具有非接觸式傳感功能的柔性傳感器的開發(fā)仍然是觸覺感知的技術(shù)挑戰(zhàn)。對(duì)于傳統(tǒng)的非接觸式傳感，通常使用視覺識(shí)別和聲學(xué)反射檢測(cè)。視覺識(shí)別檢測(cè)更適合長(zhǎng)距離檢測(cè)，長(zhǎng)距離檢測(cè)受分辨率限制，通常會(huì)被短距離內(nèi)的其他事物遮擋。聲反射檢測(cè)既可以用于短距離檢測(cè)，也可以用于長(zhǎng)距離檢測(cè)，但發(fā)射超聲波相對(duì)較高的功耗將極大地限制其應(yīng)用場(chǎng)景。此外，傳統(tǒng)的非接觸式傳感方法通常難以應(yīng)用于柔性傳感器中。

近期，浙江大學(xué)機(jī)械306實(shí)驗(yàn)室陳志堅(jiān)碩士提出了一種新型的柔性雙模態(tài)傳感器，該傳感器具有高靈敏度的接觸式壓力傳感和精確的非接觸式距離檢測(cè)功能，用于智能機(jī)器人感知。相關(guān)研究成果總結(jié)成論文“Highly sensitive and flexible dual-mode sensor with contact and contactless sensing abilities for robotic perception”，發(fā)表在國際期刊 Journal of Intelligent Manufacturing 上。論文研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、東海實(shí)驗(yàn)室科學(xué)基金、中央高校基礎(chǔ)研究基金等項(xiàng)目的資助。

圖1 柔性雙模傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

本文所提出的傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。柔性傳感器上層為3×3的基于電場(chǎng)檢測(cè)原理的平面叉指電極陣列，用于測(cè)量非接觸距離信息。下層為4×4的截錐形壓力傳感單元，用于測(cè)量外部接觸壓力。兩種感知單元都通過級(jí)聯(lián)組件和不同的檢測(cè)單元嵌套布置進(jìn)行封裝，目的是減少不同信號(hào)之間的干擾。傳感器的工作原理和制造流程如圖2和圖3所示。

圖2 傳感器的工作原理

圖3 傳感器制造流程

制備的柔性雙模態(tài)傳感器具有0.33V/N的壓力檢測(cè)高靈敏度以及5.5N的壓力檢測(cè)范圍，4cm內(nèi)對(duì)絕緣物體和導(dǎo)電物體均具有高靈敏距離檢測(cè)能力，此外傳感器還具有良好的信號(hào)穩(wěn)定性和可重復(fù)性，傳感器的具體信號(hào)測(cè)試結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

圖4 傳感器壓力感知性能測(cè)試結(jié)果

圖5 傳感器接近覺感知性能測(cè)試結(jié)果

隨后將雙模態(tài)傳感器安裝在機(jī)械臂上，進(jìn)行物體的抓取和碰撞檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，如圖6和圖7的結(jié)果表明，該傳感器可以準(zhǔn)確測(cè)量物體之間的分布接觸力和距離，實(shí)現(xiàn)全過程的觸覺感知，所提出的傳感器在機(jī)器人操縱和安全工作應(yīng)用中具有巨大的潛力。

圖6 機(jī)器人手完全抓取物體過程中的輸出信號(hào)

圖7 機(jī)器人手臂碰撞測(cè)試實(shí)驗(yàn)

審核編輯：劉清