触觉作为人类重要的感觉之一,在我们日常生活中扮演着不可替代的作用。同样,对于机器人来说,触觉具有着视觉、听觉等无法替代重要感知功能。常见的触觉感知方式按照工作原理分类有电阻式、电容式、光电式等等,基于这些感知方式的触觉传感器在不同的场景下具有各自不同的特点与优势。本课题围绕仿生柔性触觉感知这个问题,从自然界的仿生微结构中获得灵感,对基于仿生微结构的柔性触觉感知方式进行了详细的论证、设计、测试及理论研究。本文主要研究内容与成果如下:1、基于仿生表面微结构的触觉感知方式的设计与制作工艺研究。从自然界广泛存在的微结构为出发点,研究生物表面结构色的形成机理;探索在弹性硅胶材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面制作微结构,并且形成可见光结构色的工艺;分别从理论模型与仿真角度对弹性材料表面结构色受到外部接触力的变化进行分析;基于弹性材料表面的结构色变化特点,讨论了其作为触觉感知的信号来源的可行性与稳定性,设计并且制作一款机器人触觉感知模块。2、仿生触觉感知方式的信息采集与处理方法研究。对基于仿生微结构的机器人感知方式的信号特征进行了详细地分析,数据处理主要基于图像处理和深度学习两种方式;基于图像处理的方法,对单点的接触位置进行检测,对连续的位置进行跟踪;基于深度学习的方法,首先,通过大量的对触觉图像信号的采集与标记,制作了深度学习网络所需的训练样本;其次,基于ResNet深度残差网络学习框架,对感知模块的图像信号进行学习;最后,利用学习所获得的的模型对测试样本进行触觉的感知和预测。3、基于仿生微结构触觉感知方式的误差分析。对仿生微结构触觉感知模块的标定方法进行了研究,针对触觉感知模块的结构特点与信号生成原理,设计了标定平台;讨论了在离散位置的标定后,对于连续任意位置的位置感知插值计算方法;分析了插值计算方法的误差及其误差产生的原因。利用本触觉感知方式,研究对于具有微小外形结构、复杂紧凑结构、光滑弧面结构外形的不同的感知方式,并且对这些方法的应用场景及误差进行了初步分析。4、基于仿生微结构的触觉感知模块的集成化设计与测试。研究在基于原理样机的基础上,研究触觉感知模块的小型化与集成化设计;首先,针对小型化模块的结构方案,重新设计了具有表面微结构的弹性薄膜的结构尺寸,改进了浇筑模具及制作工艺,研究了通用化的标定方法;其次,基于深度学习模型,测量小型化的触觉感知模块的精度;最后,对于小型化的触觉感知的误差进行分析,分析结果与原理性样机进行对比和讨论。此外,为了研究了本课题设计的触觉感知方式的实用性,将感知模块集成到UR-5双臂机器人操作手末端,进行了触觉感知的可行性和稳定性测试;研究了基于欧拉视频信号放大技术的微小接触力信号提取方法,从触觉感知模块的图像信号中获得了接触状态的微小变化值。最后,在本文的研究基础上,对基于表面仿生微结构的触觉感知方式前景和未来的研究方向做了进一步的展望,提出了进一步挖掘和研究该类型触觉感知方式的方向、应用领域。