一种基于理想可流动成型导电橡胶的三维柔性触觉阵列传感器若干问题的研究.pdf

中国科学技术大学
博士学位论文
一种基于理想可流动成型导电橡胶的三维柔性触觉阵列传感器
若干问题的研究
姓名:丁俊香
申请学位级别:博士
专业:模式识别与智能系统
指导教师:葛运建
2011-03-20
摘要
摘要
利用类皮肤触觉传感器收集的触觉信息,智能机器人不仅可以可靠地抓取目标物体,还
可以感知目标物体的轻与重、软与硬、形状、温度等一系列物理特性。近年来三维柔性触觉
阵列传感器是机器人领域研究的热点内容,具有柔性化和多维力检测功能的触觉阵列传感器
在体育运动,医学和人体生物力学等研究领域中也有重要的应用。
本论文研究利用了材料力学、智能传感器与信号处理、人工智能与模式识别科学等方面
的成果,从传感器结构设计和信息处理的角度出发,研究了基于可流动成型导电橡胶的三维
柔性触觉阵列传感器的若干关键理论和技术问题。研究成果可为提高机器人人工皮肤的多维
化、柔软性、可扩展性的研究提供新理论、新方法和新技术,本论文的主要研究内容及创新
性成果如下:
()从导电橡胶的力学特性出发,提出了一种导电橡胶的理想三维压阻模型,为基于导
电橡胶的三维柔性触觉阵列传感器的结构设计以及力学特征的提取提供了理论依据;
()提出了一种基于二层节点对称交叉分布的柔性触觉阵列传感器结构,建立了相应传
感器的压阻数学模型,采用图解方法确定了受力点位置,分析了传感器在节点处受点力作用
时的力信息表征方法;
()提出了一种二层节点非对称分布的传感器结构,建立了相应的传感器压阻数学模型,
在分析了多种利用人工智能方法进行解耦的基础上,提出了一种基于同伦理论的多维柔性触
觉阵列传感器的解耦算法。该算法在求解传感器力学信息过程中引入时间参数,将传统的静
态解耦变成传感器的动态解耦过程,最终获得传感器稳态受力信息,可以解决高维、多参数
传感器信号的实时、精确求解难题。仿真实验表明该算法不仅可以实时准确的解耦大规模柔
性触觉阵列传感器的触觉信息,而且传感器压阻数学模型的复杂化以及传感器规模的增加不
会导致算法的时间复杂度随之指数型增长。基于该算法的阵列传感器可以实时解耦任意受力
情况下的三维触觉信息,为基于实际导电橡胶材料的三维柔性阵列传感器的研究提供了理论
支持;
()设计了一种三维柔性触觉阵列传感器标定平台和标定方法。这套标定系统由平台定
位系统、三维力加载系统、数据采集系统以及上位机系统组成,可实现三维柔性触觉阵列传
感器标定实验的自动化、智能化。
以上研究成果可以实现在基于理想导电橡胶的柔性传感器表面连续、实时地测量三维触
觉信息,为基于实际导电橡胶特性的柔性触觉阵列传感器的进一步研究和应用奠定了基础。
关键字:柔性触觉阵列传感器三维力结构设计解耦算法标定平台
IV
Abstract
Abstract:
Intelligent robot can not only reliably capture the target object, a series of physical properties
of the target object such as light/heavy, soft/hard, shape, temperature can also be perceived by
skinned tactile array sensor. In recent year, 3-D flexible tactile array sensor is a hot research in
robotics field, and array sensor with flexible and multi-dimensional force detection is important in
sport, and also has important application in medicine and human biomechanics research.
This paper uses the knowledge of the mechanics of materials, intelligent sensor and signal
processing, artificial intelligence and pattern recognition. The paper studies a number of key
theoretical and technical issues of the 3-D flexible tactile array sensor based on ideal flow-fo