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.     

温度触觉传感器的材质识别仿真研究

采用温度触觉传感器对材质进行识别研究,介绍了一种基于热传导原理的材质识别方法,利用ANSYS软件对温度触觉传感器在不同温度差、不同基板材料和不同被测物体材料不同情形下的热传导进行了仿真实验。仿真结果表明:温度触觉传感器可用于识别吸热系数偏低的材料,接触温度可作为材质识别的一个重要判据。     

基于电容式传感测头的电容检测系统的设计

针对纳米尺寸测量领域的不同测量要求,尝试开发一种基于电容传感器的微触觉测头及其电容检测系统。阐述了测头的结构原理和电容传感器的工作原理,研制了基于电容传感器的微触觉测头。测头的测量原理表明:微小电容检测电路是整个电容检测系统的关键部分。该微小电容检测电路选用电容/数字转换器(CDC)AD7747芯片,分别编写了单片机与该芯片的I2C通信程序和单片机与上位机间的串行通信程序,实现了微小电容的采集和处理,简单进行了电容式传感测头的轴向性能的测试实验。实验表明:电容式微触觉测头的分辨率为0.02μm,重复性较好,证实了此电容式微触觉测头的可行性。     

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。     

基于新型多模态触觉传感器的机器人交互物体分类

多模态传感融合对于机器人探索外界环境十分重要,而现有的触觉传感器只能收集一种触觉模态信息,其收集到的多模态信息存在弱配对问题,为了解决此问题,研究了一种基于触觉和视觉融合的多模态触觉传感器。该传感器可以利用一个感知层同时收集2种异构触觉模态信息,弥补了传统触觉传感器的缺陷,同时可以利用收集到的多模态信息对不同物体的几何形状进行分类,在研究过程中,通过按压实验收集了圆形、正方形、长方形和三角形4种形状物体的触觉信息,再利用K最近邻(KNN)算法进行几何形状分类,实验结果证明了该传感器在区分不同物体的形状上具有良好的效果。     

光纤Bragg光栅力觉传感器在健康医疗领域的应用

在微创手术等现代医疗过程中普遍存在力触觉反馈缺失、健康体征监测系统有待完善和提升等问题，使得力触觉感知成为了机器人领域中热门的研究方向。传统的电学类传感器存在明显的体积大和生物相容性差等问题，难以直接应用于微创手术等场景。光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)传感技术因其抗电磁干扰能力强、生物相容性高、宽带宽和尺寸小等特点，正被广泛应用于健康医疗领域。主要介绍了FBG力觉传感器的工作原理及其传感特性，详细叙述了国内外基于FBG的力触觉传感器在健康医疗方面的研究现状和应用情况，并展望了光纤光栅式力觉传感技术在健康医疗领域的发展趋势。     

用于脉搏波检测的背接触式触觉传感阵列单元

触觉传感器在脉搏波测量、仿生机器人等领域有重要应用。该方案制作背接触式传感器,并通过转移工艺实现芯片加工和圆片级芯片尺寸封装一体化,用组装工艺低成本实现大面积柔性触觉阵列,采用模块化设计,正压力与剪切力传感单元的尺寸和布线相同,制作可组装的标准单元,在传感器转移工艺中,采用无电极化学腐蚀自停止工艺,提高成品率。传感单元尺寸仅为300μｍ×300μｍ,与人类触觉传感的极限可比拟,灵敏度为2mV/10kPa,量程为150kPa,已用于研制新型脉诊仪的柔性传感阵列?实现了脉搏波的实时测量。     

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。     

机器人触觉传感器发展概述

触觉是机器人感知外部环境的重要信息来源。近10年来，随着触觉感知技术和交互技术的广泛应用，机器人触觉传感技术得到了机器人研发人员的高度关注。首先简要回顾了近50年来机器人触觉传感器技术研究的发展情况，特别是我国在机器人触觉传感器技术领域的研究历程；然后，对现有机器人触觉传感技术进行了分类总结；接着，对当前触觉传感技术研发的前沿即电子触觉皮肤的研究做了分析和阐述，指出了机器人触觉传感技术研发亟待解决的关键问题，并对未来的发展趋势提出了一些见解。     

基于PVDF的三维力机器人触觉传感器的设计

当机器手抓取时物体受力信息检测是抓取过程顺利进行的基础,检测三维方向上的力便可充分反映物体的受力信息。当前用于抓取过程中三维力检测的触觉传感器还存在着一些不足,基于此,论文拟设计一种基于PVDF的三维力机器人触觉传感器。论文展示了传感器的结构设计,建立了压电薄膜及传感头结构的数学模型,设计了调理电路并对传感器进行测试和验证,结果表明该传感器能有效检测机器手抓取过程中的三维力信息。     

压阻式触觉传感器对法向力和剪切力的检测

灵活的触觉传感器应该具有像皮肤一样的功能,能够检测施加力的大小和方向.改进的压阻式触觉传感器,主要由中心芯和4个侧壁组成,法向力和剪切力的感测元件不同.将压阻式触觉传感器嵌入到一个聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体中,以实现力的柔性检测.通过仿真分析,得到此种触觉传感器对法向力的检测范围为600 Pa~65 kPa,可测得的最小剪切力为900 Pa.通过进一步分析,得到施加法向力和剪切力时法向力感测元件阻值的变化曲线,可得此种触觉传感器能够有效降低法向力感测元件与剪切力感测元件之间的干扰.所开发的触觉传感器可以灵活检测施加的法向力和剪切力,可应用于机器人手臂和假肢上.     

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.     

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。     

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。     

可连续检测三维力的人工皮肤简介

触觉是生物获取外界信息的一种重要的知觉形式,通过触觉可获知目标物体的多种物理信息,如目标物的形状、表面硬度、粗糙度、纹路、抖动等信息,凶此相关触觉传感器的研究一直引起各国相关学术界和工业界的广泛关注。     

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。     

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．     

光栅投影测量系统三维形貌拼接技术研究

针对尺寸较大或型面复杂的被测物形貌的测量,提出了一种基于投影仪投射标记点和全局控制点的三维形貌拼接方案。方案充分利用光栅投影测量系统的优势,以拼接相机坐标系为中介,将被测物表面在投影系统视觉传感器坐标系下的多视点云坐标转换到全局坐标系下,实现了将投影系统视觉传感器在不同位置、不同角度的测量数据统一到全局坐标系,完成拼接。该方案避免了人工标记点的粘贴,保持了被测物表面的原有形貌,提高了测量效率,同时克服了基于相邻图像重叠拼接中的误差累积问题。此方案方法操作简单,原理可行,精度可满足要求。实验结果表明:拼接的X,Y,Z坐标均方根误差分别为:0.056 mm、0.023 mm、0.165 mm,测量系统的绝对误差为0.33 mm。     

虚拟触觉传感器的仿真模型研究

本文根据真实触觉传感器的原理,对虚拟触觉传感器的仿真模型进行了研究,以便 在机器人手抓拾取操作中揭示与材料特性相关的触觉信息瞬态特性,进而为在虚拟环境中从 事基于传感信息的机器人柔性操作、精密装配操作等提供良好的研究平台．     

机器人用触觉传感器的研究

智能机器人通过视觉、触觉来识别周围的环境,工作对象和检测工作完成的情况。由于触觉装置控制简单,可直接检测物体的形状、光滑度、硬度等,因此触觉传感器是智能机器人的一个重要组成部分。 本文介绍三种国外的触觉传感器结构及其线路,在此基础上又探讨了光电触觉传感器以便为研制机器人的陈列触觉传感器奠定基础。