柔性软硬度传感器及其在机器人智能触觉中的应用

The study, manufacture and application of robots are the important indicator of a country's innovation in technology and high-end manufacturing. The major frontier technologies, such as new materials, sensors and human-computer interaction, are urgently needed to be broken for the development of the robotics. It is still a challenge to realize the robot's recognition for object hardness and the adaptive control of grasp force due to the complexity of the material composition as well as the uncertainty of the contact between manipulator and object. In fact, the flexible electronics (e.g. E-skin) do not really meet the needs of tactile sensing of smart robotics. So based on the human tactile sensing mechanism and the hardness measurement principle (measuring deformation caused by force), the project proposes a single-site flexible hardness sensor, which combines two types of flexible sensors (the flexible strain sensor and the porous piezoresistive stress sensor). Taking about the application for the tactile sensing of smart robots, the flexible hardness sensor with the quantitative detection for the deformable object need to be easily installed or attached to the end of a bionic manipulator.

机器人的研发、制造与应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。新一代智能机器人技术的发展急需突破新型材料/传感与人机交互等重大基础前沿技术。由于物体本身材料构成的复杂性和机械手与物体接触情况的不确定性，实现机械手对软硬物体的识别并进行自适应抓握控制仍具较大挑战。以电子皮肤为代表的柔性电子技术需要更加紧密地与机器人智能抓取的需求相结合。根据接触力学理论，本项目针对当前机器人在智能触觉领域，严重缺乏专业适用、无差别且可定量判断物体软硬度有效手段的困境，拟以人类触觉感应机制为参照，提出了基于硬度计最本质的软硬度测量方法——力传感测量形变机理，采用单一位点器件设计，两类柔性传感器件（柔性薄膜应变与多孔压阻应力传感器）复合集成的方案，拟开发制备可便捷安装或贴附在仿生机械手末端，对可形变物体具有定量检测功能的柔性软硬度传感器。

新一代智能机器人将面向开放性的非结构化环境。机器人触觉是实现人机自然交互的关键。其中，软硬度是一种十分依赖于触觉感知的物体属性，是物体认知的重要组成部分，也是调节机械手与可变形对象接触力的重要依据。由于物体本身材料构成和结构的复杂性，较体积庞大的邵氏硬度计，实现可定量的机器人触觉感知皮肤极具挑战。在不受力或者位移预定限制的前提下，机械手软硬感知的触觉传感方法，通常需要同时测量受力和形变信号。本项目受人类的感知策略的启发，实现了在单一皮肤触觉信号（接触压力）感知物体的前提下，引入另外一种皮肤触觉信号（表面拉伸应变），联合两种触觉信号来感知材料的软硬度。得益于传感器本身良好的柔软度，它与物体接触时发生共偶形变。由于摩擦力的存在，在同一接触压力下传感器与物体材料的软硬差异程度不同将导致不同的界面切向位移。并通过有限元仿真验证了利用表面拉伸应变和接触压力的比值用于软硬度估计的可行性。基于自主搭建机器人触觉感知与反馈系统，实际应用验证结果表明传感器实现了同步的软硬度定量感知（Shore OO 11.2-82.7范围物体软硬度，均方根误差不低于Shore OO 4.82）。本项目的应用验证实例还包括一系列非结构化环境下的物体自适应定量软硬感知与抓取实验。