论文部分内容阅读
在精密作业过程中,智能机器人的末端操作器或者灵巧手触觉感知是非常重要的。触觉包括接近、滑移、冷热、振动、质感、目标形态等主要感知形式,反映了机械手指与目标间的接触状态以及目标物本身的信息特征。触觉传感器作为机器人与外界环境、目标对象间直接作用的媒介,是智能机器人发展中关键组成部分。当机器人越来越广泛的运用在医疗、航天、军事、海洋和服务等领域,非常规化的环境对触觉传感器提出了更高的要求。本文所做的工作如下：(1)依据PVDF压电薄膜自身的材料特性,制备了PVDF柔性传感器敏感单元,并对敏感单元感知触滑觉信号的性能进行测验。为了制备柔性触觉传感器,制备具有软手指特性的硅胶手指模型。对不同的手指表皮结构进行有限元分析,选取传递信号灵敏度高的手指表皮结构。(2)选用PVDF柔性材料作为滑觉传感器敏感元件,基于PVDF压电原理构建了敏感单元阵列,并从敏感单元阵列输出信号中解算出摩擦系数μ。根据不同滑移状态摩擦系数μ的变化特征,进而判定手指与目标间滑移状态。为了充分验证方案的可行性,制备了实验平台装置检测滑觉传感器样品。(3)利用PVDF的热电效应,设计温度觉传感器。当PVDF传感器检测温度变化时,压电薄膜的压电信号和热电信号同时存在。利用热电信号变化缓慢的特性,频率滤波器可将热觉响应信号分离出来。或通过敏感单元布局将PVDF的触觉信号和热觉信号分离。(4)基于圆形薄板小挠度理论,设计软硬觉传感器。将目标物的弹性系数作为软硬度的特征。软硬觉传感器按压目标物使其发生一定的形变,通过检测软硬觉传感器发生的形变大小,推导出施加在目标物上的载荷大小,进而由目标物的弹性系数判定其软硬度。通过以上研究,得出以下研究成果：(1)研制出具有PVDF压电薄膜敏感单元结构的触觉传感器样品,具有触滑觉和热觉感知功能。(2)由阵列式PVDF敏感单元输出信号中解算出三维力分量,进而推算出摩擦系数变化情况。根据滑觉特征判定手指和目标间滑移状态,克服PVDF只能检测载荷变化量,不能精确检测静态力的缺陷。实验结果表明滑觉传感器可靠地检测出手指与目标间的滑觉状态。(3)实验结果表明,通过压电膜敏感单元的布局创新和频率滤波器,可分离出温度觉传感器中的热电响应信号。(4)通过理论推导,得出软硬觉传感器中圆形薄板的应变与施加在目标物上的载荷之间的关系,进而得到圆形薄板的应变与目标物的软硬度间的关系。通过有限元仿真进一步证实软硬觉传感器的可行性。