兼有接触位置和压力检测功能的柔性面电场触觉传感器

When robots work in unstructured environment, it is indispensable for robots to be sensitive to touch. This project proposes a new tactile sensor based on planar electric field, which consists of two conductive layers and a viscoelastic layer between them. The two conductive layers are the same, which made by attaching conductive layer to a piece of soft film. Position information can be detected by sampling the specific electric field of the conductive layer at the touching position. Force detection is accomplished by analyzing the change of electric fields between the two conductive layer caused by the deformation of the viscoelastic layer. This project will focus on studying, ① distribution of electric field; ②establishing and adjusting the model of position detection; ③modeling, simulating and verifying the relationship between touch force and deformation of viscoelastic material, the change of electric field and change of capacity; ④detailed designing of the sensor structure, extraction and process of the signal. Compared to the existing tactile sensor, the sensor proposed in this project is unbroken multi-layer structure; simple construction, manufacturing and signal processing; non-blind detecting area; soft; and convenient for large area application. 15 papers should be accepted or published when this project is completed, among them not less 8 papers should be indexed by SCI/EI and not less 4 papers should be published in international journal.

当机器人在非结构环境下工作时，必须具备一定的触觉感知功能，以获取足够的外部信息。本项目提出一种能够实现接触位置和压力检测功能的新型面电场触觉传感器构造模型，在柔性薄膜沉底上均匀涂敷一层具有一定电阻率的导电材料，并在两相同的导电层间夹持一层粘弹性材料，接触位置信息基于同一导电层内面电场分布规律获取，接触压力信息基于粘弹性材料受压形变时两导电层间的场强变化获取。本项目拟重点研究和解决：①导电层电场分布规律的理论建模；②位置检测模型的拟合与矫正；③接触压力与粘弹性材料形变、场强变化和等效电容容量变化之间的理论建模、仿真与试验；④传感器多层结构的精细设计、信号提取与处理方法等。与现有触觉传感器相比，本项目方案采用连续多薄层结构，构造、制造工艺和信号处理简单，无检测盲区，便于大幅面制造、柔性好。预计发表至少15篇学术论文，其中SCI、EI检索论文不少8篇，国际期刊论文不少于4篇。

触觉传感器是机器人获取外部信息的重要手段，近年来受到国内外的广泛关注。由大量单元组成的阵列式触觉传感器历经多年的研究，已经取得了丰硕成果。本项目提出了一种不同于以往以阵列结构为特征的新型非阵列型触觉传感器模型，该触觉传感器模型包括接触位置检测与接触压力检测两部分。接触位置检测以电势梯度变化理论为核心，即在一弱导电面内分时构建两个方向的电势场，触碰点坐标可基于该点在两个电势场中的电势值获得。以此为基础，以PET-ITO均质薄膜为弱导电层，首先构建了触觉感知区域为矩形的匀强电场电势分布模型，以及扇面形触觉感知区域的指数电势分布模型；为了适应各种不同的机器人表面形态，继而又提出了在任意非规则轮廓形状的PET-ITO薄膜上构建匀强电场的方法。为了降低规则电场分布模型的实施难度，提出了应用神经网络方法对非匀强电势分布进行拟合建模，从而实现了在任意轮廓形状、任意非均质弱导电面上构建电势分布模型的方法。接触压力检测以大幅面柔性压阻膜为敏感材料，对压阻膜不同位置的阻抗-压力关系进行建模、分类、聚类、及不一致性算法校正，基本实现了整个检测区域的压力检测的一致性。.除此之外，电势梯度变化理论还进一步与电阻抗成像（EIT）技术相结合，通过改进导电薄膜和传感器结构，简化了EIT算法，提高传感器实时性；特别是提出了以各向异性导电织物为核心的触觉传感器结构，利用导电织物走线对电流的引导扩散作用，大幅降低了传感器电极数量，提升了电势分布的均匀性，对提高传感器灵敏度的均一性具有重要作用。.基于上述研究机理，对接触位置和压力检测设计了多种多层式触觉传感器结构，制备了样品，对样品进行了试验，达到了预期效果。本项目共计发表学术论文16篇，其中SCI收录12篇，EI收录4篇。申请发明专利5项，其中授权3项，进入实质审查2项。培养硕士生6名，培养博士生3名。