機(jī)器人感知智能 課件 第2章 機(jī)器人觸覺感知

機(jī)器人感知智能第二章機(jī)器人觸覺感知2.1機(jī)器人觸覺感知機(jī)器人觸覺是模擬人的感覺，廣義的說它包括接觸覺、壓覺、力覺、滑覺、冷熱覺等與接觸有關(guān)的感覺，狹義的說它是機(jī)械手與對(duì)象接觸面上的力感覺。機(jī)器人假手獲取觸覺信息一般是通過觸覺傳感器實(shí)現(xiàn)的，通過加載在機(jī)器人假手上的觸覺傳感器，假手的控制單元能收到假手抓握時(shí)的觸覺信息，并根據(jù)觸覺信息來調(diào)控假手的抓握力度。隨著硅材料微加工技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，觸覺傳感器已逐步實(shí)現(xiàn)了集成化、微型化和智能化。圖2.1配備觸覺傳感器的智能機(jī)器人手2.2機(jī)器人觸覺感知傳感器類型機(jī)器人觸覺傳感器根據(jù)應(yīng)用環(huán)境可分為兩大類：應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)器人觸覺傳感器和應(yīng)用于非工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)器人觸覺傳感器。工業(yè)機(jī)器人觸覺傳感器主要用于多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人的感知，而非工業(yè)生產(chǎn)中的觸覺傳感器則應(yīng)用于服務(wù)機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人和醫(yī)療機(jī)器人等。觸覺傳感器的研究分為廣義和狹義，廣義觸覺包括觸覺、壓覺、力覺、滑覺和冷熱覺，而狹義觸覺主要指機(jī)械手與對(duì)象接觸面上的力感覺。按主要功能，觸覺傳感器可分為接觸覺傳感器、力-力矩覺傳感器、壓覺傳感器、硬度傳感器、表面粗糙度傳感器和滑覺傳感器等。隨著MEMS技術(shù)、新材料和新工藝的發(fā)展，觸覺傳感器正朝著柔性化、輕量化、高陣列和高靈敏度的方向發(fā)展，特別是在醫(yī)療、康復(fù)、假肢、人機(jī)交互和消費(fèi)電子學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用中，新型柔性觸覺傳感器和陣列觸覺傳感器成為研究熱點(diǎn)。2.2.1機(jī)器人柔性觸覺傳感器所謂“柔性”是指觸覺傳感器的物理特性具有類似于人類皮膚一樣的特性，可以覆蓋在任意的載體表面測量受力信息，從而感知目標(biāo)對(duì)象的性質(zhì)特征。柔性觸覺傳感器應(yīng)用廣泛，因其具有良好的柔性，在可穿戴電子領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景，在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測、健康監(jiān)測（脈搏、血壓、體溫等）、機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、人機(jī)交互等方面都有廣泛應(yīng)用，既可直接貼于皮膚表面，或與衣服、鞋子、手套等相結(jié)合，又可植入人體內(nèi)。從20世紀(jì)80年代開始，世界各國投入大量資源對(duì)機(jī)器人柔性觸覺傳感器進(jìn)行了系統(tǒng)研究。美國微星科技公司最早研制出應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人手臂的觸覺敏感皮膚，印度研究者則利用壓電陶瓷材料制作了壓電式觸覺傳感器。2002年，南京航空航天大學(xué)和重慶大學(xué)分別設(shè)計(jì)出三維力和四維力觸覺傳感器。2005年，美國航空航天局開發(fā)出非接觸式敏感皮膚。中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和合肥工業(yè)大學(xué)等機(jī)構(gòu)也開展了深入研究。學(xué)術(shù)界對(duì)“觸覺和感知”的研究逐年增加，顯示出機(jī)器人柔性觸覺傳感器領(lǐng)域的研究趨勢不斷增長。綜上所述，柔性觸覺傳感器在機(jī)器人應(yīng)用中的研究經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展。2.2.1機(jī)器人柔性觸覺傳感器-壓阻式柔性觸覺傳感器柔性觸覺傳感器的實(shí)現(xiàn)方式很多，主要分為壓阻式、壓電式和電容式。相較于壓電式和電容式，壓阻式柔性觸覺傳感器監(jiān)測范圍大、靈敏度高、成本低廉、工藝簡單，是過去和未來柔性觸覺傳感器發(fā)展的主要方向。壓阻式柔性觸覺傳感器工作原理：利用彈性材料的壓阻效應(yīng)進(jìn)行壓力值的測量，所謂的壓阻效應(yīng)就是指當(dāng)彈性材料受到應(yīng)力作用，由于其載流子的遷移率變化，使材料的電阻率發(fā)生變化。對(duì)于一種電阻率為ρ，長度為l，橫截面積為S的彈性材料，其電阻為：對(duì)上式進(jìn)行微分：壓阻式柔性觸覺傳感器可以通過檢測電阻的變化從而計(jì)算出所受的外界壓力。2.2.1機(jī)器人柔性觸覺傳感器-壓阻式柔性觸覺傳感器由于導(dǎo)電敏感材料的不同，壓阻式柔性觸覺傳感器可以分為基于導(dǎo)電聚合物的壓阻式柔性觸覺傳感器基于導(dǎo)電溶液的壓阻式柔性觸覺傳感器美國馬里蘭大學(xué)的柔性機(jī)器人方面專家將碳納米管均勻地分散到聚二甲基硅氧烷中，作為柔性觸覺傳感器的導(dǎo)電聚合物，制造了具有較大面積的柔性觸覺傳感器。圖2.2（a）鎳顆粒高分子聚合物混合的導(dǎo)電聚合物（b）一種覆蓋全手掌的柔性觸覺傳感器2.2.1機(jī)器人柔性觸覺傳感器-壓阻式柔性觸覺傳感器除導(dǎo)電聚合物外，導(dǎo)電溶液也具有壓阻效應(yīng)，導(dǎo)電溶液在外力作用下會(huì)發(fā)生流動(dòng)從而使內(nèi)部電阻阻值出現(xiàn)變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)外界壓力的測量。由于使用導(dǎo)電溶液作為觸覺傳感器的壓阻材料，使得觸覺傳感器具有具有高度靈活性和延展性。美國南加州大學(xué)的學(xué)者在手指的內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)了一個(gè)封閉的空腔，在空腔內(nèi)注入導(dǎo)電溶液，如圖2.3（a）所示。當(dāng)手指抓取物體時(shí)，空腔受到擠壓體積發(fā)生變化，使得導(dǎo)電溶液的電阻發(fā)生變化，從而將力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號(hào)。圖2.3（a）導(dǎo)電溶液仿生觸覺手指（b）高柔性傳感器的結(jié)構(gòu)2.2.1機(jī)器人柔性觸覺傳感器-壓電式柔性觸覺傳感器壓電式柔性觸覺傳感器是基于壓電材料的壓電效應(yīng)，基于壓電效應(yīng)的壓電觸覺傳感器由于其結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、經(jīng)久耐用、靈敏度高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。在作用力的推動(dòng)下，壓電材料會(huì)同時(shí)在電介質(zhì)的兩端表面內(nèi)累積等量異號(hào)電荷，形成的電勢差值即電壓，這種由外力作用形成的電荷在電極板處積累現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是可逆的，當(dāng)在極板之間施加電場時(shí)，壓電材料會(huì)發(fā)生形變，這種現(xiàn)象稱之為逆壓電效應(yīng)。常見的壓電材料有晶體、壓電陶瓷和高分子聚合物。圖2.4壓電效應(yīng)原理2.2.1機(jī)器人柔性觸覺傳感器-壓電式柔性觸覺傳感器

圖2.5壓電傳感器的等效電路2.2.1機(jī)器人柔性觸覺傳感器-壓電式柔性觸覺傳感器

圖2.6電壓放大器電路原理及其等效電路圖2.2.1機(jī)器人柔性觸覺傳感器-壓電式柔性觸覺傳感器常用的壓電材料有聚偏氟乙烯高分子薄膜、壓電陶瓷以及部分金屬氧化物等?；诰燮蚁└叻肿颖∧ぴO(shè)計(jì)的仿人手指壓電式柔性觸覺傳感器，如圖2.7所示。在手指接觸物體時(shí)，由于聚偏氟乙烯高分子薄膜具有壓電效應(yīng)，能夠?qū)⑼饨鐗毫D(zhuǎn)換為電壓的變化，從而檢測接觸力的變化。壓電式柔性觸覺傳感器使用的壓電材料一般不需要外界供電，在受到外界壓力時(shí)，就能產(chǎn)生電荷，因此壓電式柔性觸覺傳感器具有較高的可靠性。圖2.7聚偏氟乙烯薄膜的仿人手指2.2.1機(jī)器人柔性觸覺傳感器-電容式柔性觸覺傳感器當(dāng)受到外界壓力時(shí)，電容式柔性觸覺傳感器的電容值發(fā)生改變，將力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號(hào)，從而起到檢測接觸力的作用。容式傳感器的設(shè)計(jì)分析設(shè)備和控制系統(tǒng)簡單，具有應(yīng)變敏感性好、測量簡單、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。圖2.8變極距型電容式傳感器的原理圖2.2.1機(jī)器人柔性觸覺傳感器對(duì)不同柔性觸覺傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)如下表所示。類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)壓阻式柔性觸覺傳感器性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單明顯遲滯，功耗高壓電式柔性觸覺傳感器動(dòng)態(tài)性能好，高靈敏度，信噪比高，工作可靠，測量范圍廣不適用于靜態(tài)測量電容式柔性觸覺傳感器靈敏度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好易受干擾，檢測電路復(fù)雜磁電式柔性觸覺傳感器線性輸出，高功率輸出尺寸和重量都較大光學(xué)式柔性觸覺傳感器無串?dāng)_，可靠性高，高重復(fù)性彎曲或者裝配精度影響信號(hào)質(zhì)量晶體管式柔性觸覺傳感器高靈敏度，高柔性結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝繁瑣陣列式觸覺傳感器是機(jī)器人最重要的傳感器之一，它具有強(qiáng)有力的感知能力，能夠?qū)崿F(xiàn)很多視覺無法達(dá)到的功能，從而使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能控制。國外的研究始于20世紀(jì)60年代后期，內(nèi)容包含觸覺機(jī)理、結(jié)構(gòu)、敏感材料、制造工藝和信息處理等方面。其中觸覺機(jī)理中包括壓阻式、電容式、電感式、壓電式以及光電式。在上世紀(jì)90年代時(shí)，陣列式觸覺傳感器的陣列數(shù)可達(dá)64*64，甚至更多，空間分辨力高至0.25μm或更高，而空間分辨率為觸覺傳感器敏感單元的尺寸大小，是評(píng)價(jià)觸覺傳感器識(shí)別目標(biāo)表面形貌細(xì)節(jié)的重要指標(biāo)之一，因此觸覺傳感器的陣列對(duì)未來機(jī)器人科技的發(fā)展起到十分重要的作用。但目前國內(nèi)單獨(dú)對(duì)機(jī)器人陣列觸覺傳感器的研究較少，通常是與機(jī)器人觸覺傳感器的其他特性，如柔性、輕量等結(jié)合研究。下面主要介紹機(jī)器人壓阻式和電容式陣列觸覺傳感器原理及設(shè)計(jì)過程。2.2.2機(jī)器人陣列觸覺傳感器陣列的壓阻式觸覺傳感器出現(xiàn)彌補(bǔ)了壓阻式觸覺傳感器在更高維度的數(shù)據(jù)來判度力的大小、分布、以及接觸的部位這一方面的不足。壓阻式陣列觸覺傳感器的制作一般分為以下三步：（一）壓阻式觸覺傳感器的設(shè)計(jì)；（二）壓阻式傳感器的陣列中觸覺傳感單元排列和固定；（三）檢測信號(hào)的采集及分析。2.2.2機(jī)器人陣列觸覺傳感器-壓阻式陣列觸覺傳感器圖2.9壓阻式觸覺傳感器多層陣列機(jī)器人電容式觸覺陣列傳感器通過檢測電容變化量來測量受力的大小，此外，為了感覺更加細(xì)小單元的力，采用垂直交叉電極的形式，即陣列形式，可以減少引線的數(shù)目，通過對(duì)電容陣列傳感器的行、列掃描來確定受力點(diǎn)的位置。8*8電容式觸覺陣列傳感器，上層是帶有條形導(dǎo)電橡膠電極的硅橡膠層，中層用聚胺酯泡沫做介質(zhì)，下層是帶有電容器條形下極板的印制電路板。為了從電容式觸覺陣列傳感器單元電容獲得電壓或電流的輸出，必須通過一個(gè)能夠?qū)㈦娙蒉D(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的電路。這里采用了運(yùn)算放大器測量電路，這種電路對(duì)于電容值小的電容傳感器的檢測是合適的，而且能得到較好的線性輸出。2.2.2機(jī)器人陣列觸覺傳感器-電容式陣列觸覺傳感器圖2.10電容式觸覺陣列傳感器壓覺傳感器又稱壓力覺傳感器是安裝于機(jī)器人手指上、用于感知被接觸物體壓力值大小的傳感器。壓覺傳感器常用的檢測元件種類很多，諸如電容、壓電元件，壓磁元件，應(yīng)變片等，它們各自有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，其中應(yīng)變式壓覺傳感器最為常見。機(jī)器人硬度傳感器是能感受材料硬度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的機(jī)器人觸覺傳感器。硬度是力學(xué)性能指標(biāo)之一，它的重要性不僅體現(xiàn)在它的物理意義本身，還體現(xiàn)在它與抗拉強(qiáng)度和耐磨性等的密切關(guān)系上。大部分的接觸式機(jī)器人硬度傳感器適用于較硬生物組織硬度（彈性系數(shù)或彈性模量）的測量，在較軟生物組織硬度的測量上具有局限性，或者分辨率不夠。因此，在實(shí)際應(yīng)用中使用連續(xù)的硬度標(biāo)度，快速、準(zhǔn)確地檢驗(yàn)硬度十分必要。2.2.2機(jī)器人陣列觸覺傳感器-壓覺、硬度為了在抓握物體時(shí)確定一個(gè)適當(dāng)?shù)奈樟χ?，需要?shí)時(shí)檢測接觸表面的相對(duì)滑動(dòng)，然后判斷握力，在不損傷物體的情況下逐漸增加力量，滑覺檢測功能是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人柔性抓握的必備條件?；X傳感器按被測物體滑動(dòng)方向可分為三類：無方向性單方向性全方向性傳感器其中無方向性傳感器只能檢測是否產(chǎn)生滑動(dòng)，無法判別方向；單方向性傳感器只能檢測單一方向的滑移；全方向性傳感器可檢測個(gè)方向的滑動(dòng)情況。力/力矩傳感器作為智能化空間機(jī)械臂的關(guān)鍵部件之一，可提供實(shí)時(shí)的力和力矩信息，幫助空間機(jī)械臂機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)反饋控制，因此越來越受到重視。2.2.2機(jī)器人陣列觸覺傳感器-滑覺、力矩2.3機(jī)器人觸覺感知的最新研究技術(shù)

20世紀(jì)90年代以來機(jī)器人觸覺感知技術(shù)的發(fā)展以向智能化方向發(fā)展為重要標(biāo)志，呈現(xiàn)出一些新特點(diǎn)和趨勢．例如傳感型智能機(jī)器人發(fā)展加快，微型機(jī)器人的研究有所突破，新型智能機(jī)器人觸覺感知技術(shù)不斷開發(fā)，應(yīng)用領(lǐng)域向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)擴(kuò)展等。智能機(jī)器人觸覺感知技術(shù)的快速發(fā)展促進(jìn)了機(jī)器人在制造領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展，也使機(jī)器人開始向非制造領(lǐng)域擴(kuò)展。這些非傳統(tǒng)領(lǐng)域有航天、海洋、軍事、醫(yī)療、護(hù)理、服務(wù)、農(nóng)林、采礦等。機(jī)器人在這些領(lǐng)域有著廣闊誘人的前景。在當(dāng)今還不能或難以發(fā)展全自主智能機(jī)器人的情況下，工作于人機(jī)交互方式下的具有臨場感的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)是完成復(fù)雜或有害以及人無法進(jìn)入的環(huán)境下作業(yè)的有力手段，而微機(jī)器人在現(xiàn)代生物、醫(yī)學(xué)工程，微機(jī)械加工與裝配等工程中將大有作為，下面將重點(diǎn)介紹幾種機(jī)器人觸覺感知的最新研究技術(shù)。2.3.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能算法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)志著人工智能發(fā)展的巨大飛躍，具有大規(guī)模并行處理、分布式信息存儲(chǔ)、良好的自組織自學(xué)習(xí)能力等特點(diǎn)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能算法應(yīng)用于機(jī)器人智能感知，將為其注入新的血液?；谌S神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和高分辨率觸覺傳感器的機(jī)器人手爪主動(dòng)觸覺感知方法。手爪在擠壓和釋放過程中，從觸覺傳感器讀取的壓力圖像被串聯(lián)成一個(gè)張量，其中包含了壓力矩陣隨抓握力變化的信息。這些張量被用來提供給3D卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)能夠通過主動(dòng)交互對(duì)抓取的物體進(jìn)行分類。結(jié)果表明，該方法在訓(xùn)練數(shù)據(jù)較少的情況下提供了更好的識(shí)別。圖2.13由機(jī)器人操縱器形成的完整實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)2.3.2神經(jīng)元系統(tǒng)感知學(xué)習(xí)生物感官感知系統(tǒng)通過修改神經(jīng)元互連網(wǎng)絡(luò)之間的連接強(qiáng)度，將感知轉(zhuǎn)移到認(rèn)知和意識(shí)，這使我們能夠精確地感知并對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)世界問題做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。賦予機(jī)器人和假肢這種感知學(xué)習(xí)能力，可以潛在地?cái)U(kuò)展它們的認(rèn)知和適應(yīng)性。下圖為一種神經(jīng)形態(tài)觸覺處理系統(tǒng)，受體，傳遞的軸突和處理感覺神經(jīng)元中信息的突觸分別由電阻壓力傳感器，軟離子電纜和突觸晶體管，這種設(shè)計(jì)提供了一種事件驅(qū)動(dòng)的方法，利用外部觸摸來激活觸覺設(shè)備。神經(jīng)形態(tài)觸覺處理系統(tǒng)的神經(jīng)元捕獲了生物感覺神經(jīng)元的基本形態(tài)，以整合和調(diào)節(jié)時(shí)空相關(guān)的觸覺刺激，從而實(shí)現(xiàn)并行的感覺信號(hào)處理。圖2.15神經(jīng)形態(tài)觸覺處理系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)圖2.3.3電子皮膚智能觸感隨著電子和計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展，為了使人形機(jī)器人能夠提供先進(jìn)的服務(wù)，使用人類皮膚啟發(fā)的人工智能皮膚來幫助它們與用戶互動(dòng)并感知環(huán)境刺激，這引起越來越多的關(guān)注。為了完全模擬天然皮膚的觸感，將柔性有益水凝膠組裝到仿生皮膚中，創(chuàng)新性地將具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原花青素/還原氧化石墨烯復(fù)合材料加入到甘油塑化聚乙烯醇-硼砂水凝膠體系中，以獲得仿生觸覺水凝膠電子皮膚。這種電子皮膚具有顯著的可穿戴性和應(yīng)變敏感性，可以模擬和檢測一些真實(shí)的皮膚表皮運(yùn)動(dòng)，如手指彎曲、面部表情變化和喉嚨發(fā)聲。圖2.17仿生觸覺水凝膠電子皮膚實(shí)物與應(yīng)用圖2.3.3電子皮膚智能觸感想要制作出能夠替代人體四肢的假肢，需要深入了解人體皮膚的組成及功能結(jié)構(gòu)。解剖學(xué)告訴我們，人類的皮膚是多層結(jié)構(gòu)，每一層都有其獨(dú)特的功能。具體來說，表皮形成了一層保護(hù)層；真皮層起到緩沖身體壓力和應(yīng)變的作用，并能感知觸摸和熱。這種仿皮膚結(jié)構(gòu)的傳感器陣列能夠?qū)崟r(shí)感知和區(qū)分各種外部刺激的大小、位置和模式。同時(shí)針對(duì)這種仿生結(jié)構(gòu)開發(fā)了一種簡單而有效的電極拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了能以高靈敏度和快速反應(yīng)時(shí)間來感知溫和的滑動(dòng)刺激、觸覺刺激和彎曲刺激，傳感層采用行+柱電極的雙層梳狀結(jié)構(gòu)，消除了串?dāng)_，減少了連接線的數(shù)量。圖2.18受人體皮膚啟發(fā)的觸覺傳感器設(shè)計(jì)2.3.4多功能集成觸覺傳感隨著不同類型的機(jī)器人觸覺感知技術(shù)的發(fā)展，使機(jī)器人能夠感知多維物理變化成為研究主流，例如觸摸，壓力，和溫度。多個(gè)傳感器的集成仍然非常具有挑戰(zhàn)性，通常需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和制造工藝，并且可能遭受多種刺激感知的相互干擾。下圖展示的多功能觸覺傳感器集成了基于納米線的溫度傳感器和導(dǎo)電海綿壓力傳感器，可同時(shí)測量溫度變化率和接觸壓力。借助這款多功能觸覺傳感器，軟指可以快速識(shí)別三個(gè)接觸壓力范圍內(nèi)的四種金屬和高接觸壓力范圍內(nèi)的13種材料。圖2.19多功能軟機(jī)器人手指的示意圖2.4機(jī)器人觸覺感知的發(fā)展趨勢觸覺傳感技術(shù)的研究始于20世紀(jì)70年代。80年代是機(jī)器人觸覺傳感技術(shù)研究、發(fā)展的快速增長期，此期間對(duì)傳感器設(shè)計(jì)、原理和方法作了大量研究。90年代對(duì)觸覺傳感技術(shù)的研究繼續(xù)保持增長并多方向發(fā)展。在幾十年的發(fā)展歷程中，國內(nèi)外的科研人員在傳感器工作機(jī)理的研究、敏感材料的開發(fā)、傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、觸覺圖像的處理等多方面都做了大量的工作，并取得了巨大的成就。

2.4.1多種先進(jìn)柔性材料的開發(fā)柔性碳材料的開發(fā)石墨烯新材料的發(fā)展，為下一代高靈敏柔性觸覺技術(shù)的發(fā)展提供了新的解決路徑。中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院致力于三維共形微納石墨烯直接生長與柔性轉(zhuǎn)移技術(shù)研究。

2021年，鄭州大學(xué)劉春太教授、代坤教授和中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所潘曹峰研究員以頭足類動(dòng)物皮膚的發(fā)光機(jī)制和蜘蛛狹縫器官的超靈敏反應(yīng)型為靈感，開發(fā)了一種超靈敏自供電機(jī)械發(fā)光智能皮膚（SPMSS），該智能皮膚具有良好的電源供應(yīng)和自供電傳感能力，2.4.1多種先進(jìn)柔性材料的開發(fā)可自愈水凝膠的開發(fā)近年來，由于其柔韌性和生物相容性和可設(shè)計(jì)性，水凝膠被廣泛用于組織工程、可穿戴設(shè)備和柔性電極等各個(gè)領(lǐng)域。圖2.20雙網(wǎng)絡(luò)瓊脂水凝膠的制備和性能；（a）雙網(wǎng)絡(luò)瓊脂/AAC-Fe3+水凝膠的制備過程（b）兩片水凝膠的自愈過程2.4.1多種先進(jìn)柔性材料的開發(fā)導(dǎo)電材料銀納米線（AgNW）的開發(fā)近年來，由于其柔韌性和生物相容性和可設(shè)計(jì)性，水凝膠被廣泛用于組織工程、可穿戴設(shè)備和柔性電極等各個(gè)領(lǐng)域。Oven:烘箱；O2plasma：氧等離子體；Hottable:加熱臺(tái)圖2.21AgNW/PDMS傳感器的制作過程2.4.2可穿戴觸覺傳感器的開發(fā)北京納米能源與系統(tǒng)研究所潘曹峰研究員團(tuán)隊(duì)通過叉指微電極與納米纖維薄膜相結(jié)合設(shè)計(jì)并構(gòu)筑了一種結(jié)構(gòu)簡單的可穿戴高性能壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)了高靈敏寬響應(yīng)可穿戴壓力傳感。圖2.22基于新型二維材料MXene的可穿戴傳感器2.4.3植入式電子設(shè)備的研制材料科學(xué)和制造技術(shù)的快速進(jìn)步極大促進(jìn)了柔性可延展傳感電子器件的發(fā)展。采用柔性材料可以承受更多顯著的機(jī)械形變。當(dāng)電子器件穿戴在人體皮膚或者彎曲表面時(shí)，器件和柔軟的人體組織之間的機(jī)械不匹配是該領(lǐng)域需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。因此，能用于可穿戴和植入式電子器件的超彈、高靈敏的柔性傳感器需求迫切。對(duì)于植入式電子設(shè)備，由于其復(fù)雜多變的內(nèi)部環(huán)境，要求更高的標(biāo)準(zhǔn)。穩(wěn)定性、無毒、生物相容性、柔韌性和一致性是生物惰性植入式應(yīng)變傳感器的基本特性。2.4.4觸覺傳感器陣列技術(shù)觸覺傳感陣列通常是由多個(gè)觸覺傳感單元構(gòu)成的觸覺傳感器。觸覺傳感單元能夠測量單點(diǎn)的接觸力，而觸覺傳感陣列由于集成了多個(gè)傳感單元，因此具備分布式接觸力的檢測。圖2.23觸覺傳感陣列的應(yīng)用

2.5.1機(jī)器人觸覺感知產(chǎn)品-松果體機(jī)器人圖2.24松果機(jī)器人Finger系列產(chǎn)品圖

深圳市松果體機(jī)器人科技有限公司研制的松果體機(jī)器人（見圖2.24），其機(jī)器觸覺傳感器與物理界面接觸之后，可以將物理界面上的變形、紋理等物理信息直接映射到傳感器中，并利用后方的光學(xué)捕捉技術(shù)對(duì)界面變形完成捕捉，最后利用算法重建表面精確的觸覺信息。2.5.1材料搬運(yùn)機(jī)器人觸覺-微型手和柔性夾爪圖2.25CONSIGHT系統(tǒng)；（a）CONSIGHT系統(tǒng)硬件框圖；（b）CONSIGHT監(jiān)控系統(tǒng)操作狀態(tài)圖當(dāng)今世界各國都在大力發(fā)展工業(yè)4.0，以促進(jìn)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。其目標(biāo)是借助物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)制造過程的智能化、柔性化和個(gè)性化，其中發(fā)展、利用工業(yè)機(jī)器人是重要方向。2.5.1材料搬運(yùn)機(jī)器人觸覺-微型手和柔性夾爪圖2.26柔性夾爪示意圖

SRT型柔性夾爪不僅可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，也可以用于其他行業(yè)，如電子、食品、汽車、化工、藥物、3C等行業(yè)。

圖2.27柔性夾持系統(tǒng)

2.5.1機(jī)器人觸覺感知產(chǎn)品-范德華力吸盤圖2.30

范德華力吸盤的抓取過程

范德華力吸盤主要由法蘭接口、緩沖機(jī)構(gòu)和吸盤模塊組成。范德華力是一種分子間的作用力，是存在于中性分子或原子間的一種弱堿性的電性吸引力。范德華力吸盤是利用范德華力進(jìn)行“抓取”的一種新型機(jī)器人末端執(zhí)行器，在吸附環(huán)節(jié)不需要消耗能量，俗稱“壁虎吸盤”。2.5.1機(jī)器人觸覺感知產(chǎn)品-智能化焊接機(jī)器人圖2.31焊接機(jī)器人工作站示意圖智能化焊接機(jī)器人工作站是一臺(tái)用于組合式鋼葉片與外環(huán)組件焊縫焊接的柔性設(shè)備，采用倒裝式機(jī)器人加雙工位方式，機(jī)器人焊接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工件多種焊縫的自動(dòng)焊接。2.5.1機(jī)器人觸覺感知產(chǎn)品-反饋手套圖2.33Meta公司制作的觸覺手套Meta公司（原Facebook）發(fā)布的一款硬件產(chǎn)品——觸覺手套，把虛擬世界的觸感帶到了我們的指尖。手套通過搭載大量的追蹤和反饋部件，比如微流體觸覺反饋層壓板、氣動(dòng)控制架構(gòu)，它可以復(fù)制手指抓住物體或者沿著物體表面運(yùn)動(dòng)的感覺，讓人在虛擬現(xiàn)實(shí)世界中，清晰地感受到與虛擬物體交互時(shí)的觸覺。2.5.1電子皮膚圖2.35機(jī)械刺激觸覺感受器分類與物理位置及手腕部位的皮膚拉伸電子皮膚，又名新型可穿戴柔性仿生觸覺傳感器，是貼在“皮膚”上的電子設(shè)備，因而習(xí)慣性的被稱為電子皮膚。相較于傳統(tǒng)的剛性觸覺傳感器，電子皮膚更加輕薄柔軟，可被加工成各種形狀，像衣服一樣附著在人體或者是機(jī)器人的身體表面，使其具備感覺和觸覺。2.5.2機(jī)器人觸覺在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用20世紀(jì)80年代，機(jī)器人被首次引入醫(yī)療行業(yè)，經(jīng)過40