[發(fā)明專利]一種人工皮膚柔性觸覺傳感器測量裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610267537.3
• 申請日: 2016-04-27
• 公開（公告）號: CN105738012B
• 公開（公告）日: 2018-06-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 邊義祥;黃慧宇;靳宏;戴隆超;王昌龍
• 申請（專利權(quán)）人: 揚州大學(xué)
• 主分類號: G01L1/16
• 分類號: G01L1/16
• 代理公司: 揚州蘇中專利事務(wù)所(普通合伙) 32222
• 代理人: 許必元

一種人工皮膚柔性觸覺傳感器測量裝置，屬于觸覺傳感器技術(shù)領(lǐng)域，由彼此間相互絕緣的仿生表皮組織層、仿生真皮組織層、仿生皮下組織層和人工皮膚依附基座組成；仿生皮下組織層均勻涂布在人工皮膚依附基座的外表面；仿生真皮組織層均勻涂布在仿生皮下組織層的外表面；仿生真皮組織層中設(shè)有三根液體芯PVDF壓電聚合物纖維，仿生表皮組織層均勻涂布在仿生真皮組織層的外表面；本發(fā)明安裝到機器人的手臂上，有了觸覺之后的機器人就可以利用它來獲知目標物體的多種性質(zhì)特征，這樣就可以幫助機器人通過識別物體得以完成更為復(fù)雜的任務(wù)。同時，在體育運動、康復(fù)醫(yī)療和人體生物力學(xué)等研究領(lǐng)域中也具有廣泛的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于觸覺傳感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種仿人皮膚柔性觸覺傳感器，具體的說是涉及一種人工皮膚柔性觸覺傳感器測量裝置。

背景技術(shù)

隨著人類探索活動的不斷擴大以及機器人技術(shù)的進步，機器人的研究正在朝著特種、自主、精密和智能化的方向發(fā)展，而實現(xiàn)智能的基礎(chǔ)是要具有感知能力。因此具有感知功能的人工智能敏感皮膚對于未來的機器人研究而言是非常重要的。有了觸覺之后機器人就可以利用它來獲知目標物體的多種性質(zhì)特征，這樣就可以幫助機器人通過識別物體以完成更為復(fù)雜的任務(wù)。有關(guān)各種可用于機器人方面的觸覺傳感器的研究是人們一直非常關(guān)注問題。隨著智能機器人技術(shù)的進步，其應(yīng)用的領(lǐng)域也不斷擴展。當機器人與人類并肩工作時，要求其必須具備類人的觸覺感知能力，即能夠精確地獲取空間的三維力信息，同時，為了確保人機交互接觸時的安全性，要求用于機器人感知的觸覺傳感器能夠具有類似于人類皮膚的柔軟性，能夠適應(yīng)不同載體的表面形狀，完成對任意復(fù)雜物體的信息檢測任務(wù)，因此對于人工皮膚柔性觸覺傳感器在機器人研究領(lǐng)域的需要日益迫切。此外，人工皮膚柔性觸覺傳感器在體育運動、康復(fù)醫(yī)療和人體生物力學(xué)等研究領(lǐng)域中也具有廣泛的應(yīng)用前景。

國外關(guān)于觸覺傳感器的研究開展的較早，美國、英國和日本等發(fā)達國家非常重視有關(guān)機器人敏感皮膚的研究工作。最早開始敏感皮膚研究的美國MS公司采用氣體和非接觸式超聲波傳感器、溫度傳感器以及薄膜電容接近傳感器組成一種敏感皮膚，這種敏感皮膚可以根據(jù)所需的實際需要的形狀進行裁剪，粘貼在智能機器人或者自動化儀器上，為宿主系統(tǒng)提供外界的溫度信息以及距離信息，在實際應(yīng)用中由于傳感器受到溫度、環(huán)境濕度以及超聲固有的寬波束角等影響，敏感皮膚的測量值和實際值之間還是會存在著很多的誤差。

印度的研究者利用壓電陶瓷(PZT)材料的壓電效應(yīng)制作了一種壓電式觸覺傳感器，在壓電陶瓷的上下表面均布置了相互獨立的電極陣列。電極陣列的規(guī)模會對傳感器的性能產(chǎn)生重要影響，研究者比較了3×3、7×7和15×15陣列傳感器的測力性能，實驗結(jié)果表明，3×3陣列的空間分辨率相對較低，15×15陣列的分辨率最高。在實際應(yīng)用中，由于壓電陶瓷比較堅硬，易碎，沒有柔軟度，所以不能用來制作人工皮膚。

韓國的研究者利用MEMS集成技術(shù)制作了一種基于硅壓阻效應(yīng)的三維力觸覺陣列傳感器研究者利用MEMS工藝在硅薄膜的邊緣制作了四個壓阻體，每個壓阻體均作為獨立的應(yīng)變計，當有外力作用在傳感器上時，硅薄膜發(fā)生形變，四個壓阻體的阻值會隨之變化，根據(jù)硅材料的阻值與壓力間的關(guān)系，通過檢測阻值的變化量即可獲知作用在傳感器上的三維力信息。該傳感器具有良好的線性響應(yīng)，這種高靈敏度的傳感器己被成功應(yīng)用在機器人靈巧手爪上。但是該傳感器的柔韌性還是很差。

中科院智能機械研究所的梅濤等人同樣利用MEMS技術(shù)制作了能夠檢測三維力的觸覺傳感器陣列，該傳感器能夠獲取接觸力的分布和大小以及滑動的趨勢和發(fā)生等多種信息。傳感器陣列由敏感單元、傳力柱、橡膠層、保護陣列和基板等組成。其中，敏感單元是傳感器陣列中最關(guān)鍵的部件，設(shè)計成四方形的E型膜結(jié)構(gòu)，作用在膜上的三維力所產(chǎn)生的應(yīng)變由三組集成在E型膜上的力敏電阻所構(gòu)成在實際應(yīng)用中，由于該傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在測量誤差，柔韌性差，很難真正得以應(yīng)用。

綜上所述，當前所研究的觸覺陣列傳感器具有的共同的不足之處為要么沒達到人類皮膚的柔韌性，要么在多維陣列傳感器的結(jié)構(gòu)研究方面沒實質(zhì)上的突破，故無法實現(xiàn)關(guān)于觸覺陣列傳感器的柔性化以及多維化和大規(guī)模設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容