可拼接式全柔性电容触觉阵列传感器设计与实验

针对现有机器人触觉传感器存在可穿戴性与可移植性差、不易维护及扩展等缺点,提出了一种可用于机器人仿生皮肤的全柔性电容式触觉传感器,并设计成12×12正方形触觉传感阵列和正六边形触觉模块两种可拼接式阵列结构.以炭黑填充硅橡胶作为电容式触觉传感器的弹性电介质,聚酰亚胺为柔性基体,有机硅导电银胶和金属膜为上下两柔性极板,共同构成压力敏感单元.介绍了电容式柔性触觉传感器的工作原理、结构设计及两种与之对应的电容触觉阵列无线数据采集与处理系统.实验结果表明,该全柔性电容式触觉阵列传感器及信号提取系统具有良好的稳定性与灵敏度,可用作人工皮肤实现全触觉感知.     

导电橡胶触觉传感器阵列的标定实验研究

导电橡胶传感器是智能机器人服装的核心机件;标定出导电橡胶传感器的压阻特性是实现智能机器人触觉传感服装的核心内容之一;实验中,将导电橡胶安装在柔性阵列电极板里制作成触觉传感器阵列服装。对该传感器提出多种测量方法,确立其标定模型;给出数据建模的一般步骤。指出导电橡胶传感器设计的改进方向与部分方法。     

一种柔性三维力触觉传感器阵列的实现方法

介绍了一种可安装在曲面上,对三维力进行检测的柔性三维力触觉传感器阵列的实现方法.首先采用MEMS技术制备三维力触觉传感器阵列,再将多个三维力触觉传感器单元分别通过倒装焊技术集成在已加工好的柔性电路板基底上,实现了传感器与信号处理电路的互连和传感器阵列(4×4)的柔性化.采用信号选通的多路信号采集方法简化了传感器阵列的信号处理电路.测试结果表明,柔性触觉传感器阵列可弯曲变形90°以上,检测三维力的分辨率达到0.1 N.     

柔性温度压力仿生皮肤的模块化设计与实现

为实现电子仿生皮肤的模块化设计,以石墨烯纳米片制备薄膜温敏传感器,同时,以炭黑/硅橡胶复合材料为弹性电介质、有机硅导电银胶为柔性上极板设计电容式力敏传感器,在此基础上,以聚酰亚胺为柔性基体,提出一种可用作智能机器人仿生皮肤的全柔性温度/压力触觉传感器,并设计成具有可拼接特点的模块化阵列结构.介绍柔性温度/压力触觉传感器的结构设计、检测机理以及信号采集与处理系统.通过温度、压力及温度/压力复合感知实验表明,该柔性温度/压力复合式触觉传感阵列及信号提取系统可实现触觉感知功能,为可穿戴式人工皮肤的研究提供了一种设计方案.     

基于导电橡胶的一种新型类皮肤触觉传感器阵列的研究

本文设计了一种基于导电橡胶的类皮肤柔性触觉传感器阵列,传感器阵列采用交叉排列的两层节点的框架结构,用注射成型(LIMS)的方法进行导电橡胶的整体浇注,通过测量外力作用下导电橡胶的阻值变化,求解出加载在柔性传感器表面上的三维力位置和大小。该设计突破了当前基于盔甲的柔性触觉传感器的设计思路,具有优良力学特性、柔韧性好、抗干扰能力强、在传感器表面可以连续点测量的特性。实验仿真结果表明,在理想导电橡胶的条件下,设计的柔性触觉传感器阵列测量三维力有较高的分辨率和精度,可以满足当前用于作机器人皮肤的需要。     

基于FBG的机器人柔性触觉传感器

为了满足机器人与外界环境、对象发生接触及交互作用时的触觉感知需求,提出了一种基于光纤布拉格光栅（FBG）的柔性触觉传感器．该传感器采用3×3 FBG阵列作为柔性传感元件,聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料构成双层柔性基体．介绍了传感器的传感原理并采用有限元方法对其弹性体进行力学仿真分析,基于标定实验平台完成该传感器的静态标定实验．传感器的空间分辨率为25mm,在10mm×10mm载荷施加单元下,对力的感知范围为0～7N,且传感器具有较好的线性度和灵敏度,重复性和一致性良好,力灵敏度为0.16nm/N．实验结果和分析研究都证明了柔性触觉传感器的可行性．该传感器与人体皮肤触感及结构极为相似,且布线简单、抗干扰能力强．     

电容式柔性触觉传感器设计

为了实现对机器人指端触觉压力的检测,设计了一种电容式柔性触觉传感器,以PORON聚氨酯材料作为电容式触觉传感器电极间的弹性绝缘介质,导电膜在空间上呈垂直分布,分别交叉粘贴于 PORON聚氨酯材料上、下表面构成电容式触觉传感器的上、下电极,一起组成柔性电容传感单元,该触觉传感器制备工艺简单,材料成本低廉。测试结果表明,该触觉传感器及其信号采集与处理系统能够检测0~ 20Ｎ的触觉压力,曲线拟合最大误差为 6.44％,重复性误差为6.29％,能够实现触觉压力的检测,为在机器人指端实现触觉压力的检测提供一种参考。     

柔性压力传感阵列弯曲应变与温变联合补偿方法

围绕柔性压力传感器阵列在弯曲且温度变化的物体表面进行压力测量时会表现出复杂的压力特性,提出了基于深度相机与红外相机的传感器联合补偿装置,介绍了联合补偿装置获取各传感单元补偿参考量与计算真实压力值的方法。采用COMSOL软件对柔性压力传感器阵列进行仿真建模,搭建了各传感单元弯曲应变量各不相同的仿真场景,生成了弯曲应变与温变联合补偿模型的样本集。构建了基于BP神经网络的柔性压力传感器阵列弯曲应变与温变联合补偿模型,经计算验证,压力补偿值与真实值之间的相对误差百分比控制在0.4%以内,补偿效果明显,满足了各传感单元弯曲应变情况不同需要实现精准补偿的需求,对于柔性压力传感器阵列的实际应用具有借鉴作用。     

用厚膜电路实现阵列触觉信号的采样

阵列触觉的外接引线问题对传感器的制作工艺、信噪比和实际应用都有重要影响.本文介绍了一种用本地厚膜电路实现阵列触觉传感及其采样信号输出的方法,使压阻式点阵、间距为1 mm的触觉传感器仅需6根外接引线.在给出传感器结构制作方法的基础上,对信号采样电路作了详细的阐述,并将各功能电路以厚膜电路的形式集成于传感器上,整个传感器完全实现小型化和外接引线最少化,能方便地应用在多种场合.最后,对传感器的多种性能指标进行了检测和评估.     

银纳米线柔性压阻式触觉传感器的研究

触觉传感器是智能机器人感知外界环境和与人交互的关键环节。多种物理测量和高延展性使触觉传感器得到更广泛的应用。本文介绍了一种制造工艺简单、成本低廉的柔性触觉传感器。根据电阻的变化,可以检测温度和接触压力。设计了一种由PDMS膜、纸基银纳米线和PDMS膜组成的三明治结构。制备纸基银纳米线阵列,并在阵列末端用导电银膏引出铜线。整个传感器的尺寸为3cmx3cm。在实验过程中,测量了施加压力和改变表面温度时阵列交点处的电阻。结果表明,该传感器的压力检测灵敏度为2.8?/N,温度检测灵敏度为0.18?/oC。该传感器的结构和制备工艺简单可行,在机器人电子皮肤中具有广阔的应用前景。     

中国微米纳米-基于混合频率激励的新型公共电极式电容触觉传感阵列设计

本文设计了一种基于混合频率激励的三自由度柔性电容触觉传感阵列。每个传感单元中由传感电极层上的四片传感电极和公共电极层上的一片公共电极构成四个电容传感子单元,当四个电容传感子单元按正方形排列时,所测得的接触力将被分解为一组正向压力和两组剪切力分量。信号采样采用混合频率激励的方法替代单频激励,四片传感电极分为激励端和输出端,激励端加载频率分别为f1和f2的两组电压信号Ui1和Ui2,输出端的两组信号通过带通滤波器可提取四组谐波分量,从而实现四个电容传感子单元的电容量测量。该方法简化了信号采样机构,有效实现多维触觉信息的同步检测与分离。每个传感单元在z轴方向的正向压力测试灵敏度为0.17%/mN,x-y轴方向的灵敏度为0.43%/mN。结果表明该触觉传感阵列是一种有价值的可实现低成本触觉传感的新型测量装置。     

一种基于光纤光栅压力传感阵列的飞机燃油液位测量方法研究

本文提出了一种基于光纤光栅压力传感器阵列的飞机燃油液位传感系统,研究了基于聚氨酯材料的压力敏感薄膜和光纤光栅压力传感器的制造工艺,通过光纤光栅(FBG)压力传感器阵列搭建了燃油液位传感系统,开展了液位传感实验。实验结果表明,该系统在75cm液位量程范围内可实现16.09pm/cm的测量灵敏度,最大相对误差<４％。论文提出的基于线性拟合曲线截距测量的液位高度计算方法,可以克服实际应用中测量液体密度和重力加速度变化对液位测量精度的影响,保证了系统的检测精度。该光纤光栅液位传感器为飞机燃油液位检测提供了一种新的技术思路。     

一种新型机器人三维力柔性触觉传感器的设计

基于柔性力敏导电橡胶材料,设计了一种能测量三维力的新型机器人柔性触觉传感器。研究了力敏导电橡胶材料的压阻效应,阐述了触觉传感器的设计思想,分别进行了触觉传感器单元设计和阵列结构设计和研究。获得了计算三维力的数学模型,并通过实验进行了三维力的验证。结果表明,设计的机器人三维力柔性触觉传感器具有设计简单,造价低廉,柔顺性好等优点,而且布置成阵列结构可用于医疗、体育、机器人等领域中检测三维力信息。     

面向ERT大面积触觉传感的自适应优化成像方法

在动态的非结构化环境中,有效地感知物理接触对于智能机器人安全交互至关重要。为了能够检测各种潜在的物理交互,需要在机器人表面部署大面积触觉传感器。目前,现有的大面积触觉传感器主要是通过传感阵列方式实现的,但是大规模部署传感元件在实际应用中存在巨大挑战。电阻层析成像(Electrical Resistance Tomography, ERT)技术作为一种连续传感方式,有望克服传统触觉传感阵列的一些限制。为此,利用ERT设计了一款新型的大面积触觉传感器。在此基础上,提出了一种基于自适应感兴趣区(Region of Interest, ROI)的图像重构算法,将图像重构限制在交互区域内,以提高传感器的空间分辨率。为了验证提出成像算法的有效性,通过仿真与物理实验对其进行了全面评估。实验验证了该算法可以有效提高触觉传感器在交互区域的空间分辨率,使其具有较高的测量精度。实验结果表明,该传感器的平均定位误差为0.823 cm,能够准确地识别8种不同交互模式,其精度高达98.6%。这一研究工作表明,该传感器为机器人具身触觉传感的实现提供了一个新的解决方案。     

基于I型谐振结构的太赫兹超材料吸收体传感器研究

基于“Ｉ”型谐振结构的太赫兹超材料吸波器可在0.523THz处产生吸收率为99.5%,谐振峰半高宽为14GHz,品质因数为37的极窄吸收峰,具有较强的频率选择性。在待测分析物厚度为8μｍ,折射率范围为1.0~ 1.8的情况下,该太赫兹超材料吸波器的折射率灵敏度为80.7GHz/RIU,可作为高灵敏度的折射率传感器实现对待测分析物的检测,对谐振单元表面覆盖不同待测分析物情况下的电磁场分布进行仿真分析,揭示了折射率传感器的传感机理。 此外,仿真研究了待测分析物厚度对该超材料吸收体传感器谐振频率及折射率灵敏度的影响。基于“Ｉ”型谐振结构的太赫兹超材料吸波器具有结构简单、品质 因数高、折射率灵敏度高等特点,在无标记的高灵敏度生物医学传感中具有潜在的应用前景。     

可穿戴脉搏压力监测系统设计

随着可穿戴电子技术的发展,人体生命体征的高效监测越发重要。提出了一种可穿戴脉搏压力监测系统的解决思路,此系统由3部分组成:脉搏压力监测传感器、信号处理与无线传输硬件系统、智能显示终端。采用柔性混合电子电路设计方案,即柔性基板电路和传统微电子相结合,实现了柔性可弯曲的无线采集系统,并自主设计制作了一种脉搏波形采集传感器,利用自主开发的APP将采集的脉搏信号实时传输到Android智能手机终端存储并在线显示。此系统集信息传感、信号传输、数据处理及在线显示于一体,在未来的健康监测、人机交互等领域具有巨大应用潜力。     

基于光学测量的触觉硬度估计研究综述

对基于光学测量的触觉传感器在柔性目标的硬度估计中的应用和发展方向进行梳理。首先以Shore硬度为例对柔性目标硬度测量的基本原理进行介绍。进一步地,对基于光学测量的触觉传感的基本原理进行分析,并对其在硬度估计中的可行性进行探讨。然后,对基于该类型传感器的硬度估计在不同领域中的应用进行了总结。最后,讨论了基于光学测量的触觉传感器在硬度估计中的发展方向。目前的研究表明,基于光学测量的触觉传感器因其分辨率高、延迟低、感知信息丰富等方面的优势,在柔性目标的硬度估计方面展现出巨大的潜力,然而,在灵巧手操作、医疗诊断等应用层面的研究仍存在较大的发展空间。     

面向人体运动检测的纸基柔性压力阵列传感器

针对制备同时具有高灵敏度和大工作范围的柔性压力阵列传感器的挑战,以无尘纸作为基底,采用石墨烯—碳纳米管导电涂料和聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行混合作为涂层,利用PDMS的粘性与涂料的导电性进行电气连接,使用激光切割进行阵列设计,高灵敏度(3.29 kPa~(-1))、大工作范围(0～45 kPa)的压力阵列传感器研制成功,同时纸基材料不易连接的问题也得到了解决。该传感器不仅可以用于检测大幅度的肢体运动,还可以用于探测细微的人体动作。由于该传感器具有柔软、灵敏度高、制造工艺简便、成本低、电气连接简便等优点,显示了其在可穿戴传感器领域和智能机器人触觉领域的应用潜力。     

一种新型三维力柔性阵列触觉传感器研究

研究了一种基于压敏导电橡胶的新型三维力柔性阵列触觉传感器,突破了目前触觉传感器不能兼有柔韧性和检测三维力的局限性,实现了真正类皮肤.该传感器利用了压敏橡胶的压敏特性,通过检测橡胶的电阻变化来分析受力信息.介绍了该传感器的基本结构,分析了其工作原理,给出了导电橡胶受力时的有限元分析结果,并对传感器进行了初步的仿真研究,结果表明该传感器能够实现检测三维力信息,为三维力柔性阵列触觉传感器的设计研究提供了新思路.     

一种基于导电橡胶的三维力柔性触觉传感器阵列机理与仿真研究

根据接触力学理论和导电橡胶的电阻应变关系,对一种基于压敏导电橡胶的三维力柔性触觉传感器阵列的传感机理进行深入的探索,并应用静电比拟法导出传感器节点间电阻与表面应力激励的关系,建立了传感器阵列表面三维力激励与输出电阻的物理模型。以此为基础对传感器输入输出特性进行了仿真,并基于仿真结果对传感器结构进行优化。仿真结果验证了该传感器结构设计的合理性。