分布式柔性触觉传感阵列——设计、建模、检测应用

目录 

前言 

第1章 柔性触觉传感技术概论 1 

1.1 引言 1 

1.2 机器人触觉传感技术的发展现状 4 

1.2.1 智能假肢的触觉感知功能的发展现状 4 

1.2.2 机器人手触觉感知的发展现状 6 

1.3 触觉传感方式的基本类型 8 

1.4 柔性触觉传感器的建模分析与测试应用 20 

1.4.1 柔性触觉传感器的建模分析 20 

1.4.2 柔性触觉传感器的性能测试应用 27 

1.5 柔性触觉传感技术的发展 36 

第2章 电容式柔性触觉传感阵列的法向力检测力学建模 39 

2.1 引言 39 

2.2 电容式柔性触觉传感阵列的结构设计 40 

2.2.1 电容式触觉传感器的材料选取 40 

2.2.2 电容式触觉传感器的检测原理 40 

2.2.3 电容式柔性触觉传感阵列的结构设计 42 

2.2.4 电容式柔性触觉传感阵列的检测原理 43 

2.3 电容式柔性触觉传感单元的力学解析建模 43 

2.3.1 触觉传感单元的几何模型与边界条件 43 

2.3.2 触觉传感单元的力学解析模型 44 

2.3.3 触觉传感单元的变形计算与分析 48 

2.3.4 触觉传感单元的电容值变化 55 

2.4 电容式柔性触觉传感单元的分区域力学建模 56 

2.4.1 触觉传感单元的分区域几何模型 56 

2.4.2 触觉传感单元的分区域修正力学模型 58 

2.4.3 触觉传感单元的分区域变形计算与分析 67 

2.5 本章小结 68 

第3章 电容式柔性触觉传感阵列的三维力检测力学建模 70 

3.1 引言 70

3.2 基于微四棱锥台介电层的柔性触觉传感阵列设计 71 

3.2.1 基于微四棱锥台介电层的柔性触觉传感阵列的结构设计 71 

3.2.2 基于微四棱锥台介电层的柔性触觉传感器的检测原理 72 

3.2.3 触觉传感单元的阵列化与外围引出电极配置方案设计 73 

3.3 基于微四棱锥台介电层的柔性触觉传感阵列的三维力解耦 75 

3.3.1 触觉传感单元的三维力解耦模型 75 

3.3.2 触觉传感单元三维力测试 76 

3.4 分布式柔性触觉传感阵列的力学解析建模 81 

3.4.1 触觉传感单元的几何模型 81 

3.4.2 触觉传感单元的力学解析模型 83 

3.4.3 力学解析模型的求解方法 89 

3.4.4 触觉传感单元的变形计算与分析 90 

3.5 分布式柔性触觉传感阵列的结构参数优化 91 

3.5.1 触觉传感单元的参数优化准则 91 

3.5.2 触觉传感阵列微四棱锥台介电层的结构参数优化 92 

3.5.3 触觉传感阵列表面凸起的结构参数优化 95 

3.5.4 触觉传感阵列的三维接触力检测性能分析 97 

3.6 本章小结 99 

第4章 电容式柔性触觉传感阵列的曲面装载力学建模 101 

4.1 引言 101 

4.2 柔性触觉传感阵列的曲面装载几何模型 102 

4.3 柔性触觉传感阵列的曲面装载力学建模 104 

4.3.1 触觉传感单元的曲面装载力学解析模型 104 

4.3.2 曲面装载力学解析模型的求解方法 110 

4.4 曲面装载对触觉传感阵列检测性能的影响 112 

4.4.1 触觉传感单元的变形计算与分析 112 

4.4.2 触觉传感单元的电容变化规律 113 

4.5 本章小结 114 

第5章 电容式柔性触觉传感阵列的微制造工艺与性能测试 115 

5.1 引言 115 

5.2 柔性触觉传感阵列的分层制造与集成封装工艺设计 116 

5.3 柔性触觉传感阵列的微制造工艺 117 

5.3.1 柔性触觉传感阵列的电容极板微制造工艺 117 

5.3.2 柔性触觉传感器微四棱锥台介电层微制造工艺 122 

5.3.3 柔性触觉传感阵列表面凸起制造工艺 130

5.3.4 柔性触觉传感阵列的集成封装工艺 131 

5.4 柔性触觉传感阵列的检测原理及性能测试实验 133 

5.4.1 分布式柔性触觉传感阵列的检测原理 133 

5.4.2 柔性触觉传感阵列的实验平台构建 139 

5.4.3 柔性触觉传感阵列的平面装载下触觉力的检测性能测试 142 

5.4.4 柔性触觉传感阵列的曲面装载下触觉力的检测性能测试 146 

5.5 柔性触觉传感阵列的假肢手装载及抓取实验 150 

5.5.1 柔性触觉传感阵列的假肢手装载 150 

5.5.2 假肢手抓取物体过程中的触觉力检测实验 150 

5.6 本章小结 153 

第6章 基于导电橡胶的柔性触滑觉复合传感阵列 155 

6.1 引言 155 

6.2 柔性触滑觉复合传感阵列的结构设计及测试原理 156 

6.2.1 柔性触滑觉复合传感阵列的结构设计 156 

6.2.2 三维触觉力检测原理 157 

6.2.3 滑移检测原理 159 

6.3 柔性触滑觉复合传感阵列的微制造工艺 162 

6.3.1 柔性触滑觉复合传感阵列的微制造工艺流程 162 

6.3.2 柔性触觉传感阵列的样机制作 163 

6.4 柔性触滑觉复合传感阵列的性能测试 165 

6.4.1 触滑觉复合传感阵列的性能测试标定 165 

6.4.2 机器人手穿戴的抓取测试 169 

6.5 本章小结 184 

第7章 柔性触觉传感阵列的滑移检测力学建模 186 

7.1 引言 186 

7.2 基于导电橡胶的柔性触觉传感阵列 187 

7.3 柔性触觉传感阵列在初始滑移阶段的力学建模 188 

7.3.1 基于梁束理论的柔性触觉传感单元的力学建模 188 

7.3.2 柔性触觉传感单元力学模型的仿真分析及误差补偿 196 

7.4 柔性触觉传感单元在整体滑动阶段的力学建模 205 

7.4.1 基于分形理论的物体表面重建方法 206 

7.4.2 基于W-M函数准三维扩展的表面重建 213 

7.4.3 基于梁束模型的触觉传感单元在整体滑动阶段的力学建模 214 

7.5 本章小结 220

第8章 柔性触觉传感阵列的滑移检测及物体表面识别应用 221 

8.1 引言 221 

8.2 基于柔性触觉传感阵列的滑移检测方法与实验 221 

8.2.1 基于小波变换的滑移检测方法 221 

8.2.2 基于柔性触觉传感阵列滑移检测的有限元仿真建模 223 

8.2.3 柔性触觉传感阵列的制造及其滑移检测实验 230 

8.3 基于柔性触觉传感阵列的物体表面识别方法与实验 241 

8.3.1 面向规则纹理表面的信息提取方法 242 

8.3.2 基于神经网络算法的表面材质分类方法 249 

8.4 本章小结 257 

参考文献 259 

索引 276