一种新型可连续追踪多点三维力触觉轨迹的柔性触觉传感器研究

Tactile sense is second only to vision sense for human and robots to acquire information of environment and objects. This project will develop a new tactile sensor which could continuously track multi-path 3D touch force based on the first generation of the tactile sensor we have developed independently. The main contents are list as follows: (1) make micro support structure of sensitive units using flexible conductor rubber, optimize the stereo structure of measurement, build the flexible tactile sensor array which has multi sensitive units; (2) construct the mathematical model to describe connection between dynamic multi 3d touch force and resistance of sensitive units, study the transformation of the model when the 3d force move from one region to another region of the sensor, and how to simplify the model and reduce its dimension; (3) develop the time-embedded homotopy algorithm for decoupling the tactile sensor to obtain the multi-path 3d touch force in real time, increase the efficiency and robustness of the homotopy algorithm by selecting proper tracking operator, automatically adjusting tracking stepsize and reduce tracking accurate of intermediate steps. This project aims to make original breakthrough on structure design of sensors and high-dimensional information decoupling algorithms. The research would have an academic value and a great potential for development of tactile sensors and robot skin sensors.

触觉是人类和机器人获取环境和对象信息的一种仅次于视觉的重要知觉形式。本项目以自主研发的第一代柔性触觉传感器为基础，研究新一代可连续追踪多点三维力触觉轨迹的柔性触觉传感器。主要研究内容包括：（1）用柔性导电橡胶为敏感材料制作具有弹性立体支架结构的微小型传感单元，通过优化立体支架三维力检测结构，构建含有多个敏感单元的触觉传感器阵列；（2）建立多点动态三维力作用下力与形变以及测量电阻间的数学模型，研究三维力加载点在不同区域间滑动时描述模型的转换规律，以及模型简化与降维的原理；（3）发展时间内嵌同伦等触觉传感器高效解耦算法，研究通过选择合适的跟踪算子，自动调节跟踪步长和降低中间步跟踪精度等方法提高同伦算法的效率和鲁棒性，实现多点三维接触力轨迹实时准确地检测。本项目旨在传感器结构设计与高维信息解耦方法上取得原创性突破，研究成果将对触觉传感器和机器人皮肤传感器的开发有重要的科学意义和应用前景。

当前可穿戴设备和智能机器人已经成为消费电子产品和国民经济的主要发展方向，而柔性触觉传感器或多维力传感器正是其不可缺少的重要组成部分。本项目旨在探索新型柔性传感结构、新型传感原理在柔性触觉传感器/柔性多维力传感器中的应用，并结合高维非线性解耦算法的研究，为新一代人工皮肤的研制提供技术支持。本项目研究工作主要包括超灵敏压力传感器研究、柔性多维力传感器单元结构研究、气压式触觉传感器研制、六维力传感器及柔性触觉传感器的解耦算法研究等几个方向。本项目研究的正四面体结构单元柔性触觉传感器为探索新型传感器结构进行了有益的探索；基于电容检测机制的超灵敏压力传感器研究证明表面微结构化降低了柔性介质层的弹性阻力，是传感器高灵敏度的主要因素；初步研究显示基于微气囊结构的气压式触觉传感器能够满足柔性多维力测量需求，具有实用化前景；解耦算法方面，开发的容错性冗余解耦算法使六维力传感器具有了容错性能，在一维桥路故障情况下，传感器仍然可在精度要求范围内使用；提出了一种改进的时变同伦算法来解耦触觉传感器的多输入模型，该混合算法的鲁棒性和准确性都得到了显著提高。触觉传感器虽经国内外同行多年研究，但距实际应用还有不小的距离。本项目从多个角度尝试解决触觉传感器研制过程中的若干问题，虽然取得大量成果但还需更多的努力才能使该传感器进入实用化阶段。