微圆顶阵列结构柔性触觉传感器设计与应用研究

以质量分数3%和2%的炭黑/碳纳米管填充硅橡胶为力敏复合导电材料,提出了一种微圆顶阵列结构的柔性触觉传感器。阐述了微圆顶阵列结构触觉传感器的结构特点、制备流程及微观表征,并结合ANSYS有限元分析软件分析其触觉感知机理。研究该微圆顶阵列结构柔性触觉传感单元的力敏特性,并将其应用于足底压力分布感知。测试结果表明,该微圆顶阵列结构柔性触觉传感器具备良好的力敏特性和穿戴舒适性,为柔性可穿戴触觉传感器提供了一种设计方案。     

基于球曲面极板的电容式触觉传感器研究

为提升电子皮肤的触觉感知灵敏度,提出一种基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器。介绍了电容式柔性触觉传感器的结构特点与制备流程,并结合理论计算与ANSYS有限元仿真阐述其触觉感知机理,空间立体排布的球曲面感应极板和差分式结构特点可协同提升电容式柔性触觉传感器感知灵敏度。基于高性能电容数字转换器AD7147-1和STM32微处理器搭建容性触觉信号采集与处理系统,完成了电容式触觉传感器特性测试及应用研究。实验结果表明,该传感器可实现法向力与切向力的高灵敏检测和稳定性,动态响应时间约为70 ms,进一步论证了其用作电子皮肤的可行性。     

基于油封方法的光纤FP温度传感器增敏技术研究

为了有效提升二氧化硅基底光纤温度传感器的温度灵敏度特性,通过膨胀辅助放电方法形成端部呈微泡结构的光纤Fabry-Perot温度传感器,并对传感器外表面进行镀铬与金膜处理,然后将传感器密封在一个充满硅油的中空圆柱金属体中.由于微泡结构膜层对外界压强比较敏感,所以通过油封方法可有效地将传感器的压强灵敏度特性转化温度增敏效果.实验结果表明,在30~90℃温度变化范围内,油封前后的传感器温度灵敏度分别为6pm/℃和36pm/℃,表明该方法可实现6倍以上的灵敏度增强效果.本文结果对发展新型高灵敏度光纤温度传感器具有一定的参考价值.     

面向机器人触觉的柔性压力传感器

机器人触觉传感器需要同时满足对受力大小进行精确感知以及对作用位置进行精准定位。该文采用等离子体原位极化工艺,在柔性电路板上制备了PVDF-TrFE压电薄膜。在PVDF-TrFE薄膜的制备中,以少量羟基磷灰石掺杂提高了PVDF的结晶性能,有利于β晶型的转化,进而提高了PVDF的压电系数,提升了PVDF对力的电学响应精度,从而提高了感知器件灵敏度。采用柔性PCB电路板制备柔性PVDF压电传感器,不仅可以对力的大小实现三维传感,而且能够对作用力的位置进行定位,从而可以应用于机器人触觉传感。     

基于磁致伸缩逆效应的纹理触觉传感器研究

纹理是物体表面微观结构分布特征的体现,为了提取不同物体表面微观结构特性,提出一种基于Galfenol材料的新型磁致伸缩触觉感知系统。基于磁致伸缩逆效应、悬臂梁挠度理论等建立纹理触觉传感器输出电压与纹理表面微观结构的关系。实验选取5种织物样本测试,测试的输出电压明显不同,然后利用MATLAB软件提取输出电压中与纹理有关的峰值平均电压和功率谱密度,表明在粗糙度大于6.0的范围内,传感器可以识别物体的粗糙度;在细密度大于6时,细密度的识别具有较高的灵敏度。最后通过测试触觉传感器的线性度为0.019%,灵敏度为97.31 mV/mm,重复性小于0.33%,验证纹理触觉传感器的稳定性,满足设计要求。     

高柔弹性电子皮肤压力触觉传感器的研究

为解决可用于机器人等复杂三维载体表面的电子皮肤触觉传感器难以兼具高柔弹性及压力检测功能的难题,从材料的选取、结构的优化以及新型制作工艺等方面进行了研究,提出研制高弹性的柔性电子皮肤压力触觉传感器新方法. 采用新型银纳米线（AgNWs）/聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合材料,基于半圆与圆形相结合的高柔弹性导电薄膜电极层及阵列式“多孔PDMS”的新型“三明治”式传感器阵列结构,极大地提高了触觉传感器的柔弹性,用模具固化成型工艺制作了高柔弹性电子皮肤压力触觉传感器. 结果表明:这种电子皮肤压力触觉传感器具有良好的柔弹性,其弹性拉伸率超越人类皮肤的弹性,达到了30%,可覆盖于机器人等复杂三维载体表面；在不同载荷条件下进行了压力大小及分布情况的测量,发现在自然及拉伸状态下,该电子皮肤压力触觉传感器均具有较高的线性度、灵敏度及较小的迟滞误差. 研究结果为机器人触觉感知技术和智能化发展奠定了基础.     

小倾角倾斜柔性圆柱涡激振动实验研究

海洋工程中柔性圆柱结构疲劳破坏的主要诱因是海流引起的涡激振动。垂直来流作用下柔性圆柱涡激振动研究已取得诸多成果,然而在实际工程中,圆柱轴向与海流并不完全垂直,存在一定倾斜角度。针对这种普遍现象,学术界提出了倾斜圆柱涡激振动的不相关原则,但其正确与否至今存在争议。本文设计了室内模型实验,开展了长径比350,雷诺数800~16 000,质量比1.9,倾斜角度为15°的柔性圆柱涡激振动实验,通过对比垂直圆柱与小倾角倾斜圆柱的实验结果发现,在模态转化区域外不相关原则适用于小倾角倾斜柔性圆柱涡激振动分析,同时观测到在模态转化区倾斜圆柱更容易激发高阶模态。     

电子皮肤触觉传感器研究进展与发展趋势

从介绍人类皮肤的触觉感知性能出发,全面综述了国际上多学科领域模拟人类皮肤的电子皮肤触觉传感器研究进展与关键技术;分析讨论了电子皮肤触觉传感器的工作原理、新型材料和结构、先进设计制作方法、触觉传感特性和性能指标等方面内容;重点总结了国内外近年来在电子皮肤阵列触觉传感器柔性化、弹性化、空间分辨率、灵敏度、快速响应、透明化、轻量化和多功能化等方面的研究进展.指出了电子皮肤触觉传感器的研究依然存在着难以兼顾高柔性和高弹性、高灵敏度电子皮肤设计制作工艺复杂,可扩展性差和成本高等技术难题.电子皮肤触觉传感器可广泛应用于机器人、医疗健康、航空航天、军事、智能制造和汽车安全等领域,正朝着高柔弹性、宽量程的高灵敏度、多功能、自愈合与自清洁、自供电与透明化等方向发展.     

基于振荡共振原理的人体触觉传感装置设计

针对老年人对外部刺激的触觉感知灵敏度下降的问题,本文设计了一套人体触觉振荡共振传感装置。该系统选用STM32F103ZET6为中央处理器,利用加速度传感器MPU6050采集人体姿态特征信息,通过串口模块CP2012将采集到的信息发送到上位机实时显示和存储,依据姿态信息驱动微电机产生高频振荡作用于触觉感知部位,以提高人体的触觉感知功能。通过对微电机振动产生的振荡进行数字化录音,对其频谱分析观测到不同输入电压下对应电机振动输出频率的变化情况。仿真结果表明,该装置能够产生不同振动强度的高频刺激,为利用振荡共振理论在人体医学功能的应用提供了实验依据。该研究在人体触觉感知领域奠定了实验基础,具有一定的实际应用价值。     

激光诱导石墨烯基柔性应变传感器的传感行为分析

基于柔性聚酰亚胺(PI)基底的应变传感器通常在轴向拉伸或压缩下的变形有限,灵敏度不高,在多维柔性应变传感器方面的发展受到了限制。为了制备具有多维应变传感能力和高检测灵敏度的柔性传感器,采用紫外激光烧蚀PI薄膜制备图案化石墨烯材料,利用聚乙烯(PE)泡棉丙烯酸双面胶带转印图案化石墨烯,并构建双层石墨烯基柔性应变传感器。对激光诱导石墨烯的微观结构进行表征分析,并测试传感器在不同变形下的传感性能,实验结果表明：激光诱导的石墨烯薄膜呈现蓬松的孔状结构,该结构在不同应变状态下呈现拉伸或压缩状态,从而改变了石墨烯的导电通路,导致石墨烯薄膜电阻相应地增大或减小。双层石墨烯基柔性应变传感器可以感受不同方向的拉、压、弯、扭等复杂形变,并表现出很高的灵敏度、良好的线性度和优异的机械重复性。此外,该柔性应变传感器能够适应人体四肢或关节处的多维运动,可对手指弯曲、手掌弯曲等肢体运动进行有效监测和识别,并实现摩尔斯电码的编码。该激光诱导石墨烯基柔性应变传感器在手势识别、智能化控制和人机交互等领域有广阔的应用前景。     

基于灵敏度变化机理的双传感器称重系统在位标定方法

称重系统传感器安装完成后,会由于传感器安装面的形位误差使得传感器受力面不一定水平,对于所承受的重力或出现偏载,灵敏度系数安装前后不再相同,一般需在位标定后方可使用。对于双传感器系统,由于各传感器安装情况不同,灵敏度系数不仅安装前后不同,而且彼此也不相同;另一方面,由于标定时加载重心位置有一定随机性,不能保证两传感器的平均受力,因而加载重量未知。偏载和加载位置随机性相互作用,使得双传感器系统灵敏度系数标定变得困难。目前常用方法是在处理电路上附加电位器等元件,通过改变原信号放大倍数使各路灵敏度相同,然后再加载标准重量完成标定。该方法需改变原电路,可能带来未知的影响,而且对于集成型的处理电路难以实现。针对上述问题,首先建立了传感器受力模型,通过受力分析明确偏载和重心位置变化对灵敏度系数的影响机理,推导了灵敏度标定算法,将双传感器系统灵敏度系数分解为耦合系数和转换系数两部分,标定时用同一标准重物在不同位置加载两次,即可完成在位标定,解决了双传感器系统灵敏度系数的标定问题,保证偏载情况下系统的测量精度。经实验验证,该方法不改变原测量电路和机械结构,标定后系统误差小于0.03%。     

光纤式触觉传感器及其性能研究

触觉是机械人非常重要的信息来源，给机器人安装适当的触觉传感器，使机器人具有某些触觉功能，可以提高机器人作业的智能化程度，因此，利用光纤外调制机理设计了一种机器人触觉传感器，介绍了传感器的结构和工作原理，对传感器的静态性能和动态性能进行了研究，建立了传感器的数学模型，研究结果表明，这种传感器能够有效地获取触觉信号，可用在机械手上实现无损伤抓取作业。     

计算机控制的智能化柔性机械手

该文设计和研制了一种完全可由计算机控制、具有指端触觉传感器的智能化柔性手实验装置,它不仅能像人手一样对触觉和滑觉有敏感的反应,而且利用由接触觉、滑觉信号转变得到的位置命令自动地操纵柔性手。文中的主要贡献是在柔性手指端安装了新型而灵活的触觉传感器,并将传感器的触、滑觉信号转变成位置命令给内部位置控制系统,由对抓握力的控制来实现手指的位置控制。并且由滑觉信号来自动实现位置误差的补偿,响应迅速而准确。经实验证明,该智能化柔性手能顺利完成抓握一定大小和重量范围内的物体的任务,在抓握易破碎的物体时达到了不破不摔的理想抓握状态。     

一种高分辨率柔性阵列触觉传感器

设计并研制了一种机器人用高分辨率柔性阵列触学传感器。传感器各向异性压阻材料ＣＳＡ作敏感材料,触觉扫描采样电路为一种新型的行扫描电路,提高了传器频响。并对触 觉图像的处理作了简单的论述,最后给出了传感器性能测试结构和结论。     

电流变流体触觉传感器及触觉信号检测

针对机器人柔顺抓握与稳定操作,给出了一种新型柔顺触觉传感器,这种触觉传感器能够在较小的接触力下产生较大的变形,从而顺从物体的形状,获取较多的接触信息,并能有效地改善指面的性能,降低接触感知时接触力对物体和传感器造成的破坏和其它不良影响,根据微小电容测量存在的问题,给出电容式触觉阵列的测试原理和方法,实现了触觉单元微小电容的测量,建立了触觉信号采集与处理的硬件及软件系统。