一种可实现全程感知的机器人皮肤研究

The extended applications of robots have put forward higher-level requirements in the field of robot-skin study. In light of key theories and technical issues involved in the investigation of robot-skin and the associated sensors, in order to improve intelligent interaction and security, the project seeks to develop novel material systems based on whole-process monitoring of interaction information, study the sensitive mechanism and structure-property relationships of dual-mode proximity sensor, and improve the adaptability of proximity sensing. With the purpose of realizing soft-grasp, the factors - that may affect the sensitivity and response behavior of slip-tactile mechanics - will be investigated, the omnidirectional microstructure unit for slip-tactile sensor will be constructed, and the sliding-process force will be quantitively analyzed in terms of direction and numerical value. Accordingly, new multi-information-combined sensing array structure will be built, and the intelligent extraction and integration path of the complex information will be studied. The key scientific issues, including the proximity-sensing coordination mechanism between temperature and electric field, the correlation between micro-structural unit sensitive characteristic parameters and slip-tactile information, the relevance and feature extraction of complex multi-sensor system information and other issues in complex environment, will be solved. The robot skin system capable of proximity, slip-tactile and sensing of temperature information will be achieved. Meanwhile, the whole-process and multi-dimensional information as required for robots interaction, will be supplied. The project may promise to support the related theory research of robot skin and at the same time promote the application level of interactive robot.

机器人应用领域的拓展对机器人皮肤的研究提出了更高要求，项目针对当前机器人皮肤研究中的关键理论和技术问题，着眼交互过程智能性、安全性的提升，从实现交互信息的全过程监测出发，在前期研究基础上创新敏感材料体系，研究双模式接近觉传感器传感机理与构效关系，提高接近感知的适应性；以实现软抓取为目标，研究影响滑-触觉力学灵敏度和响应特性的相关因素，构建全方向滑-触觉传感器微结构单元，量化滑动过程力的大小和方向；在此基础上，构建新型多信息复合感知阵列结构，研究复合信息的智能化提取及融合路径。解决复杂环境下温度场与电场获取接近感知的协同机制、微结构单元敏感特征参数与剪切力有效获取的相关性、复合多传感器系统信息的关联性和特征抽取等关键科学问题。实现接近/滑-触/温度信息复合感知的机器人皮肤系统，提供机器人交互所需的全过程、多维度信息。预期研究成果将为机器人皮肤的相关研究提供理论支撑，提升交互机器人应用水平。

项目针对当前机器人皮肤研究中的关键理论和技术问题，从实现交互信息的全过程出发，将整个交互过程分为接近过程、滑动过程、抓取过程进行分段细化研究，解决相应过程信息感知关键科学问题。.研究了R-C（电阻-电容）和C-L（电容-电感）双模式接近觉传感器感知机理与构效关系，构建了接近距离与传感器电学量间的解析关系，建立了协同感知效果预测模型，解决了复杂环境下R-C模式接近觉传感器温度场与电场、C-L模式接近觉传感器电场与磁场协同获取接近信息的关键问题，提高了传感器对复杂场、宽区间的适应性。为改善人机交互过程中接近安全性和弥补视觉传感器检测 “盲区”提供了新思路。.研究了基于导电复合材料的多层结构宽量程柔性触-压觉传感器、高柔弹性多孔材料的触觉传感器、复合多介质层电容式柔性三维力触觉传感器，分析基于碳基填充导电复合材料的相关机理；设计了滑-触觉微结构传感器单元，分析了滑-触觉力与单元方向电阻影响规律和特征信息关系，构建了滑-触觉传感器理论模型，解决了敏感特征参数与剪切力有效获取的相关性关键问题，实现了机器人软抓取过程中的滑-触觉感知一体化。.研究了高导电单壁碳纳米管/聚苯胺/莱卡复合织物可拉伸电极，设计了接近与滑-触觉复合传感器阵列结构和合理、高效的信号采集与处理电路。研究了多信息智能化解耦算法与融合途径，构建了高效可靠的解耦和数据融合体系，解决了复合多传感器系统信息的关联性和特征抽取关键科学问题，获取了接近/滑-触觉信息复合感知的机器人皮肤系统，提供了机器人交互所需的全过程信息感知。研究成果将为机器人皮肤的相关研究提供理论支撑，提升机器人交互应用水平。.本项研究已培养2名博士研究生和17名硕士研究生，研究人员参加了多次国内外学术会议及学术交流。在国内外学术期刊上已发表论文37篇，国内外学术会议论文7篇,其中SCI收录论文23篇，EI收录论文12篇。获授权发明专利13项。建立了一支在机器人传感技术领域中具有创新特色的研究团队。