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通过触觉感受，实现汽车与人的智能交流
2022-03-23 14:51:57· 来源：HBM测试与测量
采用PMX测控系统对形状记忆触觉执行器进行研究执行器可以帮助人们更安全地操作机器和设备。将事故风险降至最低。比如形状记忆触觉信息系统在汽车中的应用。形状
采用PMX测控系统对形状记忆触觉执行器进行研究
执行器可以帮助人们更安全地操作机器和设备。将事故风险降至最低。比如形状记忆触觉信息系统在汽车中的应用。
形状记忆合金（SMA）可以作为无噪音和轻量化的小型驱动器在极小空间中运行。尽管尺寸很小，但这些驱动器的功率密度是所有已知驱动器中最高的。
作为一个走心的形状触觉系统解决方案，首先我们来了解下——什么是形状记忆效应？
图1 形状记忆效应原理
形状记忆元件在马氏体状态下发生机械变形，如超过临界应力，会以稳定的状态出现高延伸率（高达约8%）。如果随后温度升高，由马氏体转变为奥氏体状态时，则会发生形状记忆元件的重塑。这个过程是迟滞和可逆的 [1]。如图1所示，通过电加热，形状记忆元件可以在状态1和2之间来回切换。在材料转换过程中，可以检测到电阻的显著变化。
FG线驱动器通常由镍钛合金组成，在连续操作中可产生400兆帕的最大拉应力，一次操作时可产生800兆帕的最大拉应力[2]。例如，一根1g自重的FG线可以移动5000g的负载。由于上述特性，通过形状记忆效应可以设计出非常轻巧和紧凑的触觉元件。
图2 基于FGL的执行器
图2展示了弓形FG驱动器。铰链式FG线两端通过机械装置夹紧，中间部分与执行机构连接。这个执行器可以用来向人类传递触觉刺激。
力触觉功能梯度制动器的特点是其定位特性。在这里，准静态刺激可以被传递，通过触觉受体进行区分，在强度方面比振动执行器更好。
接下来，我们通过一幅图，让大家更直观地了解一个理念——通过触觉感受，实现汽车与人的智能交流。
图3 装有 FG 致动器用于触觉信息传递
1)汽车中的控制单元，2)传感器和控制单元之间的数据总线系统，3)带集成放大器输出的传感器系统，4)障碍物，5)脚踏板区域，6)方向盘区域，7)座椅区域，8)腰部区域，9)背部区域，10)带集成电子设备的油门踏板，11)触觉鞋，12)测量和控制触觉执行机构，13)感应接口，14)根据图2的FG执行机构，15)FG执行机构的电子设备，16)电源模块-如电容器或蓄电池
图3显示了用于汽车的触觉信息反馈系统。车辆通过传感器检测环境条件，例如行驶时与其他车辆的距离、停车时的障碍物或检测附近的危险等。例如，该信号可由超声波传感器检测并转发给控制单元。
现在，触觉刺激信息可通过各种皮肤受体传递给驾驶员。如4)所示，可通过方向盘上的模拟触觉元件传输与前方车辆的距离信息，或在座椅中产生位置相关的刺激，例如在座椅腰部区使用相关执行器。
刺激感知的一个特别有趣的点也是脚部区域。将执行器集成到鞋子中来实现。在足弓区域，可以使用FG执行器可以产生2 mm的最大行程。也就是说执行器行程超出了鞋底1.2毫米厚度的不敏感区，可产生了5 N的最大刺激，行程为0.8毫米。然后通过无线信息传输与控制单元建立连接。
系统开发与实验装置
为了评估这一概念，需要将FG执行器安装在鞋内后足弓区域，并且触觉销需穿透鞋底，以确保能到达鞋内足弓区。
测试由带有控制和Codesys编程功能的PMX通用测量放大器进行。FG驱动器行程以及触觉信号的刺激强度由电位传感器检测并发送到测量放大器。FG执行器的触发是通过事件控制的，根据伺服电机对鞋子的负载激励，可以测量FG执行器的行程。
在周期循环开始时，控制器发出关闭继电器的信号，关闭电源和被测执行器之间的电路，FG导线缩短，原理如图2所示。实验装置如图4所示。
图4 实验装置的示意图
1)实验室电源，2)继电器卡，3)集成 PLC 功能的通用放大器 PMX，4)电阻力传感器，6)电位传感器，7)带内置触觉FG执行器的男鞋，8)三脚架，9)用于产生触觉刺激的FG执行器
PMX测量放大器——用于控制和数据记录
PMX测量放大器为测试台提供了一种量身定制的解决方案。其灵活的设计允许使用多种传感器进行精确测量，并可通过数字输入和输出以及CODESYS软件PLC控制整个试验台。所有测量值均以20kHz采样，并可通过以太网接口在HBM CATMAN软件上进行可视化和存储。
在接下来的实验中，还模拟了鞋内的压力负荷，类似于步行时的压力负荷。两个伺服电机被用来在鞋底产生压力。图6显示了相关的动态测量过程（随时间变化）。
制动加载，FG 执行器上的负载也会改变。如果行程达到零位，则关闭FG导线的电流并打开负载。如果执行机构仍处于奥氏体状态，它会被机械力拉长，或经历假弹性应变。关闭反作用力后，FG执行器现在跳回到扩展位置，这取决于其转换温度。用户可以注意到的，脉冲时间只有4秒。
图5 在电流脉冲为2.8A和1.2V的情况下，在无机械负载的情况下进行FG执行器测量的试验结果。在试验中，使用直径为0.5mm的FG导线，可产生最大11N力和2.7mm行程。实验中行程限制在2毫米以内。
图6 在电流脉冲为2.8A和1.2V的情况下，机械载荷（前后）FG执行器的测量结果。在实验中，使用直径为0.5mm的FG线，可产生最大11N力和2.7mm行程。实验中行程限制在2毫米以内。
总结与展望
“这里列出的基本信息是‘基于形状记忆因素的适宜触觉反馈元件’项目的一部分（由 BMBF 科学项目资助）。由于PMX测量系统精确且易于编程，能够在短时间内完成测试。PMX作为测试的控制系统同时，并可作为数据采集（DAQ）用于以后的测试评估。
“机械设计和测试是产品开发的基础，在进一步的研究过程中，这些技术将转移到机器安全、汽车技术和服装工业。”Alexander Czechowicz 博士在项目介绍会上如此评论。
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