【摘 要】
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为了满足未来人工智能应用的需求,传感器作为数据获取的关键支撑环节,必须具备感知动态触觉激励的能力,而不是只停留在静态压力传感的阶段。柔性触觉传感器是通过将力学激励转换为电信号,来测量由物体间相互作用所产生力学信息的传感装置,在现代消费电子行业中起着至关重要的作用。此外,柔性触觉传感器还广泛应用在可穿戴电子设备,人造皮肤,健康监控,运动检测和人机交互等设备中。在当下,人工智能和机器人技术的飞速发展需
【基金项目】
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深圳市科技计划基础研究项目(No.CYJ20170818091233245); 深圳市海外高层次人才创新创业团队项目(No. KQTD20170810105439418);
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为了满足未来人工智能应用的需求,传感器作为数据获取的关键支撑环节,必须具备感知动态触觉激励的能力,而不是只停留在静态压力传感的阶段。柔性触觉传感器是通过将力学激励转换为电信号,来测量由物体间相互作用所产生力学信息的传感装置,在现代消费电子行业中起着至关重要的作用。此外,柔性触觉传感器还广泛应用在可穿戴电子设备,人造皮肤,健康监控,运动检测和人机交互等设备中。在当下,人工智能和机器人技术的飞速发展需要更强大的传感器来准确地获取更精准的触觉信息。然而,单功能传感器几乎不能满足对复杂信息精确获取的需求。因此,一种从同一力学激励中检测多个维度信息的复合传感器就应用而生。这种由多个电学参数描述同一力学刺激的策略可以更准确地表达力学激励。所以我们提出了一种复合触觉传感器,其不仅仅可以从压力角度识别触觉,而且还可以在即将接触前的接近过程中识别触觉,再将两个独立的信号统一为一个综合信号,以在接触和分离过程中识别复杂的机械刺激。当下摩擦纳米发电机(TENG)已经获得了蓬勃的发展,在触觉传感领域由于其新颖的传感机理,也广受研究者的追捧,而TENG也拓宽了复合传感器的可选策略。在本工作中,我们将压阻式静态压力检测单元和摩擦电式主动触觉传感单元集成为复合式触觉传感器。两个传感单元的协同作用使复合传感器不仅可以收集有关压力的信息,还可以感测物体的接近和分离过程,这种由两种电信号构成的综合信号可以成为更精确区分力学激励的判断标准。首先,我们集成了基于多孔PDMS的摩擦电传感单元和基于多孔导电聚合物C-TPU的压阻式压力检测单元。材料选择策略从两个方面完成:单个单元的性能稳定和集成中的模量匹配。通过对导电弹性体的研究,我们将多孔C-TPU用作压阻单元。另一方面,我们选择多孔PDMS作为摩擦电传感单元的摩擦层。通过两步倒模的制备方法将两部分水平集成为一个两部分可以同时感测同一压力来源的复合传感器。其次,我们将复合传感器作为一个整体进行性能表征,它在力学性能方面表现出很好的回弹性和稳定性,并且在测量中实现了双通道信号的时间同步性。复合式触觉传感器可以同时检测动态和静态的力学激励,灵敏度为2.1 MPa-1(在低于70k Pa的范围内),最低检测限为0.59k Pa。另外,我们研究了速度与摩擦电电压输出之间的关系,并将其与压阻信号组合成双通道信号,作为识别刺激的标准。由于传感器器采用了摩擦电触觉感应单元,复合传感器不仅在与物体接触-分离的过程中实现了更大的检测范围,而且物体与传感器接触-分离的速度和摩擦电输出电压在1至100 mm s-1范围内表现出了线性关系,这为用摩擦电信号表征速度信息从而表达接触和分离的过程打下了坚实的基础。第三,我们建立了基于双信号的判断标准,利用复合传感器来区分生活场景中的不同动作。实验结果表明,压阻和摩擦电传感单元都是不可或缺的。而对于复杂的多段式力学激励,比如触觉刺激中的“接近-接触-推压-释放-分离”过程,复合传感器也可以做到精确地区分。因此,将动态和静态信号组合起来作为综合判据,可以区分甚至只具有细微差别的力学激励。在应用方面,我们将复合传感器成功的植入在拳击靶中,其综合信号可以成功的分辨刺拳,勾拳和摆拳这三种技术特点鲜明的拳法。我们使用了低成本的制造工艺,使复合传感器实现了成功的水平集成,在力学和电学性能方面都表现出了很好的稳定性,并且在测量中实现了双通道信号的同步。同时,复合传感器成功地将感应范围扩展到了非接触区域(传感器的上表面上方0.7毫米)。此外,在特定区域中,电压输出与接触分离速度呈线性关系,进而可以从输出电压推导出接触分离运动的运动方程。我们的复合式触觉传感器具有感测施力大小以及施力方式的能力,可以区分生活场景中的多段式复合动作。此外,复合传感器甚至可以识别具有细微差别的工业机械振动。在应用方面,我们将复合传感器用于智能拳击靶中,通过击打产生的电信号可以成功识别出不同的拳法。本工作通过提出将不同机理触觉传感器融合来感测同一激励过程的思路,实现了同一激励下两个维度的电信号表达,其复合信号可以将触觉划分的更加明确,从而实现的传感精细化,此复合传感器在智能体育设施和机器人触觉方面显示出巨大潜力。
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