三维力柔性触觉传感器电极研究与实验

为了实现机器人智能皮肤对三维力的探测,基于炭黑/碳纳米管/硅橡胶的表面压阻效应,设计了2种不同排布的对称结构的四叉指电极三维力柔性触觉传感器.理论分析了这2种三维力传感器的工作原理,并对这2种结构的传感器进行了量程、灵敏度、线性度等实验对比,实验证明四电极方形排布的传感器在剪切力方向拥有更高的灵敏度和更好的线性度,但量程相对十字形排布的传感器较小。通过三维力实验表明,这2种新型的三维力柔性触觉传感器均具备检测三维力的功能,可在机器人皮肤等实际应用场合,根据工作量程和灵敏度的不同要求来选择传感器结构。     

柔性复合传感器阵列信号采集及温度补偿系统

针对智能机器人皮肤研究过程中三维力检测时存在温度干扰问题,文中以碳纳米管/炭黑/硅橡胶复合材料为力敏感材料,碳纤维/硅橡胶复合材料为温度敏感材料,聚酰亚胺作为柔性基底,设计了一种柔性三维力/温度复合传感器阵列。同时,采用高性能微处理器STM32F103和Lab VIEW搭建了柔性三维力/温度传感阵列信号采集及温度补偿系统,对三维力与温度数据进行分析处理。实验结果表明,通过该三维力温度补偿系统可有效地降低温度对三维力检测时的干扰,提高了人工皮肤中三维力检测的准确性。     

柔性力敏传感器的快速标定方法的研究

由于柔性力敏传感器阵列敏感点多,每个敏感点输出值差异大,为了解决传感器标定复杂的问题,给出了一种基于BP神经网络建立一个标定分类模型的快速标定方法,运用面积法给传感器阵列上的敏感点标定曲线分类,使用BP神经网络训练出分类模型,再运用最小二乘法拟合出每一类的标定曲线。通过验证样本检查了分类模型的分类正确率达到98%以上,实验验证了算法的标定结果准确性,标定时间小于1 s。实验结果表明,该方法对大面积柔性力敏传感器的标定效果理想,标定速度快,可以用来做柔性力敏传感器的标定。     

基于伺服关节用三维压力传感器的设计研究

机器人智能化最重要的是关节智能化,关节智能化取决于伺服关节用三维传感器的灵敏度和精度。针对伺服关节用三维力传感器,开展了基于伺服关节用三维压力传感器的结构设计、应力分析、三维压力传感器的输入输出特性曲线及传感器的标定研究,通过分析可知所设计的三维传感器耦合效应小,可以用于伺服关节的力/力矩测量和相应的实验测试,对机器人智能化关节技术的发展提供了一定的参考。     

三维力传感器静态解耦方法的研究

维间耦合是影响三维力传感器测量精度的重要因素。针对存在耦合的现象,介绍了三维力传感器维间耦合的基本原理,分析了基于克拉默法,求解矩阵广义逆解耦算法,并对传统基于耦合误差建模的静态解耦算法进行改进,对耦合方向的数据采用牛顿三次插值法进行处理。以自主研制的三维力传感器进行标定实验,采用3种解耦方法进行计算。实验结果表明改进后的基于耦合误差建模解耦算法与传统解耦方法和改进前的方法相比,具有更高的解耦精度。     

柔性腕力,力矩传感器及其检测系统

柔性腕力，力矩传感器是集柔顺装置和力传感器于一身的新型传感器，本文介绍一个六维柔性腕力传感器的检测系统，该检测系统采用非接触型位置检测元件ＰＳＤ（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｔｅｃｔｏｒ）作为敏感元，单片机作为控制器，用来测量柔性力和力矩，并包括与上位机的通讯接口。     

刚柔耦合的行星齿轮传动系统动力学分析

为了进行行星齿轮传动系统的刚柔耦合模型动力学分析,利用三维建模软件建立了行星齿轮传动系统的实体模型;利用有限元软件,通过生成模态中性文件建立了轴的柔性模型;并借助动力学分析软件,对刚性和刚柔耦合两种不同的模型进行了运动仿真。分析了不同模型仿真得到的高速级齿轮的啮合力、位移、角速度和角加速度。结果表明刚柔耦合模型的仿真结果更具实际意义。     

花萼状涡流阵列传感器裂纹扰动半解析模型构建

针对金属螺栓连接结构中螺栓孔位置处的裂纹损伤定量监测需求,在已有研究成果的基础之上,提出一种具有柔性平面特点的花萼状涡流阵列传感器,构建花萼状涡流阵列传感器裂纹扰动半解析模型,得到在三维结构裂纹下的传感器各感应通道扰动电压,并通过搭建实验装置验证裂纹扰动半解析模型的准确性。在模型构建过程中,通过对结构三维裂纹表面进行网格划分,以网格中心点处的自由电荷密度为未知待定系数,根据自由电荷边界条件以及扰动模型假设得到网格单元中心点处自由电荷密度所满足的线性方程组,并最终得到三维裂纹周围的自由电荷密度分布。裂纹扩展模拟实验结果表明,在3 MHz和6 MHz两种激励频率下,2A12-T4铝合金和不锈钢的扰动模型计算结果与实验测量结果比较吻合,传感器4个感应通道的扰动模型计算误差都在25%以内。     

考虑触头间电流收缩影响的低压塑壳断路器中电动斥力分析

基于电流-磁场-电动斥力之间的方程,并考虑铁磁物质的影响,应用三维有限元非线性分析,对比分析分别用Holm公式和引入圆柱导电桥模型考虑由于触头间电流收缩产生的Holm力计算方法.结果发现,虽然两种方法计算出的电流和磁场分布完全不同,但是当电流在10kA以下时力的计算结果误差不超过10%.并用拉压传感器对电动斥力进行了实验测量表明计算方法和结果是正确的.     

基于冲击激励的力传感器的动态数学模型研究

本文在研究力传感器的动态校准过程中发现了由于力传感器与试验装置基座之间存在非刚性耦合而使传感器的动态响应性能受到明显影响的问题。故此依托现有的力传感器动态校准装置对力传感器的动态响应性能及最优数学模型展开了研究,并针对性地提出了基于力传感器原始模型优化后的三种数学模型。然后本文通过实验获取的数据对这三种模型展开分析对比,并发现模型3是三种数学模型中最优秀的一种。最后本文通过27次重复冲击试验与模型3共同解算出了力传感器的各项特征参数,这些参数对提高力传感器的动态响应能力极为重要。     

新型压电式三维力传感器的设计及特性研究

基于压电效应设计了一种新型三维力传感器,分析了传感器原理。根据传感器的结构,推导了传感器的灵敏度、固有频率的计算公式;分析了传感器部件参数对传感器灵敏度与固有频率的影响,通过计算与仿真,得到了影响传感器灵敏度与固有频率的影响因素与规律。计算与仿真结果表明了此计算方法的有效性。     

柔性电容式触觉传感器的研究与实验

类似"人工皮肤"的触觉传感器在人工智能、医疗器械等领域有着广泛的应用。利用柔性电路板加工工艺设计了一种基于分布电容的触觉传感器,并分析了其工作原理。设计的触觉传感器主要由3层膜结构压制而成,包括上层电极层、中间间隔层和下层电极层,并在每一触元上表面粘贴一硅胶触点以增大灵敏度。针对柔性电路板的不同形式和间隔层不同厚度,加工了9种不同参数的触觉传感器,并对这9种传感器进行了量程、灵敏度、线性度等实验对比。实验证明,通过这2个参数的选择可以获得不同量程和灵敏度的触觉传感器,可根据实际应用场合选择具体参数以满足应用需求。同时阵列扫描实验证明设计的触觉传感器可以获得其表面的受力情况,并可以将触觉力在上位机上可视化的显示出来。     

光波导三向力触觉传感技术中的二维与三维有限元模型分析

触觉传感作为机器人的主要传感方式之一已越来越受到人们的广泛关注，而三向力触觉传感技术则是机器人研究中的一项关键技术，针对一种新型光波导三向力触觉传感系统，本文利用有限元分析方法分别建立了二维和三维有限元模型，通过一系列模拟仿真实验，推导出相应的数学模型，得到检测计算三向力的数学表达式，从而论证了该传感系统的可行性。     

A fingerprint sensor based on PVDF film for a manipulator

In this paper, a fingerprint sensor based on polyvinylidene fluorid (PVDF) film is proposed, which can make a manipulator equipped with a sensor realize the ability of soft grasping. The sensor is composed of a PVDF film, two rubber membranes and a copper layer. The sensor can detect tactile and slip force, and it has high sensitivity to thermal sensation. Experiments are carried out to demonstrate that the manipulator equipped with the sensor can grasp an egg and a paper cup with water without damage. Experiment results show that the manipulator also can bounce off automatically when the temperature of the object is close to or more than 60 degrees Celsius. The error is less than 3 cm when smooth move distance is 0.6 m. Compared to traditional manipulators, the manipulator with the fingerprint sensor overcomes the shortcomings of failing to judge the clamping force and thermal sensation independently, which improves the bionic function.     

An endoscopic force-position sensor grasper with minimum sensors

This study reports on the design, fabrication, testing, and mathematical modelling of a semiconductor microstrain-gauge endoscopic tactile sensor. The sensor can measure, with reasonable accuracy, the magnitude and the position of an applied load on a grasper. The designed assembly consists of two semiconductor microstrain-gauge sensors, which are positioned at the back face of a prototype endoscopic grasper. The intensity of the applied force can be seen on a light emitting diode (LED) device. Altogether, 20 different force magnitudes for seven different locations on the endoscopic grasper are tested experimentally. The magnitudes of force vary from 0.5 to 10 N with an increment of 0.5 N. The in-house electrical amplification system for the microstrain gauges is also designed, fabricated, and tested. The sensor is insulated and can operate safely in wet environments. It exhibits high force sensitivity, good linearity, and large dynamic range. To predict the behaviour of the designed system under various loading conditions, three-dimensional finite element modelling (FEM) is used. There is a good correlation between the computed theoretical results for the force magnitudes together with their points of application and the experimental results. The miniaturized electronic device could be integrated with an endoscopic grasper.     

软体仿生机械手柔性触觉感知技术研究进展

柔性触觉感知信息获取是软体仿生机械手自主操纵的关键反馈环节,它提供了关于仿生机械手和物体接触点的相互作 用力和表面特性的信息。 从敏感材料、结构设计、制备方法到信号获取分析等方面,应用于软体机械手的柔性触觉感知方法近 年来取得了一定进展,但是存在若干问题限制了技术的应用发展。 为此,梳理了软体仿生机械手柔性触觉感知的概念与内涵, 分析了相关的重要参数和设计原则,汇总分类讨论了不同结构的柔性触觉传感器的设计思想及其性能和应用,最后对软体仿生 机械手柔性触觉传感器的发展前景提出了展望与思考。     

基于小波分析的阵列滑觉信号识别方法

机械手指尖能够更好地感知物体的运动状态信息，对实现类似于人手的稳定抓握至关重要。为了使指尖末端对物体的滑觉信息具有更好的感知能力，提出了一种基于离散小波变换的触滑觉信号识别方法。首先将触觉传感器25个触点的信息，采用相关系数法进行融合；然后将得到的信息进行小波变换，观察切向力信号和法向力信号在频域成分中的不同。最后，采用离散小波算法，通过多次试验，设定合适的小波系数，进行特征值提取，对切向力和法向力进行区分。实验结果表明，在以3 N大小的法向力作用下，分别对刺状球、光滑球、凸点球3种轮廓不同的物体施加干扰引起滑动，其设定的同一小波系数阈值±0.018仍能很好的区分压觉和滑觉信号。本识别方法可以为机械手实现稳定抓取提供依据和技术支撑。     

An integrated tactile-thermal robot sensor with capacitive tactilearray

A capacitive tactile sensor and a thermal sensor that can be combined into one compact device with both modalities are illustrated. The tactile sensing portion is composed of an 8 × 8 array of capacitive cells. By using as thermoresistors the rows' traces of the matrix of the capacitive tactile array sensor thermal sensing is obtained. This allows the detection of the gradient of the temperature. A prototype of the new sensor, which has been developed, is briefly illustrated and the so-obtained results are shortly discussed. On account of the simplicity and cheapness of the integrated sensor as well as its high linearity and sensitivity, it appears to be useful for the robots of future generations     

Fiber-optic tactile microsensor for detecting the position of thetip of a fiberscope

A tactile microsensor employing optical fibers has been developed and evaluated. The sensor is used for touch sensing to detect the position of the tip of a fiberscope inside a small tubule, such as a blood vessel. The sensor consists of bosses as feelers, which are split sections of the end of a polyurethane tube, a metal diaphragm as a mirror and optical fibers transmit light. The sensors are fabricated using silicon micromachining, such as anisotropic etching and excimer laser etching. The sensing principle is based on the detection of changes in optical reflective intensity from a diaphragm located between a boss and an optical fiber. The width and height of the boss are both 200 μm. For the transmitting source and signal light, a multimode optical fiber 50/125 μm (core/clad) in diameter is used. The results show that tactility measurements can be made easily and safely in blood vessels. This paper describes the structure, fabrication processes, and performance of the sensor. We also propose micromeasuring systems combined with the tactile sensor and a fiberscope of contact type