一种全柔性无线无源的谐振式多维力传感器研究

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zcv_2323
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具备监测多维力学输入能力的柔性力传感器能够提升人工触觉系统的编码水平,反映出更加接近真实情况的机械信息,使人工触觉系统更加智能,高效。然而目前大多数的柔性多维力传感器以复杂的电极结构和布线为代价实现这一功能,增加了信号获取与分析的难度。本文研究了一种能够同时监测法向力与切向力的全柔性无线无源的谐振式多维力传感器。首先,从材料与结构的角度对包括电感层,介质层以及电阻层在内的传感器的部件进行了一系列的设计与优化。具体地,通过理论研究与实验比较对电感螺旋图案进行设计以在有限面积上实现尽可能大的电感值,研制了由石墨烯、铁氧体颗粒以及硅橡胶组成的微结构复合介质层以提高有效磁导率以及法向力感知灵敏度,并设计了具备裂纹结构的由低阻碳油墨印刷制得的电阻层用于感知切向力。整合后的传感器在有线测试中表现出良好的灵敏度、迟滞特性、响应时间和稳定性。传感器的无线测试是基于与读出线圈之间的电感耦合进行,通过矢量网络分析仪采集到的输入反射系数频谱极值点来反映正交的法向力与切向力信息。其对法向力以及切向力的灵敏度分别为-0.19 MHz k Pa-1(0-200 k Pa)与-0.031 d B k Pa-1(0-50 k Pa),测试结果表明在估计法向力与切向力的合力时无线比有线方式具备显著的优势。此外,传感器被应用于测量材料表面摩擦系数,并被安装在机器手上以监测在抓取作业过程中的受力状态以及被抓取物体的重力变化,通过引入基于随机森林的机器学习对特定的不同材料小球进行识别,总识别准确率达92.5%。研究结果表明,该传感器在机器人触觉等领域具有应用价值。
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