1 北京信息科技大学 传感器重点实验室, 北京100192
2 北京信息科技大学 现代测控技术教育部重点实验室, 北京100101
锆钛酸铅(PZT)具有灵敏度高,响应速度快及压电常数大等优点, 已被广泛应用于触觉传感器及超声换能器等领域。该文首先对基于PZT的触觉传感器的原理及制作工艺进行了阐述, 再从材料优化、结构优化、柔弹性优化和可扩展性优化4个方面概述了PZT触觉传感器的研究进展, 讨论了其在运动检测、医疗健康和人机交互领域的实际应用, 最后对PZT触觉传感器的不足和未来发展趋势进行了分析。
锆钛酸铅 触觉传感器 压电 柔性 lead zirconate titanate tactile sensor piezoelectric flexible
皮肤是人类感知外界信息的重要器官,人类通过皮肤产生的触觉感来判定环境变化,从而做出相应的反应。该文以聚偏二氟乙烯(PVDF)为主材料，设计制备了液体芯PVDF压电纤维、电子皮肤柔性触觉传感器。为了测试该电子皮肤的触觉传感性能，实验以推力计施加压力，使压电纤维发生形变，则电荷改变。通过机器学习误差逆向传播(BP)神经网络算法、分类学习对数据训练，即可通过6根纤维的信号大小来判断压力的大小及位置。其中BP神经网络的回归分析图中回归系数(R)值为0.87，分类学习中接受者操作特征曲线(ROC)下的面积(AUC)为1。结果表明该电子皮肤灵敏度高，对于力的捕捉精确。
触觉 电子皮肤 液体芯聚偏二氟乙烯(PVDF)纤维 柔性触觉传感器 机器学习 tactile electronic skin liquid core PVDF fiber flexible tactile senor machine learning
1 河北工业大学 省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室,天津 300130
2 河北工业大学 河北省电磁场与电器可靠性重点实验室,天津 300130
为了满足机器人精确感知和抓取物体的需要, 首先设计了以铁镓丝为敏感元件的新型触觉传感单元, 搭建了传感单元输出特性测试平台, 测试了其输出电压与施加静态和动态压力的关系。以触觉传感单元为核心设计了传感器阵列结构, 并将传感阵列安装在机械手上, 进行了抓取实验。实验结果表明, 施加静态压力时, 在1.908 kA/m的偏置磁场下, 长度为16 mm、直径为0.8 mm的铁镓丝组成的触觉传感单元在2 N压力下的输出电压可达96 mV, 灵敏度为48 mV/N。在1~4 Hz、0~2 N的动态压力作用下, 传感单元输出曲线平滑, 灵敏度高。传感器阵列安装在机械手上, 能感知多路压力信息, 精确显示机械手指的受力分布情况, 可广泛应用在机械手准确抓取与智能控制领域中。
触觉传感单元 机械手 传感器阵列 铁镓合金 tactile sensor manipulator array sensor Fe-Ga alloy 光学 精密工程
2019, 27(12): 2618
1 北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院, 北京 100124
2 上海航天控制技术研究所,上海 201109
3 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
针对传统的电容式触觉传感器因存在信号耦合测量, 导致切向灵敏度远低于法向灵敏度的问题, 基于多层电容结构, 设计了一种三轴力解耦测量的高灵敏触觉传感器。传感器分为切向和法向测量单元, 切向测量单元采用对称分布的差分式指状结构保证切向高灵敏测量, 并结合超薄弹性硅胶介质, 提高切向介质层有效压缩刚度,以抑制法向信号的耦合干扰; 法向测量单元的介质层采用一种弹性稀疏网状微结构, 用于法向高灵敏测量, 并通过拓展法向接地极消除切向信号的耦合干扰。在对电容结构参数化设计的基础上, 完成触觉传感器的制备,并搭建三轴力测试系统进行测试。结果显示, 传感器的切向X, Y以及法向的测量灵敏度为0.206 pF/N, 0.251 pF/N, 0.148 pF/N; 切向X-Y以及切向-法向之间的最大静态耦合比分别为7.636%, 1.051%。本传感器实现了三轴力的解耦测量及切向、法向相同量级的高灵敏特性。
触觉传感器 多层电容结构设计 解耦测量 高灵敏 tactile sensor multi-layer capacitor structure design decoupling measurements highly sensitivity 光学 精密工程
2019, 27(11): 2410
合肥工业大学仪器科学与光电工程学院, 安徽 合肥 230009
为实现机械手指的复合式触觉传感, 以光纤布拉格光栅(FBG)为传感元件, 将压力传感器和温度传感器封装在同一聚合物传感单元中。分析了压力传感器受目标物体温度扰动的特性, 同时利用逆传播神经网络对FBG触觉传感信号进行处理, 实现了对传感单元表面正向压力的准确识别。仿真与实验结果表明, 该方法进一步消除了目标物体温度对应变传感器的影响, 减小了应变传感器的不确定性误差, 提高了压力测量结果的稳定性和测量精度, 补偿后压力传感器的温度漂移率仅为1.2×10-4 nm/℃。将补偿研究应用于机械手指FBG触觉传感阵列, 可以有效抑制温度对应变传感的干扰, 使得柔性机械手指触滑测量系统具有更加广阔的应用前景。
光纤光学 光纤布拉格光栅 逆传播神经网络 触觉传感 压力 温度补偿
1 武汉科技大学机械自动化学院, 湖北 武汉 430081
2 朴茨茅斯大学智能系统与生物医学机器人实验室, 英国朴茨茅斯 PO1 3HE
力觉传感器是机器人最重要的外部传感器之一。随着特种机器人的兴起，研发能适应特殊环境（如微创手术、核磁共振手术、救灾救援、核电站、消防等）的新型力传感器显得尤为重要。光纤Bragg光栅（FBG）是一种新型无源光器件，以光为传感信号，具有无电检测、不受电磁干扰、无零漂、精度高、耐高温、单根光纤可串接多个光栅等优势。自2001年国外学者首次将FBG用于机器人多维力传感技术后，基于FBG的力/力矩触觉传感技术逐渐得到广泛研究和应用。基于此，综述了目前国内外基于光纤Bragg光栅原理的多维力/力矩传感技术、力触觉传感技术设计及应用的研究现状，展望了其发展趋势。
光纤光学 光纤Bragg光栅 多维力/力矩传感 触觉传感 机器人 激光与光电子学进展
2016, 53(5): 050006
中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院，山东 青岛 266580
针对电活性聚合物(EAP)薄膜制造柔性智能器件的发展要求，分析了电活性聚合物薄膜的正/逆力-电特性及发电机理，采用静电诱导自组装技术在电活性聚合物表面制备了碳纳米管薄膜电极，然后构建了柔性传感器件。实验研究了EAP柔性器件的手指关节弯曲姿态及脚踏运动触觉的传感特性。扫描电子显微(SEM)形貌观察表明：碳纳米管薄膜呈网状结构且质地致密均匀。基于EAP柔性器件的手指弯曲姿态实验结果表明：在手指弯曲度为15~90°时，输出电压峰值为1.2~3.7 V，展示了输出电压峰值与手指弯曲度之间的高线性度，线性相关系数为0.9951。此外，采用EAP薄膜器件对踏步触觉进行了实验测试，其输出电压峰值在1 V左右，而且具有响应快、可重复性好等优势。本文的研究为电活性聚合物薄膜型电子皮肤及触觉传感器的发展提供了理论基础和实验依据。
电活性聚合物薄膜 柔性器件 碳纳米管 手指弯曲姿态 触觉传感 electroactive polymer film flexible device carbon nanotube finger-bending gesture tactile sensing
重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆,400044
根据光波导触觉传感系统受压时所形成的四个光斑面积大小,可求出作用于系统的xyz三向力.利用导波模式理论,当系统受外力时,平面波的全内反射条件遭到破坏,半圆球触头与波导板的接触部分由对称平面波导转变为非对称平面波导,造成光泄漏,形成光斑,其频率范围在对称平面波导的截止频率和非对称平面波导的截止频率之间.
触觉传感器 导波模式 平面光波导 光波导
1 重庆大学光电工程学院,重庆,400044
2 重庆大学机械工程学院,重庆,400044
利用有限元分析方法针对一种新型光波导三向力触觉传感系统,进行了理论探讨和一系列模拟仿真实验,并提出相应的数学模型,得到了检测计算三向力的公式,从而论证了该传感系统的可行性.
光波导 三向力 触觉传感器 有限元分析
