【摘要】：實現(xiàn)像人手一樣的多指靈巧智能假手一直是仿人機器人和智能假肢領(lǐng)域的追求目標,而智能假手要完成各種復雜精細的操作則離不開高性能的觸覺感知功能來提供與外界交互的接觸信息。目前,觸覺傳感技術(shù)在實現(xiàn)基本的傳感檢測性能、單元柔性化等方面已取得了較大的發(fā)展,但仍存在普遍缺少柔性皮膚層封裝、難以整合穩(wěn)定的動靜態(tài)傳感檢測能力、接觸信息識別過于依賴高密度陣列但依然有檢測盲區(qū)等問題。為此,本論文采用理論分析和實驗研究相結(jié)合的方式,開展了觸覺傳感陣列柔性皮膚層的接觸力學分析、新型固液復合式傳感結(jié)構(gòu)設計及制造和接觸信息反解方法等方面的研究。論文的主要研究內(nèi)容如下:1)研究觸覺傳感陣列柔性皮膚層的力學傳導特性。針對人手皮膚的基本力學特性,并結(jié)合接觸狀態(tài)的性能要求,確定了仿生皮膚材料須滿足的力學本構(gòu)關(guān)系。分別建立了柔性皮膚層的接觸數(shù)學模型和有限元仿真模型,具體分析了柔性皮膚層對接觸壓力的傳導規(guī)律,即在縱向空間具有急劇的衰減性而在橫向空間具有較強的耦合性。對PDMS仿生皮膚材料進行了基本力學性能測試,并搭建了壓力傳感陣列自動加載實驗平臺,進一步通過實驗驗證了接觸壓力在柔性皮膚層中的傳導規(guī)律。2)研究固液復合式觸覺傳感陣列的結(jié)構(gòu)設計與制造工藝。針對柔性皮膚層帶來的接觸壓力衰減問題和硅敏感單元的硬脆性問題,提出了一種固液復合式觸覺傳感結(jié)構(gòu),分別建立了彈簧系統(tǒng)力學模型和有限元仿真模型來分析柔性腔體層內(nèi)液體壓力傳導性能,結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)既保證了原有柔性皮膚層的柔軟易變性的機械性能要求,也有效減弱了傳統(tǒng)皮膚層的力學衰減性。研究固液復合式觸覺傳感陣列的制造工藝和封裝工藝,并成功制備了3×3傳感陣列樣品。分別搭建了觸覺傳感陣列的靜態(tài)和動態(tài)力學性能測試實驗平臺,并對制備的觸覺傳感陣列樣品進行基本的力學性能測試,實驗結(jié)果表明該觸覺傳感陣列滿足觸覺感知的基本力學性能要求:單元測力范圍為0～1.6N,最小敏感力達到5mN,動態(tài)激勵頻響范圍為5～400Hz。3)研究柔性觸覺傳感陣列的接觸壓力反解方法。針對柔性皮膚層對接觸壓力的耦合性以及傳感陣列本身的稀疏性共同引起的空間分辨率不足問題,提出了一種基于相關(guān)分析的觸覺傳感陣列接觸壓力反解方法,闡明了相關(guān)分析用于接觸壓力反解的基本思想,通過柔性皮膚層在彈性半空間下的接觸壓力模型分析了該方法的適用原理,并且編寫了具體的實現(xiàn)算法。搭建了高精度自動加載實驗系統(tǒng),利用已制備的3X3固液復合式觸覺傳感陣列樣品進行了反解實驗研究,反解實驗的平均位置誤差為0.46mm,平均幅值誤差為0.043N,滿足觸覺感知對接觸壓力識別的空間分辨率和幅值分辨率要求。4)研究柔性觸覺傳感陣列的物體曲率識別方法。根據(jù)赫茲接觸理論分析了柔性皮膚層中的應力變化與物體接觸曲率半徑之間的映射關(guān)系,說明觸覺感知用于物體曲率識別的可行性,進而分別建立了曲面類型分類識別神經(jīng)網(wǎng)絡和曲率半徑預測神經(jīng)網(wǎng)絡用于物體曲率識別。制備了平面、凸球面和凸柱面三種形狀以及曲率半徑在1～3 0 mm之間的實驗樣品,并利用已搭建的自動加載實驗平臺進行接觸加載實驗獲取樣本數(shù)據(jù),然后進行神經(jīng)網(wǎng)絡訓練、驗證和測試,測試結(jié)果顯示,建立的神經(jīng)網(wǎng)絡模型能夠消除不同加載位置和接觸方向的影響,比較有效地預測凸球面和凸柱面物體表面曲率半徑,平均預測誤差為1.87mm,且有81.8%的預測誤差小于3mm。
【圖文】：

圖１－１英國ＳｈａｄｏｗＲｏｂｏｔ公司的ＳｈａｄｏｗＤｅｘｔｅｒｏｕｓＨａｎｄ［１６］：邋（ａ）無觸覺傳感器模式；（ｂ）安裝逡逑有ＢｉｏＴａｃ觸覺傳感器的摸式

圖１－２帶觸覺傳感器的研究型智能假手：（ａ）美國ＭＰＬ模塊化假肢手［２１］；邋（ｂ）意大利Ｓｍａｒｔｈａｎｄ逡逑假手【２２】；（ｃ）日本Ｇｉｆｂ邋Ｈａｎｄ邋ＩＩＩ假手【２３】；（ｄ）意大利Ｃｙｂｅｒｈａｎｄ假手［２５］；邋（ｅ）中國ＨＩＴＡＰＨ逡逑
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP212;TP183

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本文編號：2655253