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。     

用PVDF制作的机器人传感器

在分析PVDF敏感特性的基础上，阐述了用核材料研制的三维腕力传感器、阵列压力传感器及热觉传感器，给出了三种传感器的结构及相应信号处理方法．     

基于PVDF的三维指尖力传感器设计

在智能机械手控制过程中,为了获取指尖力三维信息,设计了一种基于聚偏二氟乙烯(PVDF)压电薄膜的指尖力触觉传感器,并通过数学模型描述了压电薄膜及传感探头原理,设计了相应的调理电路。以和接触面所呈不同角度的指尖力为测试对象。测试结果显示:所设计的指尖力传感器能准确检测指尖力的三维信息,可用于实际的指尖力检测。     

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。     

纹理触觉信息检测系统研究

本文利用PVDF(聚偏二氟乙烯)薄膜的压电效应和其独特物理性质,设计了一种高精度、高分辨率、高速响应的具有纹理触觉感知作用的传感器;然后,模拟人体感知纹理触觉信息的过程,制作了基于伺服电机的纹理触觉信息检测平台,可以实现对纹理压电信号的采集与调理;最后,对6种典型的纹理样本进行信号采集,通过试验数据证明了该系统的有效性.     

基于力敏导电橡胶的新型三维力柔性触觉传感器仿真研究

针对目前触觉传感器研究中不能兼有柔韧性和多维力测量等难题,设计了一种基于力敏导电橡胶的具有整体两层非对称网状式结构的触觉传感器,通过检测导电橡胶的电阻值变化来分析三维力信息。本文介绍了该传感器的基本结构,并基于理想力敏导电橡胶的力学特性建立了三维力并行测量的数学模型,通过对该模型的求解解决了三维力及各受力点之间复杂的耦合问题。仿真实验结果表明该传感器能够实现对表面任意单点三维力、多点三维力以及三维面力信息的测量。     

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.     

柔性触觉传感器主要技术

结合理论分析和文献报道对现有柔性触觉传感器的主要技术进行了归纳总结,主要包括微机电系统(MEMS)的压阻原理,通过惠斯顿电桥将力转换成电量的基本原理,基于新型材料聚偏二氟乙烯(PVDF)的压电特性,电介质的力学性质与电学性质的耦合作用,以及基于导电橡胶的柔性触觉传感器导电机理和压阻效应。概述了3种主要技术物理特性,总结了3种主要技术应用在柔性触觉传感器上的优缺点和在各个领域上的实际应用,提出了触觉传感器一些有待解决的问题和研究方向。     

基于PVDF的三维机器人触觉传感器有限元分析

为了解决压电层合板层间应力连续性问题,从而更为准确地预测传感器的实际输出,利用COMSOL Multiphysics对基于PVDF压电薄膜的三维机器人触觉传感器进行有限元建模。利用三维线性理论建立了压电层半解析轴对称有限元模型,得出分别沿三个方向施加单向力时触觉传感器各压电薄膜的电压响应。仿真结果与标定值之间的误差小于6%,验证了设计的合理性和可行性。     

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.     

Development of a sensor system for collecting tactile information

This paper presents the development of a sensor system for collecting tactile information. An active sensing system using the piezoelectric effect and the pyroelectric effect of a PVDF (Polyvinylidene fluoride) film is proposed. The active sensing is designed with human motions for tactile perception in mind. First, as the pretest, the distinction examination of six fabrics with different textures is carried out through human tactile perception. Next, the proposed sensor system is assembled. The sensor is composed of a PVDF film and a soft rubber. The surface of the sensor can be heated through temperature control. The sensor is attached on the tip of a robot finger driven by a piezoelectric bimorph strip and the root of the finger is mounted on a linear slider. Two kinds of active sensing are introduced. First, the heated sensor is contacted with an object and pyroelectric output signals are collected in order to obtain the information on tactile warmth. Next, the heated sensor is slid over the object and piezoelectric output signals are collected in order to obtain the information on feelings of vibration. Through the discussion about each sensing, three indexes representing features of the collected data are extracted and proposed as the sensor outputs for the evaluation of tactile sensation. The measurement using the sensor system is done on the samples used in the distinction examination. Comparison with the results shows that the sensor system extracts features on feelings of vibration and warmth.     

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。     

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.     

Flexible Tactile Sensor for Tissue Elasticity Measurements

This paper presents a novel tactile sensing technique for tissue elasticity measurements. A prototype flexible tactile sensor has been successfully fabricated using polydimethylsiloxane as the structural material. The proposed sensor comprises an array of capacitors with no active elements used. By varying the sizes of sensing membranes within the capacitors, different stiffnesses of sensing diaphragms can be achieved. The elasticity of the targeted object can be thereafter measured based on the relative deflections of the sensing diaphragms. The fabricated sensor has been calibrated by an off-the-shelf polymer durometer hardness selector pack. The results show a sensing resolution of 0.1 MPa for elasticity measurement and a force sensing resolution as small as 5 mN. This flexible tactile sensor can be embedded on the distal portions of various endoscopic instruments for in vivo tissue elasticity measurements. $hfill$[2009-0143]      

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．     

Multiplexed piezoelectric polymer tactile sensor

An electrically multiplexed robotic tactile sensor has been realized using a monolithic silicon-integrated circuit coupled to a piezoelectric polyvinylidene fluoride (PVDF) film. The integrated circuit incorporates 25 sensor electrodes arranged in a symmetrical 5 × 5 matrix. Each electrode occupies a 600 × 600 m?m square area, and they are separated from each other by 600 m?m. A 25-m?m thick PVDF film was experimentally determined to be compatible with the fabrication process, and also yielded very favorable tactile sensing performance characteristics. The response of the tactile sensor is essentially linear for loads spanning 0.8 to 60 g force (gmf). The response bandwidth is 33 Hz, the hysteresis level is very small, and crosstalk is not a significant problem. A novel precharge bias scheme has been implemented to stabilize the pre- and postload sensor response. A rudimentary tactile object image measurement process was evaluated to recognize the shapes of circular, rectangular, toroidal, and hexagonal loads.     

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。     

敏感高分子“人工皮肤” 力觉感受器 的数学理论依据

本文以PVDF敏感材料的结构性能为出发点,对机器人触觉传感器——人工皮肤的理论基础进行了研究,并就PVDF的压电性从弹性力学的角度进行了分析。在此基础上给出了这一变形体的非线性动态系统的数学描述,为精确而有效地采集力觉感受器的压电信号奠定了基础,为机器人触觉力传感器的设计与制造提供了理论依据。     

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。