪器设备，在纺织、环境、消防、石油等诸多领域得到了广泛的应用[1]。暖体假人具有拟人的外观、结构和特征，由头、手、脚、四肢、躯干等若干个解剖段，其上敷设有加热电路和许多测温传感元件用以控制和调节温度。从控制机制上看，可分为恒温法、变温法、恒热法等三类[2]。暖体假人对表面温度均匀性的控制要求比较高，假人温度控制在设定温度（模拟人体体表温度）并保持温度波动在±0.2 ℃以内是整个假人表面温度均匀的基础[3]。随着工效学研究的深入和计算机控制技术的快速发展，暖体假人必然会越来越受到重视，应用的范围也会越来越广[4-5]。
本文研制了具有中国人体特征的仿生机器人人体皮肤控温系统，皮肤温度控制采用PID控制，目标加热区域包括头部区域、躯干区域、手臂区域、手部区域和腿部区域等，可以使得仿生机器人人体皮肤表面加热均匀，温度控制更加准确。
一、仿生机器人结构
仿生机器人按第50百分位中国成年男性人体尺寸制造，目标加热区域包括头部区域、躯干区域、手臂区域、手部区域和腿部区域等，如图1所示。仿生机器人具有髋、膝、肘等活动关节，可以实现立姿及坐姿状态模拟。仿生机器人皮肤采用三明治结构，两层硅胶层，中间层为石墨烯电热膜，三层总体厚度在2mm内，石墨烯电热膜用于发热，将热量传递到皮肤表面，使得皮肤表面具有温度。
仿生机器人各分区温度独立控制和测量，目标加热区域的皮肤控温系统分为多个个独立温度控制分区。表面温度测点布置在仿生机器人各分区内表面，对于换热条件差别较大的分区布置多个传感器测量表面温度，如腿部、躯干以及臀部等位置，布置温度传感器时应尽可能减少接触热阻，降低内外表面温差。每个分区的加热热流与表面温度根据控制模式由计算机控制。
二、.石墨烯电热膜导热原理
石墨烯电热膜，是一种通电后能发热的复合薄膜，由超强导电的石墨烯与聚酯复合制成的导电复合膜，设置载流条，再覆盖绝缘保护层后制成。工作时以电热膜为发热体，以辐射的形式释放热量，其综合效果优于传统的对流供暖方式及传统发热材料。当石墨烯发热膜两端电极处于通电的情况下，电热膜中的碳分子在电阻中产生声子、离子和电子，由产生的碳分子团之间相互摩擦、碰撞(也称布朗运动)而产生热能，热能又通过控制波长在5-14微米的远红外线以平面方式均匀地辐射出来，能很好的被吸收，有效电热能总转换率达99%以上，同时加上特殊的石墨烯材料的超导性，可以保证发热性能稳定。石墨烯电热膜可以通过调节功率控制温度。
三、仿生机器人人体皮肤控温系统
（一）PID控温原理
传统的PID控制器分为模拟PID控制器和数字PID控制器。模拟PID控制器的输入输出量均为模拟量，如电压、电流等。模拟控制系统中，PID控制是控制器中最常用的控制规律。PID控制系统原理框图由图2所示，整个模拟控制系统由模拟PID的控制器以及被控对象组成。
PID是由设定初始值r（t）与实际控制值y（t）构成的输出偏差e（t）为基础，再对偏差e（t）采取比例、积分和微分运算的一种控制算法。
e（t）＝r（t）-y（t）
PID控制算法的积分控制作用能消除静差，但动态响应慢，比例控制作用动态响应快，而比例积分控制作用既能获得较高的稳态精度，又能具有较快的动态响应。将比例、积分、微分三种运算结果相加，得出的控制变量u(t)输出到被控对象的控制端，对被控对象实现控制。
（二）PID电路温控系统设计
针对模拟PID电路的控制理论和机理，从简单、易用、直观的参数整定原则和切实改善系统控制性能的参数自整定的目的，设计了由电流源搭建的铂电阻测温电路、MSP430主控电路、含数字电位器的模拟PID电路、串口通讯和上位机软件构成的模拟PID电路参数温控系统，如图3所示。
（三）温控系统
仿生机器人人体皮肤控温系统包括上位机系统和下位机系统两部分，下位机又包括仿生机器人人体表温度控制机、环境温度测量机和电能测量机三部分，下位机通过RS-485总线与上位机相连。上位机主要负责将下位机的数据进行处理和显示，对下位机的状态进行监视。仿生机器人人体皮肤温度控制系统与环境温度检测系统需要从上位机得到初始化数据；进入测控状态后，还要在上位机要求发送测控数据时，将各种温度测量值以及控制输出量传送给上位机。
上位机采用通用PC机。上位机负责系统的初始化设置，包括加热区段的选择、PID参数的设置和各加热区段的温度设置；上位机还负责对仿生机器人人体表温度控制运行状况进行监控，通过RS-485串行总线获取仿生机器人人体表温度各加热区段的温度信息和系统加热电压值，并根据所得到的数据绘制各个区段的温升曲线；上位机通过所收集到的数据通过计算最终得到数值。
仿生机器人体表温度控制下位机是一个30路的温度控制系统，系统以单片机为核心构成一个多路巡回检测，控制系统。系统温度测量部分采用Pt-100铂电阻作为测温元件，通过多路开关在仿生机器人人体不同区段的测温电阻间切换来检测仿生机器人人体皮肤各部位的温度。控温系统对仿生机器人人体皮肤的30个部分进行数据采集，温度控制，同时还要将采集的数据发送给上位PC机系统进行显示和判断。
环境温度测量下位机负责测量环境温度和加热电压。系统分别测量不同位置的多个环境点的温度，以获取仿生机器人人体系统周围环境的温度信息。系统采用Pt-100铂电阻作为测温元件。系统通过检测仿生机器人人体加热电源的电压来监控下位机的运行情况。电能测量下位机负责对假入系统的加热电能消耗的测量，将电能消耗数据发送给上位机。
（四）测试数据
仿生机器人人体皮肤温度控制测试数据见表1。可以看出，该系统能够使得仿生机器人人体皮肤温度均匀，控温范围为30°～45°C，控温精度0.1°C以内。
四、测试数据与结论
本文的仿生机器人具有中国人体特征，其人体皮肤采用石墨烯电热膜进行加热，控温系统采用PID控制，测试数据标明该温度控制系统能满足仿生机器人人体皮肤温度控制的要求，该系统可以仿生机器人人体皮肤温度控制均匀，控温范围为30°～45°C，控温精度0.1°C以内。该仿生机器人人体皮肤控温系统的精度和准确度比较高，为后期的研究奠定了基础。
参考文献
[1]谌玉红, 姜志华, 曾长松. 暖体假人的测试原理及应用[J]. 中国劳动防护用品, 2000, 41(4): 30-36.
[2]吴志孝. 浅谈暖体假人[J]. 中国个体防护装备,2002,5：1-1
[3]Maria Konarska, Krzyszt of Sotynski. Comparative evaluation of clothing thermal insulation measured on a thermal manikin and on volunteers [J]. Fibres & Textiles in Eastern Europe, 2007, 15(2): 73-76.
[4]庞诚， 陈景山，暖体假人在设计、评价航天服调温功能中的作用，中国空间科学技术，1997，2：22-27.
[5]Soper F/ldjg, ALLan F/CC. The design and use of a copper man for clothing.Med. Sciences[J]. Canada, 1960, 16(2):109-113.
作者简介
王维，wangwei1@caeri.com.cn（1994-），女，重庆人，中国汽车工程研究院股份有限公司助理工程师，本科，研究方向为汽车智能座舱研究与测评。
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