基于材质识别的机器人灵巧手触觉传感系统及其共融技术研究

With the widely use of robot in the fields of intelligent manufacturing, medical rehabilitation and other applications, the demand for the perception technology of high controllability and autonomous operation abilities becoming more and more urgent. For accomplishing the robots’ ability of refinement and intelligence ,it requires the sensor possess the functions not only including widely used, multivariant and variety perception of tactile , but also contain the capacity of the material recognition which has gradually become a popular research field of robot sensor. This project aims to realize the material recognition technology and improve the integration, flexibility and versatility of the robot tactile sensor. Study the identification and perceptual mechanism of the flexible tactile integrated sensor system with material recognition function, and to reveal the co-integration of different sensitive mechanisms and the coupling mechanism of multisensory parameters. Design and fabricate the multi-parameter structure of the integrated sensor. Realize the flexible and miniaturized processing and preparation; Achieve the acquisition and perception of the dielectric constant, elastic modulus, three-dimensional force and temperature, and establish the material identification database; Develope the application research of the sensor system. Consequently, providing theoretical and technical support for the improvement of intelligent robot perception ability in the development of space exploring, eliminating dangerous situation, intelligent manufacturing and medical rehabilitation fields.

随着机器人在智能制造、医疗康复等领域的广泛应用，对满足高可控性和自主操作能力的感知技术的需求越来越迫切。为了实现机器人的精细化及智能化，除了要求传感器能面向更广泛应用、多自由度和具有多种触觉感知的功能以外，具有材质识别能力亦逐渐成为了机器人传感器研究领域的热门方向。本项目以实现材质识别、提高机器人触觉传感器集成化、柔性化及多功能化为目标，研究具有材质识别功能的柔性触觉集成传感器系统的识别与感知共融机制，揭示不同敏感机理的共融方式、多感知参数的耦合机理；进行集成传感器多参数结构设计及创成，实现其柔性化、微型化加工与制备；实现介电常数、弹性模量、三维力及温度等参量的获取与感知，建立材质识别数据库，开展传感器系统的应用研究，为探测排险、智能制造和医疗康复等领域智能机器人感知能力的提升、发展提供理论与技术支撑。

随着中国制造2025的推进以及人工智能技术的发展，机器人又迎来了新的发展机遇。针对探测排险、智能制造和医疗康复等领域对机器人灵巧手材质识别以及触觉感知的需求，本项目提出基于材质识别的机器人灵巧手触觉集成传感器系统的研究，包括基于介电常数和弹性模量的材质识别传感器以及三维力和柔性温度触觉传感器。.该项目完成传感器的结构模型建立，确立多传感器的阵列方式并实现了多传感器融合；依据应用需求，设计和优化传感器的柔性化制备工艺；搭建传感器测试平台，对传感器的各项性能进行测试，实现传感器系统对工件的抓取测试。.其中材质识别传感器能够准确识别多种金属与非金属材料；柔性温度传感器能够实现-40℃~200℃范围内的温度检测，温度分辨率优于0.1℃，在8mm×8mm面积内实现4节点的温度测量；三维力传感器具有较大的测量范围，法向力方向为0-15N，剪切力方向为0-5N。传感器在x、y和z方向的灵敏度分别为1.5321 V-1/N、1.50129 V-1/N和0.93687 V-1/N，传感器在8N力下经过25,000次加载和释放循环后表现出良好的重复性和稳定性。.完成多传感器集成结构设计，将阵列式柔性温度传感器、材质识别传感器以及三维力传感器集成于23mm×13mm×3mm的微型长方体中，采用上下复合结构实现多参量的同步实时测量，进而实现携带传感器的机械手手指对待测物区域内的多点温度、待测物材质的介电常数以及触碰待测物力的大小方向的同时原位检测的功能。.本项目得到了具有高精度、高分辨率、高响应速度、能够实现材质识别的机器人触觉传感器及其柔性化集成系统，实现其在探测排险、智能制造领域和医疗康复领域的应用。本项目共发表SCI学术论文73篇，会议论文16篇，申请专利35项，授权18项，获得竞赛奖项14项，对我国智能机器人的研究和发展有着重要的理论和现实意义。