《一種可檢測三維力的新型柔性電容式觸覺感測器研究》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由汪玉冰擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：一種可檢測三維力的新型柔性電容式觸覺感測器研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：汪玉冰
- 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
電容式感測器具有靈敏度高、精度可靠和回響速度快等優點，已成為機器人觸覺感測器研究的熱點。為改善電容式感測器的柔性，目前國內外學者多採用柔性襯底嵌入電極的方案，但其整體彎曲和變形幅度較小，適用範圍有限。本項目基於導電膠和絕緣矽膠等聚合物，研製一種新型柔性微型平板電容敏感單元，並基於此敏感單元構建了一種新型上下極板斜交叉組合式感測器結構，可同時獲得多個單元電容輸出，實現三維力檢測。研究內容包括：①探討柔性單元特別是其邊緣的不規則形變問題，分析、驗證其在法/切向力載入時的形變規律；②探索不規則形變下電容計算的理論模型，分析電容的邊緣效應干擾，完善敏感單元的形變-電容變化機理；③在此基礎上，結合力-形變的線性疊加原理和感測器的結構約束，解決感測器各敏感單元變數的非線性耦合問題，建立三維力預測模型，探尋其最佳化結構。預期研究成果將為大規模陣列式柔性三維力觸覺感測器的研製提供理論基礎和技術支持。
結題摘要
智慧型化是未來機器人發展的方向，而感知是實現智慧型化的基礎。觸覺是機器人實現與外界環境直接作用的重要媒介，它僅次於視覺，具有很強的敏感能力。因此觸覺感測器的發展是機器人感測器技術領域中一個必不可少的部分。電容式感測器具有靈敏度高、精度可靠和回響速度快等優點，已成為機器人觸覺感測器研究的熱點。本項目擬設計一種新型全柔性電容式感測器結構，在對其形變規律和電容敏感機理理論分析和仿真的基礎上不斷最佳化感測器結構，從而有效提高了感測器的力敏感特性。基於位勢理論的推導結果和COMSOL的電容仿真結果，總結得到：同等量級的單維法向力和切向力載入時，法向力載入時的形變及相應電容變化比切向力載入時大很多，即法向力比切向力更敏感；敏感度與材料的泊松比有關；更者，法向力載入比切向力載入的電容變化線性度更好；對介電層的微結構化可有效提高新型電容觸覺感測器的靈敏度。據此最佳化並製備了一種新型電容性超靈敏柔性觸覺感測器，實驗結果表明：介電層經過微結構化處理的電容單元的電容輸出即力回響特性有極大的提高，增加感測器尺寸在一定範圍內能提高S2階段（受力後期相對平緩變化階段）的回響特性。在本項目執行的同時，受電容式感測器微結構化和陣列化的啟發，我們還製備了一種新型電阻式柔性三維力感測器；基於材料力學理論分析了三維力載入時微結構各段柱體電阻的變化規律；分別對其載入法向力、切向力和三維力進行多物理場仿真，並針對多維力載入時的維間耦合，提出了一種基於BP神經網路的解耦算法從而使感測器能精準檢測出三維力信息。本項目研究成果將為大規模陣列式柔性三維力觸覺感測器的研製提供理論基礎和技術支持。
