柔性触觉传感阵列设计及其接触信息反解方法研究

发布时间：2020-05-09 00:04

【摘要】：实现像人手一样的多指灵巧智能假手一直是仿人机器人和智能假肢领域的追求目标,而智能假手要完成各种复杂精细的操作则离不开高性能的触觉感知功能来提供与外界交互的接触信息。目前,触觉传感技术在实现基本的传感检测性能、单元柔性化等方面已取得了较大的发展,但仍存在普遍缺少柔性皮肤层封装、难以整合稳定的动静态传感检测能力、接触信息识别过于依赖高密度阵列但依然有检测盲区等问题。为此,本论文采用理论分析和实验研究相结合的方式,开展了触觉传感阵列柔性皮肤层的接触力学分析、新型固液复合式传感结构设计及制造和接触信息反解方法等方面的研究。论文的主要研究内容如下:1)研究触觉传感阵列柔性皮肤层的力学传导特性。针对人手皮肤的基本力学特性,并结合接触状态的性能要求,确定了仿生皮肤材料须满足的力学本构关系。分别建立了柔性皮肤层的接触数学模型和有限元仿真模型,具体分析了柔性皮肤层对接触压力的传导规律,即在纵向空间具有急剧的衰减性而在横向空间具有较强的耦合性。对PDMS仿生皮肤材料进行了基本力学性能测试,并搭建了压力传感阵列自动加载实验平台,进一步通过实验验证了接触压力在柔性皮肤层中的传导规律。2)研究固液复合式触觉传感阵列的结构设计与制造工艺。针对柔性皮肤层带来的接触压力衰减问题和硅敏感单元的硬脆性问题,提出了一种固液复合式触觉传感结构,分别建立了弹簧系统力学模型和有限元仿真模型来分析柔性腔体层内液体压力传导性能,结果显示该结构既保证了原有柔性皮肤层的柔软易变性的机械性能要求,也有效减弱了传统皮肤层的力学衰减性。研究固液复合式触觉传感阵列的制造工艺和封装工艺,并成功制备了3×3传感阵列样品。分别搭建了触觉传感阵列的静态和动态力学性能测试实验平台,并对制备的触觉传感阵列样品进行基本的力学性能测试,实验结果表明该触觉传感阵列满足触觉感知的基本力学性能要求:单元测力范围为0～1.6N,最小敏感力达到5mN,动态激励频响范围为5～400Hz。3)研究柔性触觉传感阵列的接触压力反解方法。针对柔性皮肤层对接触压力的耦合性以及传感阵列本身的稀疏性共同引起的空间分辨率不足问题,提出了一种基于相关分析的触觉传感阵列接触压力反解方法,阐明了相关分析用于接触压力反解的基本思想,通过柔性皮肤层在弹性半空间下的接触压力模型分析了该方法的适用原理,并且编写了具体的实现算法。搭建了高精度自动加载实验系统,利用已制备的3X3固液复合式触觉传感阵列样品进行了反解实验研究,反解实验的平均位置误差为0.46mm,平均幅值误差为0.043N,满足触觉感知对接触压力识别的空间分辨率和幅值分辨率要求。4)研究柔性触觉传感阵列的物体曲率识别方法。根据赫兹接触理论分析了柔性皮肤层中的应力变化与物体接触曲率半径之间的映射关系,说明触觉感知用于物体曲率识别的可行性,进而分别建立了曲面类型分类识别神经网络和曲率半径预测神经网络用于物体曲率识别。制备了平面、凸球面和凸柱面三种形状以及曲率半径在1～3 0 mm之间的实验样品,并利用已搭建的自动加载实验平台进行接触加载实验获取样本数据,然后进行神经网络训练、验证和测试,测试结果显示,建立的神经网络模型能够消除不同加载位置和接触方向的影响,比较有效地预测凸球面和凸柱面物体表面曲率半径,平均预测误差为1.87mm,且有81.8%的预测误差小于3mm。
【图文】：

图１－１英国ＳｈａｄｏｗＲｏｂｏｔ公司的ＳｈａｄｏｗＤｅｘｔｅｒｏｕｓＨａｎｄ［１６］：邋（ａ）无触觉传感器模式；（ｂ）安装逡逑有ＢｉｏＴａｃ触觉传感器的摸式

柔性触觉传感阵列设计及其接触信息反解方法研究

图１－２带触觉传感器的研究型智能假手：（ａ）美国ＭＰＬ模块化假肢手［２１］；邋（ｂ）意大利Ｓｍａｒｔｈａｎｄ逡逑假手【２２】；（ｃ）日本Ｇｉｆｂ邋Ｈａｎｄ邋ＩＩＩ假手【２３】；（ｄ）意大利Ｃｙｂｅｒｈａｎｄ假手［２５］；邋（ｅ）中国ＨＩＴＡＰＨ逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;TP183

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