基于 PVDF 三维力传感器设计

在现代机器人技术和柔性电子应用中,迫切需要具有高灵敏度、良好灵活性和三维力测量能力的柔性触觉传感器。本文提出了一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜的触觉传感器,实现动态三维力测量。传感器由3个夹角为120°的PVDF压电敏感单元构成3个压力敏感区,3个压电敏感单元安置在聚二甲基硅氧烷(PDMS)半球型结构的底面。从PDMS半球顶部传递的三轴接触力引起3个压电敏感单元的电荷分量发生变化,从而计算出接触力的方向和大小。本文推导了基于3个压电敏感单元触觉传感器的三维力算法,对所制备的传感器进行了标定,实现了三维动态力的测试。结果表明,角θ的平均误差为7.75%,角■的平均误差为12.17%,力F的平均误差为7.48%。该三维力触觉传感器在穿戴式电子产品、健康医疗、人机交互等领域拥有很好的应用潜力。     

柔性阵列电容式触觉传感器设计与实验

针对现有柔性触觉传感器柔性差、结构和加工工艺复杂等问题,设计了一种可用于智能机器人和健康监测领域中的柔性阵列电容式触觉传感器。传感器由上电极层、下电极层和中间介电层构成,每个电极层上有多个平行带状电极,且上下层电极互相垂直,电极垂直交叉点形成阵列传感器单元。介绍了柔性阵列电容式触觉传感的理论基础和结构设计,并根据阵列结构建立了信号采集和处理系统。实验证明,该柔性阵列电容式触觉传感器和信号采集系统有很好的稳定性和准确性,可获得其表面的压力分布情况,并可在上位机中图形化呈现。     

基于神经网络的光纤布拉格光栅触觉信号解耦研究

针对应用于电子皮肤的柔性光纤布拉格光栅触觉传感器的输出信号是施加载荷位置、大小等信息的非线性、多维耦合问题,在对光纤布拉格光栅触觉传感阵列进行力学有限元仿真的基础上,提出了将误差逆传播神经网络和径向基函数神经网络应用于仿真和实验的触觉信号解耦方法。对实验数据的神经网络解耦结果表明,相对于误差逆传播神经网络,径向基函数神经网络具有更强的抗噪声能力,能够更好地逼近含有噪声的触觉多维非线性实验数据之间的映射关系。经径向基函数神经网络解耦后,传感器阵列的空间分辨率为5 mm,对压力位置和大小感知的最小相对误差为3.00%和4.82%。本文的研究成果对开展电子皮肤柔性触觉传感器的研究和推广具有一定的实用价值。     

新型三维柔性触觉阵列传感器标定系统与方法研究

介绍一套新型三维柔性触觉阵列传感器标定系统,该系统可用于柔性压敏材料的标定。该系统分别采用求解标定矩阵和BP人工神经网络的方法完成传感器标定,进行误差分析并比较其优缺点。该系统的设计简化了对柔性阵列单元进行标定的程序,达到了预期的目的。     

基于光纤布拉格光栅的柔性触滑觉复合传感研究

针对仿生皮肤柔性触滑觉复合传感问题,提出了一种基于光纤布拉格光栅的双层分布式传感单元。首先,研究了光纤布拉格光栅的传感机理,推导了基于参考光栅的温度补偿原理;然后,利用聚合物弹性材料对光纤布拉格光栅传感阵列进行保护性和增敏性封装,设计了双层"十字型"的分布式传感阵列单元,并对传感阵列单元压力灵敏度进行了仿真分析研究;最后,搭建实验系统平台,对柔性复合传感器进行了温度、触觉和滑觉传感实验。仿真和实验结果表明,该柔性触滑觉传感器具有良好的线性度和响应速度,温度灵敏度为13 pm/℃,是裸光纤布拉格光栅的1.31倍;正向压力灵敏度为7.289 nm/MPa,x正向和x负向剪切力灵敏度分别为0.060 2和0.063 6 nm/N;由滑觉传感特征信号可以获取物体的滑移信息。该传感器有望表贴或埋置于仿生手内部,对实现仿生手触滑觉信息感知具有一定的应用价值。     

基于 CTD 的热觉传感器和热传导模型

人体皮肤含有丰富的感知受体,通过触摸可以识别不同物质,柔性热觉传感器能够模拟人体皮肤的结构和功能,实现智能机器人、智能传感应用。设计了一种基于恒定温差法(CTD)的柔性热觉传感器,由金属电极与柔性聚合物薄膜结构组成,结合机器手指触摸识别应用,建立了“加热-接触”传热模型,考虑了传感器、物体、机器手指的几何特征,采用数值拉氏逆变换算法进行求解。通过有限元仿真和热觉感知实验进行了验证,设计了CTD工作模式的调理电路,通过PID算法实现闭环温差控制,引入卡尔曼滤波抑制扰动,温控相对误差在3.0%以内,实现了11种具有不同热属性的材料的识别。该柔性系统在机器人感知、可穿戴电子、虚拟现实等领域具有应用潜力。     

石墨烯-聚合物柔性电容传感器制备及性能研究

为了研究不同微结构对柔性电容式压力传感器性能的影响,采用成本较低的旋涂技术制备了无微结构、单层微结构和双层咬合微结构的柔性电容式压力传感器。通过对三种传感器进行测试试验,对比分析了具有不同微结构传感器的灵敏度,同时,对具有单层砂纸微结构传感器的响应特性、重复特性和迟滞特性进行了测试分析。试验结果表明,在20 kPa的载荷下,具有单层砂纸结构的柔性电容式压力传感器相较于其他两种传感器具有较高的灵敏度,在0～4 kPa的压力范围内灵敏度为0.451 kPa-1,4～6 kPa压力范围内灵敏度为0.14 kPa-1,6～25 kPa压力范围内灵敏度为0.03 kPa-1。制备的传感器具有较强的响应特性、良好的恢复性和稳定性,能够适应柔性可穿戴电子器件的应用需求。     

基于传感阵列的动态足底压力分布测量系统

足底压力分布与人体健康具有很大关联性,足底压力分布异常变化是某些足病的早期症状。为帮助患者预防足病,实时监测足底压力分布,研制了一种基于触觉传感阵列的动态足底压力分布测量系统。系统共有48个传感单元,测量误差小于2.4%,可对足底各区域压力进行精确采集,并采用可穿戴式设计,将数据采集系统固定于脚踝,通过蓝牙与上位机连接。此外,针对传统压力分析方法无法对运动过程中压力分布变化进行分析的缺陷,提出了一种动态足底压力分布分析方法,通过支持向量机对人体足底压力数据进行分类,达到了98.6%的分类正确率;并在此基础上引入步态相典型压力分布指标,与传统分析指标相结合,实现对人体健康状态的分析与评价。实验证明,该系统可以准确测量运动状态下的足底压力分布、分析异常状态下的压力分布变化并对压力异常区域进行预警。     

磁致伸缩触觉传感单元及其输出特性

为了满足机器人精确感知和抓取物体的需要,首先设计了以铁镓丝为敏感元件的新型触觉传感单元,搭建了传感单元输出特性测试平台,测试了其输出电压与施加静态和动态压力的关系。以触觉传感单元为核心设计了传感器阵列结构,并将传感阵列安装在机械手上,进行了抓取实验。实验结果表明,施加静态压力时,在1.908kA/m的偏置磁场下,长度为16mm、直径为0.8mm的铁镓丝组成的触觉传感单元在2N压力下的输出电压可达96mV,灵敏度为48mV/N。在1～4Hz、0～2N的动态压力作用下,传感单元输出曲线平滑,灵敏度高。传感器阵列安装在机械手上,能感知多路压力信息,精确显示机械手指的受力分布情况,可广泛应用在机械手准确抓取与智能控制领域中。     

基于海绵介质层的电容式三维力触觉传感器

为了提高电容式触觉传感器在较大量程范围内的灵敏度,应用PDMS(聚二甲基硅氧烷)海绵微结构作为介质层,设计了电容式三维力触觉传感器。利用有限元软件对海绵介质层和普通薄膜介质层进行性能对比,同等压力作用下,海绵微结构触觉传感器拥有更高的灵敏度。对传感器单元进行有限元分析,得到传感器在三维力作用下的形变情况和电容变化趋势。制备了传感器单元,并进行三维力加载实验,采集和分析实验数据,计算出了传感器的灵敏度。样机实测结果表明,该传感器可以实现在0~10 N法向力和0~4 N切向力较大的量程范围内的检测,且法向和切向的平均灵敏度都较高,分别可以达到0.065 pF/N、0.071 pF/N和0.076 pF/N。     

触觉传感器与电子皮肤研究进展

触觉传感器是机器人与环境交互的重要元件,是机器人与环境之间不可或缺的介质。近年来,触觉传感器在医疗设备、生物力学、健康监测等领域的应用成为研究热点。文中回顾了过去50年来国内外机器人触觉传感技术的研究情况及成果,介绍了不同传感机理的触觉传感器及其特点以及仿生触觉传感器电子皮肤的研究现状,指出了触觉传感器全柔性化、多功能化、自供电的未来发展方向。     

具有电磁阀微喷功能的3D打印机构建及应用

3D打印技术已经在生物医学、传感器制造等领域得到广泛应用。然而,传统3D打印机由于自身工作方式的不同,适用范围不同,难以同时兼容生物制备和传感器制备。因此,以电磁阀作为3D打印机的喷头,自主设计并构建具有独特工作方式的3D打印机,将高精度液滴分配方式应用于3D结构打印。研究料筒气压、电磁阀开关时间、喷头高度对打印液滴直径的影响,并对点、线、网、面图案的打印质量进行评估;利用所构建的打印机制备具有真皮乳头结构的组织工程皮肤和阵列式柔性压力传感器,测试组织工程皮肤的细胞活性及压力传感器的压-阻转换特性。结果表明,打印液滴直径尺寸与料筒气压、喷头开启时间、喷头高度均成正相关;3D打印机对点、线、网、面图案的打印效果较为理想;可成功应用于具有真皮乳头结构的组织工程皮肤和柔性压力传感器的制备。所构建的3D打印机融合喷墨式打印机和挤出式打印机的优势,对打印墨水有较好的兼容性,具有打印方式简单、打印速度快、成型质量高的优点,对组织工程皮肤及柔性压力传感器的研究具有重要意义,为实现具有感知功能仿生皮肤的制备奠定基础。     

可测量法向力和剪切力的带屏蔽软体电容传感器

软体电容传感器因其高柔顺性和高灵敏度等特征在人机交互、可穿戴设备和软体机器人中有很好的应用前景,然而电容检测很容易受到外界电磁场的干扰,因此提出了一种带屏蔽的软体电容传感器。为了能够同时检测法向压力和剪切压力,设计了一种三电极的双电容结构,同时在传感器上下表面添加屏蔽层来屏蔽外界电磁场干扰。为解决因屏蔽层变形产生的寄生电容对检测电容的影响,提出了一种刚度分层的方法,电极之间的电介质感知区域采用一种厚度仅约0.6mm的硅胶海绵结构,而电极和屏蔽层之间采用实心硅胶,从而保证按压传感器时感知区域的变形远大于屏蔽层。实验结果表明,传感器可以同时检测法向压力和剪切压力的变化,法向灵敏度可达到0.12kPa^-1,单位剪切压强的电容变化达10fF,与不带屏蔽的传感器相比,该传感器可将交流高压(1400 V)电场引起的噪声减小到9%。这种带屏蔽的传感器在电吸附皮肤、软体机器人、可穿戴医疗设备等电磁干扰较强的环境中具有潜在的应用价值。     

柔性触觉传感阵列力觉标定及加载系统

为解决现有触觉力标定系统不易实现对柔性触觉传感阵列中任意触觉单元进行标定,且存在精度低、不易操作等弊端,设计并研制了一种柔性触觉传感阵列力觉标定及加载系统。利用STM32F103VET6高性能微处理器控制步进电机以联动S型高精度压力传感器实现二维力的精确加载与标定,并将标定信息于上位机实时图形化显示。介绍了标定平台的结构特点、工作原理及系统软硬件设计,通过对系统误差分析及平台标定测试,可实现二维力加载范围0~50 N,法向与切向精确度为0.18%FS。触觉力加载应用实验表明,该加载平台具有较高的测量精度和较强的实用性,为不同结构单元的柔性触觉传感阵列二维力标定及加载提供了便利。     

基于二次曲面拟合的压力变送器的标定

针对传统的压力变送器,给出了一种超低功耗无线智能压力变送器的设计方案。详细介绍了变送器中压力传感器的测量电路原理,同时给出了该测量电路的可行性的分析过程;并在此基础之上给出了一种用曲面拟合实现二传感器的数据融合的方法,从而实现对电容式压力传感器的标定。     

一种新型气压式触觉传感器的研制

以波纹管、微型压力传感器为材料，制作出了价格低廉、结构简单、体积小且具有柔性的新型传感器。文中阐述了这种新型气压式触觉传感器的结构组成、工作原理、制作方法以及实验性能参数。     

机器人触觉传感器的力学分析与研究

触觉传感器是实现机器人触觉感知的最关键器件．直接影响机器人感知外界环境和自身状态能力的大小。敏感单元是触觉传感器的核心器件。以E型方膜结构的敏感单元为例，建立微型触觉传感器的三维力学模型，计算了微型触觉传感器敏感单元的理论值，并与有限元(FEM)分析得到的值相比较，得出了E型方膜结构类型传感器的静态特性和动态特性，讨论了静态和动态特性对结构的敏感性，为传感器的优化设计提供依据。     

车用新型陶瓷电容式压力传感器

压力传感器是车辆电子控制装置获得压力信息的主要元件之一,文章通过对电容式压力传感器基本原理的分析,阐述在电容敏感材料变为陶瓷时,其性能、特点、精度及相应的信号处理,使其在低成本的基础上,广泛地应用于社会的各个领域     

A 32 × 32 temperature and tactile sensing array using PI-copper films

The development of a flexible 32?×?32 temperature and tactile sensing array, which will serve as the artificial skin for robot applications, is presented in this work. Pressure conductive rubber is employed as the tactile sensing material, and discrete temperature sensor chips are employed as the temperature sensing cells. Small disks of pressure conductive rubber are bonded on predefined interdigital copper electrode pairs which are patterned on a flexible copper–polyimide substrate which is fabricated by micromachining techniques. This approach can effectively reduce the crosstalk between each tactile sensing element. The mechanical and electrical properties of tactile sensing elements are measured. Also, the corresponding scanning circuits are designed and implemented. The temperature and tactile sensing elements are heterogeneously integrated on the flexible substrate. By using the integrated 32?×?32 sensing arrays, temperature and tactile images induced by the heaters/stamps of different shapes have been successfully measured. The flexible sensor arrays are bendable down to a 4-mm radius without any degradation in functionality.