应用于机器人触觉感知的柔性传感器技术研究

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触觉信息是人与外界交互的重要反馈信号,也是机器人在进行物体抓握等动作中实施精准交互行为的重要反馈信息。本文通过对传感器材料、结构设计、信号处理的阐述与分析,设计了一种基于聚丙烯(Polypropylene, PP)压电驻极体的触觉传感器,并将该传感器应用在机器人假手对物体的抓握中。
  (1) 文中从材料电信号转换原理的角度分析对比了压电材料、压电驻极体、压阻材料等材料在信号检测上的差异,并结合人体皮肤的触觉信息特征得出了压电驻极体在检测微小动态信号方面比其他材料更有优势的结论;同时结合聚丙烯(PP)压电驻极体的柔性好、压电系数高、不受温度变化影响等优点,选用该压电驻极体作为本文触觉传感器材料。
  (2) 文中结合聚丙烯(PP)压电驻极体制备原理和方法,制备了聚丙烯(PP)压电驻极体并进行了压电系数测试;与聚偏氟乙烯(PVDF)等柔性压电材料相比,该压电驻极体的压电系数较高。随后文中设计了两种结构触觉传感器(单路和阵列结构),并结合硬件电路、数字滤波、去干扰处理等方法,有效实现了传感信号的电荷信号转换和去振动干扰。
  (3) 结合压电驻极体的力信号特征,根据重复触压实验对比分析单路和阵列结构聚丙烯(PP)压电驻极体传感器的信号检测稳定性,确定了阵列结构为压电驻极体触觉传感器的最优结构。
  (4) 本文还结合聚丙烯(PP)压电驻极体触觉传感器的幅值特征和标准差特征,设计了一种触觉信息分离与识别的方法,能有效分离和识别出触觉信息中的触压动作信号、滑动动作信号和干扰信号。结合上述方法,将阵列结构的聚丙烯(PP)压电驻极体触觉传感器应用于机器人假手抓握功能;实验表明,加载有该触觉传感器的机器人假手能稳定抓握住物体,且不使物体损坏或滑落。
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