三维力柔性触觉传感器电极研究与实验
三维柔性触觉传感器的信息提取与分析的开题报告
三维柔性触觉传感器的信息提取与分析的开题报告一、研究背景与意义随着机器人技术的不断发展，机器人的应用领域也不断拓展，其中涉及到对物体的触摸感知。
经过多年的研究和发展，现有的机器人触觉传感器技术可以很好地解决机器人在操作任务中需要感知和控制物体接触力和位置的问题。
然而，现有的机器人触觉传感器技术存在着一些限制。
例如，常见的机器人接触传感器通常只能实现单一的触觉信息（例如，压力、接触面积等）的测量，而无法实现复杂的触觉信息的获取。
因此，研究一种能够获取更为丰富的触觉信息的传感器技术具有重要的研究意义和应用价值。
三维柔性触觉传感器具有获取复杂触觉信息能力的优势，可以实现对物体表面三维形态、纹理、温度等信息的获取。
因此，研究三维柔性触觉传感器的信息提取与分析方法对于机器人技术的发展和应用有着重要的意义。
二、研究内容和原理本研究的主要内容是针对三维柔性触觉传感器获取的三维触觉信息进行数据处理和分析。
该传感器基于电容变化原理进行测量，可以获取物体表面的三维形态信息。
三维柔性触觉传感器的工作原理类似于普通的电容式触摸屏幕。
它由电容传感器阵列和可变形的弹性底板构成。
当传感器阵列接触到物体表面后，阵列中的电容值会发生变化。
通过对电容传感器阵列中电容值的变化进行检测和分析，可以实现对物体表面三维形态等复杂触觉信息的获取。
因此，本研究主要包括以下方面内容：1.三维柔性触觉传感器的硬件设计和制作。
2.实现对三维柔性触觉传感器获取的原始数据进行处理和分析，提取出物体表面的三维形态等触觉信息。
3.研究利用机器学习算法对三维柔性触觉传感器获取的触觉信息进行分类和识别的方法。
三、预期研究成果本研究预期实现以下成果：1.设计并制作出三维柔性触觉传感器的硬件系统。
2.根据三维柔性触觉传感器获取的原始数据，实现对物体表面三维形态等触觉信息的提取和分析。
3.研究利用机器学习算法实现对三维柔性触觉传感器获取的触觉信息进行分类和识别的方法，并验证其有效性和准确性。
电阻式柔性触觉传感器的研究与医养健康领域应用现状
研究与技术丝绸JOURNAL OF SILK电阻式柔性触觉传感器的研究与医养健康领域应用现状Research on resistive flexible tactile sensors and their current applications in the field of medical and health care殷㊀霞,张士进,田明伟,刘㊀红(青岛大学纺织服装学院,青岛266071)摘要:近年来,可穿戴智能系统的进步对柔性压力传感器提出迫切的需求㊂其中,电阻式柔性触觉传感器因其原理简单㊁易于加工㊁集成效率高等特点得到了迅速发展㊂但是,如何实现传感器在宽压力监测范围内,具有高灵敏度仍是研究者们要面临的挑战㊂为了解决上述问题,除了选择先进的功能材料和合适的衬底材料,优化传感器结构也是一个重要的研究方向㊂本文立足于传感器件的结构设计,分别介绍了一维的纤维∕纱线传感器件,基于表面微结构㊁纳米结构构筑的二维平面传感器件及具有空间结构和高空隙的多维立体结构传感器件,通过以上结构设计实现了传感器件性能的提升,最后分析了其在医养健康领域的实际应用进展㊂关键词:电阻式柔性触觉传感器;结构设计;医养健康;一维纤维∕纱线传感器件;二维平面结构传感器件;多维立体结构传感器件;健康监测中图分类号:TP 212.3;TQ 342.8㊀㊀㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀㊀㊀文章编号:10017003(2024)02007609DOI :10.3969∕j.issn.1001-7003.2024.02.009收稿日期:20230914;修回日期:20231220作者简介:殷霞(2000),女,硕士研究生,研究方向为服装舒适性与功能服装㊂通信作者:刘红,讲师,lh 1221@ ㊂㊀㊀触觉是人类感知和识别物体的重要方式,在没有触摸的情况下,人类将无法获得物体的基本特征[1]㊂皮肤作为人体最大的器官,含有大量的神经传感器,赋予人们触觉感知能力,是人类感知外界环境中压力㊁温度㊁湿度及物体形状等物理信息最重要的途径㊂受人体皮肤的启发,仿生电子皮肤被开发并应用到人机交互㊁可穿戴医疗设备和智能机器人等各个领域[2]㊂对于仿生电子皮肤而言,其最重要的部分是可以模仿人体的触觉传感器[3]㊂常见的柔性触觉传感器依据其传感机制可分为电容式㊁压电式㊁摩擦电式和电阻式[4-5],如图1[6-10]所示㊂电容式传感器由两个平行电极和两电极之间的介电层组成,通过将压力刺激转化为电容信号进行传感,具有毫秒响应时间及出色的应变能力,但其灵敏度会随着器件尺寸的减小而降低[11-14]㊂压电式传感器是基于外加应变引起的压电材料极化导致电势变化,具有固有频率高㊁性能稳定等特点[15],但由于压电材料产生的输出电压是脉冲信号,故其大多应用于测量动态压力,而不能稳定地测量静态信号[16]㊂为了满足传感器自供电这一需求,基于摩擦电纳米发电机(TENG )[17]研发的传感器近几年受关注较多㊂摩擦电传感器通过将人体在运动过程中产生的能量进行收集并保存在电容器中,从而实现自供电[18],但极易受外部静电感应产生信号干扰的特性,限制了其应用场景[19]㊂而电阻式传感器因其工作原理简单㊁成本较低㊁信号采集方便等特性,成为了目前研究最多且应用最广泛的触觉传感器[4,20-22]㊂图1㊀柔性触觉传感器分类及其应用Fig.1㊀Classification and application of flexible tactile sensors电阻式触觉传感器的工作原理主要基于压阻效应,当传感器受到外界施加的压力时,外部压力被转换为电阻信号,以此来完成电信号的输出[23-24]㊂合理的结构设计,不仅可大幅67第61卷㊀第2期电阻式柔性触觉传感器的研究与医养健康领域应用现状度提升传感器的灵敏度及其他各项性能,而且还可以灵活地调整传感器的灵敏度和响应特性,以满足特定的应用需求[25-26]㊂对传感层进行结构创新设计,改变导电材料间的接触电阻及导电弹性复合材料中的导电路径,是提高电阻式触觉传感器性能重要的研究方向[27]㊂将柔性电阻式触觉传感器与可穿戴设备结合监测人体生理信号,如血压㊁心率㊁脉搏等,可为患者提供个性化康复方案[6,28]㊂也可将纤维∕纱线基柔性触觉传感器编织成床垫㊁坐垫等产品,实现身体不同部位的压力分布监测,可有效预防压疮生成[29-30],在医养健康领域具有重要意义㊂本文综述了近年来电阻式柔性触觉传感器的最新进展㊂首先根据其结构设计分别介绍了在不同维度上的研究进展,包括一维纤维∕纱线传感器件㊁二维平面结构传感器件㊁多维立体结构传感器件㊂随后分析了其在医养健康领域的实际应用进展㊂最后,讨论总结了电阻式柔性触觉传感器目前所面临的挑战㊂1㊀电阻式柔性触觉传感器的结构设计1.1㊀一维纤维∕纱线基传感器件一维纤维∕纱线结构因其柔软性㊁可编织性㊁形状适应性故具有优异的纺织加工性能[31-32],较多集成到纺织服装当中应用㊂大多数纤维∕纱线通过采用湿法同轴[33-34]㊁静电纺丝[35-36]㊁对纤维∕纱线进行特殊后处理(喷涂㊁浸渍[37]㊁原位生长[38]㊁化学气相沉积[39])的方法制备核壳结构㊂Hu等[39]通过化学气相沉积(CVD)工艺制造以石墨烯纤维作为芯层,原位生长的碳纳米管分层作为壳层的碳杂化纤维(CHF),如图2(a)所示㊂具有核壳结构的纤维∕纱线,纤维芯和外部的壳或包覆层可以相互作用,提高纤维材料的抗拉㊁抗压㊁抗弯等力学性能,也可以防止纤维芯受到外界环境的影响,同时可以根据需求调节其芯层或外壳的成分和厚度,从而使纤维材料可适应不同的应用领域和环境,且基于核壳结构的压阻式传感器件普遍具有较高的灵敏度和线性度㊂Zhong等[40]通过湿法纺丝制备的芯层为镀银尼龙,壳层为表面具有微孔结构的碳纳米管(CNTs)∕热塑性聚氨酯(TPU)的核壳压阻纱线,灵敏度高达84.5N-1㊂利用同轴纺丝和后处理方法相结合的方式[41],可制备具有三层核壳结构的导电复合纤维㊂Wang 等[42]将湿纺制备的已经具有核壳结构的纤维,又通过在纤维表层发生银镜反应,形成紧密堆叠的Ag纳米颗粒层,制备了具有三层核壳结构的导电复合纤维,如图2(b)所示㊂除了通过同轴纺丝实现纤维的核壳结构,还可选择在纺纱的过程中将纤维加捻成特殊的纱线结构,如包芯纱㊁包缠纱等赋予纱线核壳结构㊂Ding等[43]以柔性乳胶长丝为芯层,紧图2㊀一维纤维∕纱线基传感器件原理和结构示意Fig.2㊀Schematic diagram of the principle and structure ofone-dimensional fiber∕yarn-based sensor elements密缠绕包裹PET长丝为壳层,在PET长丝上沉积导电聚吡咯形成导电网络,且制备的导电纱线对应力非常敏感,如图2(c)所示㊂近年来,与核壳结构类似地使用弹性管状材料,如(弹性微管[44]㊁中空橡胶管[45])对液态导电金属进行封存,制作导电纱线的方法受到较多关注㊂与传统的核壳结构纱线相比,该方法制作的导电纱线,具有高度可拉伸和耐水洗的优点㊂Yu等[44]使用将液态金属合金共晶镓铟(eGaIn)沉积到弹性微管内制备的导电纱线编织的功能性织物,即使在洗衣机内经过了典型的洗涤循环,仍保持高功能性㊂综上所述,现有的一维纤维∕纱线传感器件主要基于核壳结构,其虽具有较高线性度,但传感器件的灵敏度和分辨率易受到纤维直径和长度的限制,在测量一些微小变化时可能精度不高㊂此外,纤维在使用过程中易疲劳和损伤,传感器的耐久性和稳定性受到影响㊂因此,在制作纤维∕纱线传感器件的时候,可选择使用更加耐久和稳定的纤维材料,如碳纤维和聚合物纤维等㊂1.2㊀二维平面结构传感器件可穿戴电阻式应变传感器通常由绝缘的柔性聚合物基体和导电材料两部分构成,为了获得高性能的传感器,除了需要选择合适的弹性基板及导电性好的敏感材料外,在二维导电层上设计并构建精细的微观结构或纳米级几何形状,是提高传感器灵敏度较为有效的方法㊂目前已出现的较为常见的微观结构如棘突结构[46-47]㊁微圆顶结构[48]㊁微纳米棒状结构[49]㊁微金字塔结构[50]㊁空心球微结构[17]㊁皱纹结构[15]㊁互锁结构[28]㊁微柱结构[51]及各种仿生微结构[21,52],这些微结构可以为传感器两电极之间提供丰富的接触点,来提高传感器的性能㊂77Vol.61㊀No.2Research on resistive flexible tactile sensors and their current applications in the field of medical and health care在这些微观结构中,因人类表皮的微观结构与砂纸表面具有相似的形貌,使用砂纸作为模板来制备的具有随机高度分布的棘突微结构[53],不仅可检测细微压力的极限且具有成本较低,制作工艺简单等优点㊂Sun 等[54]将石墨与聚二甲基硅氧烷(PDMS )的混合液倒在砂纸模板上,直接形成具有棘突结构的导电膜㊂皱纹结构的开发同样是仿制人类皮肤的一种微结构设计,类似于褶皱的结构为传感器提供了可拉伸性㊂Jia 等[15]通过梯度减少氧化石墨烯(rGO )形成具有皱纹结构的导电层,制备的传感器表现出出色的灵敏度,如图3(a )所示㊂为了设计出合理的微观结构,将特殊的生物∕植物表面微结构进行仿制,是一种便捷且能有效提高传感器灵敏度的方法㊂Yan 等[21]通过仿制银杏叶表面微结构制备的MXene 基压力传感器,灵敏度高达403.46kPa -1,如图3(c )所示㊂除了选择在织物㊁薄膜㊁凝胶等柔性基体表面进行微观结构设计,还可采用静电纺丝喷涂的方法[55],由于纤维的交错排列,同样可以在传感层表面形成精细的多层网络微结构㊂Gao 等[56]用柔性锡(IV )掺杂的SrTiO 3,采用溶胶-凝胶静电纺丝法制备的柔性陶瓷纳米纤维膜,在小于400Pa 的低压范围下灵敏度可达2.24kPa –1,且表现出优异的稳定性,如图3(b )所示㊂图3㊀二维平面结构传感器件原理和结构示意Fig.3㊀Schematic diagram of the principle and structure of atwo-dimensional planar structure sensor element综上所述,二维平面结构传感器件只能在有限的压力范围内具有高灵敏度,为了提高其应力监测范围,设计新型的织物表面微结构,增大阻值变化是有效的解决途径㊂同时在对织物进行导电处理时选择适合的导电材料,增加导电通道,通过改善导电材料的分散性可提高织物的导电性㊂1.3㊀多维立体结构传感器件多维立体结构设计的电阻式压力传感器,得益于其空间结构存在高孔隙且基材具有良好的弹性,相邻多孔骨架之间的 接触效应 可产生大幅度的电阻变化,使其总能在宽线性范围内具有高灵敏度㊂常见的制备多维立体空间结构的策略主要包括多层微结构叠加[52,57,58]㊁赋予三维(3D )多孔基材传感性能[59-61]㊁导电 骨架 团聚三维结构[62]㊂多层微结构构筑的立体结构可以很好地优化传感器线性传感范围,相较于单层微结构,使传感器能够在大的压力范围下保持高灵敏度[63]㊂Lee 等[28]堆叠多层具有互锁微圆顶结构设计的传感层,如图4(a )所示㊂由于逐层之间的应力分布,使传感器在0.0013~353kPa 的宽压力范围内可线性响应㊂直接赋予三维(3D )多孔基材传感性能的策略,避免了逐层组装的麻烦,具有低成本㊁可大规模制备等优点㊂常用的多孔基材主要包括泡沫[64]㊁海绵[65]㊁热塑性弹性体(TPE )[66]等,这些材料具有丰富的3D 网络结构,便于将导电材料涂覆到其弹性体骨架上㊂Zhang 等[67]在海绵上浸渍碳纳米管(CNT ),上下电极采用银浆涂覆作为导电层,制作了一款价格低廉且具有高性能和简单制造工艺的传感器㊂其中,将海绵经预压缩处理后在其骨架上获得裂纹结构的设计[68],对于弹性三维微孔压阻材料来说具有重要研究意义㊂Zhang 等[69]将通过导电纤维素纳米纤维(CNF )㊁AgNWs 制备的导电海绵经预压缩处理后,在海绵骨架表面产生裂纹结构,如图4(b )所示(根据压缩速率不同,裂纹产生的密度也会随之变化),基于小应变的 裂纹效应 ,该传感器的检测限可低至0.2%㊂虽然基于聚合物材料的传感器具有高灵敏度和较大的工作压力范围,但聚合物材料普遍存在弹性回复性差㊁恢复滞后等问题,因此继续探索其他新型材料构筑3D 结构是必要的㊂Chen 等[70]将水性MXene 油墨和植物纤维通过物理发泡的方法来制作类似于海绵的三维结构,再对其通过组装㊁浸涂㊁封装后制备的压阻式传感器表现出的可压缩应变达60%㊂图4㊀多维立体结构传感器件原理和结构示意Fig.4㊀Schematic diagram of the principle and structure of a multidimensional three-dimensional structure sensor element87第61卷㊀第2期电阻式柔性触觉传感器的研究与医养健康领域应用现状综上所述,多维立体结构的传感器件主要存在弹性回复性差㊁制造难度较大等问题,弹性回复性差主要是由于传感器材料在反复压缩过程中发生塑性失真㊁疲劳等㊂其次传感器立体结构设计得不均匀,弹性变形后也很难回复到原有状态㊂在未来可以引入新的材料制备技术和制造工艺,如微纳米加工技术㊁3D打印等,以提高传感器的制造精度,从根本上改善传感器的回复性㊂2㊀电阻式柔性触觉传感器在医养健康领域应用现状2.1㊀临床医学及生命体征监测应用随着医疗技术和条件的快速发展,多样化的传感器作为可穿戴医疗设备的重要组成部分,已经应用于各个方面㊂其中,电阻式柔性触觉传感器对微小应力变化非常敏感,可以检测到细微的触摸和压力信息,对临床应用兴起的机器人辅助微创手术的发展具有重要意义㊂Aubeeluck等[71]将多壁碳纳米管(MWCNTs)和热塑性聚氨酯(TPU)复合材料制备的油墨进行丝网印刷得到柔性薄膜,再将具有微结构的叉指电极薄膜进行多层叠加后进行封装,设计和制造了一种9mm2的超薄柔性电阻触觉传感器,用于机器人辅助微创手术中磁性微夹持器手术工具,提高了手术的安全性㊂生命体征是人体基本身体机能的测量值,用于评估人体的身体健康状况㊂而传感器是各类探知生命体征智能端口的核心元器件,是采集生命体征信息㊁构建数字化管理平台㊁实现健康风险科学预警的重要途径㊂电阻式柔性触觉传感器通过模仿皮肤的传感特性制备的电子皮肤可有效地克服传统医疗设备笨重㊁繁琐等缺陷,实现对人体体征信息的全方位监测㊂Chao等[24]将MXene油墨丝网印刷到丝素纳米纤维膜上制备的MXene∕蛋白质的电阻式压力传感器组装的电子皮肤具有良好的生物相容性,通过电阻变化检测人类的脉冲波型,来评估佩戴者的心血管状况及判断是否存在血管老化和动脉僵硬等问题,如图5(a)所示㊂Li等[27]通过将壳聚糖和MXene交替涂覆到PU海绵骨架上制备的传感器能有效检测许多非接触运动,可以隔着塑料面罩检测呼吸和说话,并进行语音识别,在未来临床医学监测方面具有巨大的潜力,如图5 (b)所示㊂此外,针对当代年轻人的生活需求及生活方式的转变,将传感器集成在腕带㊁手表㊁护膝等可穿戴设备中,更易于在日常生活运动中对心率进行监测㊂Gao等[72]演示了一种具有微流体膜片的压力传感器,分别将传感器嵌入聚二甲基硅氧烷(PDMS)腕带和PDMS手套,在触摸或握住物体时,根据阻值变化可提供手的全面触觉反馈㊂佩戴该传感手腕进行运动,可实时测量运动者脉搏变化,进行心率监测㊂图5㊀电阻式柔性触觉传感器在生命体征监测领域的应用Fig.5㊀Application of resistive flexible tactile sensors in thefield of vital sign monitoring2.2㊀居家健康监测及康复治疗应用居家健康监测可以有效地进行个人健康管理及中老年疾病预防,不仅能提高治疗效果,而且还可节省公共医疗资源㊂对于老年人和慢性病患者而言,居家健康监测设备可提供长期的照护支持㊂足底压力监测对损伤预防㊁运动生物力学具有重要意义㊂Lee等[28]通过传感器阵列制作的智能鞋垫,可以清楚地监测行走过程中的高脚压分布,如图6(a)所示㊂对于一些老年人的步态监测,某些区域的异常步态和过度的脚压可能与很多疾病相关,如糖尿病足溃疡㊁帕金森病患者的特征性步态模式,监测老年人的步态模式和姿势可以对这些疾病进行早期诊断㊂Kim等[73]以隐形眼镜为基板,设计了一款可以监测眼内压的透明和可拉伸的多功能隐形眼镜传感器,如图6(b)所示㊂用于无线监测佩戴者的葡萄糖和眼内压,不仅适用于糖尿病患者,还可以帮助青年佩戴者评估眼睛健康,如青光眼筛查㊁视力保护等㊂Hu等[39]使用制备的碳杂化纤维(CHF)组装的光纤传感器,将其安装在腰椎和颈椎上,可捕获各种生理信号,时实精确记录坐姿信号,当坐姿不规范时,基于该传感器的警告系统会发出警示,帮助指导纠正坐姿,改善不良的生活方式㊂此外,通过与触觉显示器相结合,实现人机交互,将日常监测数据可视化,对康复治疗具有重要意义㊂Zhong等[23]将传感器固定在纺织手套的指关节区域,并且基97Vol.61㊀No.2Research on resistive flexible tactile sensors and their current applications in the field of medical and health care于该传感器建立人机界面,如图6(c )所示㊂佩戴患者根据电脑提示做出指定手势,开发了一个智能康复训练平台,以有趣和具有挑战性的方式帮助患者训练和提高手指关节技能,在康复医疗㊁外骨骼机械手甚至工业制造方面显示出潜在的应用前景㊂图6㊀电阻式柔性触觉传感器在居家健康监测及康复治疗领域的应用Fig.6㊀Application of resistive flexible tactile sensors in the field ofhome health monitoring and rehabilitation therapy3㊀结㊀论电阻式柔性触觉传感器因其原理简单㊁成本较低等特点,在柔性可穿戴领域中具有显著优势㊂本文综述了近年来电阻式柔性触觉传感器结构设计在不同维度上的最新进展,结果表明:不论是一维纤维∕纱线基传感器件㊁二维平面结构设计传感器件,还是多维立体传感器件,都需要对其结构进行创新设计,才能够在原有的基础上,实现传感性能大幅度提升㊂在已确定传感器件的形状和尺寸要求下,构筑 微结构 增大两电极间的接触点∕空隙是提升传感器灵敏度较为有效的策略㊂同时,除了注重其结构设计,还可以围绕材料的选择进行创新㊂此外,虽然电阻式柔性传感器虽已经在柔性电子㊁医疗监测㊁人机交互等各个领域都有了较大的进展,但目前同样存在一些方向需要突破㊂1)柔性电阻式触觉传感器在长时间使用或复杂环境中可能会受到损坏或性能下降的影响㊂为了提高稳定性和可靠性,需要改进材料的耐久性和稳定性,解决电阻元件的老化问题,并增强传感器的保护措施㊂2)根据使用者的需求对传感器进行功能设计,整合其他传感器模块,如温度㊁湿度等,提供更广泛的应用领域㊂3)在进行传感器设计和制造时,考虑成本效益和生产难度,开发低成本且可批量生产的传感器是未来的发展重点㊂‘丝绸“官网下载㊀中国知网下载参考文献:[1]CASTELLANOSG M ,CONZALEZ M C ,RUBIO G B ,et al.ACognitive Psychological Approach to Identify the Significant of the Role of Visual Sense in Haptic Sense [C ].Wuhan :International Conference on Biometrics and 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基于三维多孔结构的柔性电阻式压力传感器研究
基于三维多孔结构的柔性电阻式压力传感器研究基于三维多孔结构的柔性电阻式压力传感器研究摘要：柔性电阻式压力传感器作为一种重要的机电传感器，在各个领域都有广泛的应用。
本文针对传统的柔性电阻式压力传感器存在的灵敏度低、稳定性差等问题，提出了一种新的设计方案——基于三维多孔结构的柔性电阻式压力传感器。
通过在传感器结构中引入三维多孔材料，增强了其受力情况和敏感度，并通过实验对其性能进行了验证。
结果表明，该传感器具有较高的灵敏度和稳定性，可以广泛应用于各种压力检测领域。
关键词：柔性电阻式压力传感器、三维多孔结构、灵敏度、稳定性1. 引言柔性电阻式压力传感器是一种常用的机电传感器，广泛应用于医疗、汽车、航空航天等领域。
然而，传统的柔性电阻式压力传感器存在一些问题，如灵敏度低、稳定性差等。
为了解决这些问题，我们提出了一种基于三维多孔结构的柔性电阻式压力传感器设计方案，并对其性能进行了实验验证。
2. 基于三维多孔结构的柔性电阻式压力传感器设计方案传统的柔性电阻式压力传感器通常由导电材料和柔性基底组成，当受到外界压力时，导电材料的电阻值发生变化。
而基于三维多孔结构的柔性电阻式压力传感器在传感器结构中引入了三维多孔材料，以增强其受力情况和敏感度。
首先，选择合适的三维多孔材料作为传感器的结构材料。
三维多孔材料具有较大的比表面积和较好的弹性，能够增加传感器受力面积，提高传感器的灵敏度。
其次，将导电材料与三维多孔材料进行结合。
在传感器结构上均匀涂覆导电材料，并与三维多孔材料紧密结合，形成导电路径。
当传感器受到外界压力时，导电材料的电阻值发生变化，从而实现对压力的测量。
最后，将传感器与信号采集电路相连，通过信号采集电路对传感器的电阻变化进行读取和处理，得到相应的压力值。
3. 实验验证为了验证基于三维多孔结构的柔性电阻式压力传感器的性能，我们进行了一系列实验。
首先，对传感器施加不同的压力，并测量传感器的电阻值变化。
实验结果显示，基于三维多孔结构的柔性电阻式压力传感器在测量压力时具有较高的灵敏度，能够准确捕捉到不同压力下的电阻变化。
基于神经网络方法的三维力柔性触觉传感器阵列解耦研究
基于神经网络方法的三维力柔性触觉传感器阵列解耦研究一、本文概述随着机器人技术的快速发展，对于机器人感知环境、实现精准操作的需求日益增强。
触觉传感器作为机器人感知外部环境的重要手段，其性能的提升对于机器人的智能化、精细化操作具有关键性作用。
其中，三维力柔性触觉传感器阵列由于其能够同时感知法向和切向的力信息，且具有柔性、可穿戴等特点，在机器人触觉感知领域具有广泛的应用前景。
然而，三维力柔性触觉传感器阵列的输出信号通常存在耦合现象，即不同方向的力信息相互干扰，影响了传感器的测量精度和稳定性。
因此，如何有效地实现三维力柔性触觉传感器阵列的解耦，成为了当前研究的热点和难点问题。
本文旨在研究基于神经网络方法的三维力柔性触觉传感器阵列解耦技术。
对三维力柔性触觉传感器阵列的工作原理和信号特性进行深入分析，明确解耦的重要性和必要性。
然后，结合神经网络强大的非线性映射能力和自学习能力，构建适用于三维力柔性触觉传感器阵列解耦的神经网络模型。
通过对模型的训练和优化，实现对传感器输出信号的精确解耦，提高传感器的测量精度和稳定性。
通过实验验证神经网络解耦方法的有效性，为三维力柔性触觉传感器阵列的实际应用提供理论和技术支持。
本文的研究不仅有助于推动机器人触觉感知技术的发展，还为其他领域中的多维传感器解耦问题提供了新的解决方案。
通过深入研究基于神经网络方法的三维力柔性触觉传感器阵列解耦技术，有望为未来的机器人技术发展和智能化应用奠定坚实的基础。
二、三维力柔性触觉传感器阵列基本原理三维力柔性触觉传感器阵列是一种能够同时感知并测量施加在其表面上的三维力（即法向力和两个正交切向力）的先进设备。
其基本原理基于柔性材料（如硅橡胶、聚酰亚胺等）的力学性能和传感器的电阻、电容或压电等物理特性的变化。
在力学层面，当外力作用于传感器表面时，柔性材料会发生形变，这种形变可以通过弹性理论来描述。
弹性理论提供了传感器受力与形变之间的定量关系，是理解传感器工作原理的基础。
三维柔性触觉传感器静态标定方法研究
第３ １卷 第 ９期 ２１ ０ ０年 ９月
仪 器 仪 表 学 报
Ｃ ｉｅ ｅ Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｃｅ ｔ ｃ Ｉ ｓ ｕ ｎ ｈ ｎ ｓ ｏ ｒ ａ ｆＳ ｉｎ ｉ ｎ ｔ ｍｅ ｔ ｉ ｆ ｒ
Ｖｏ ＿ Ｎｏ ９ ｌ３１ ．
Ｓ ｐ． ２ ０ ｅ ０１
三 维 柔 性 触 觉 传 感 器 静 态 标 定 方 法 研 究
（ Ｓｈｏ ｎｔ ｍ ｎ ｃ ｎｅａ ｄＯ ｔ ｅ ｃ ｏ ｉ ｎ ｉ ｅ ｎ ， ｅ ｉＵ ｉ ｒｔ ｏ ｅｈｏｏｙ Ｈｆｉ ３ ０ ９ Ｃ ｉａ ｃｏｌｆＩｓ ｕ ｅ ｔ ｉ ｃ ｎ ｅｏ ｌ ｔ ｎｃ Ｅ ｇｎ ｒ ｇ Ｈｆ ｎ ｅ ｉ ｏ ｒ Ｓｅ —ｅｒ ｓ ｅｉ ｅ ｖ ｓｙ ｆＴｃｎｌ ， ｅ ００ ， ｈｎ ； ｇ ｅ２ ２Ｕ ｉ ｒｔ ｃ ｎｅａ ｄＴｃｎ ｌ ｙ Ｈｆｉ ３ ０６， ｈｎ ） ｎ ｅ ｉ ｏ ｉ ｃ ｎ ｅｈｏｏ ， ｅ ０ ２ Ｃ ｉａ ｖ ｓｙ ｆＳ ｅ ｇ ｅ２
黄 斌 ，余 晓芬 黄 ，
合肥
英 ，黄 海 阳 王 ，
标
合肥 ２ ０２ ） ３ ０ ６
（ 合 肥 工 业 大 学 仪 器科 学 与 光 电工 程 学 院 １ 摘
２０ ０ ２ 中 国科 学 技 术 大 学 物 理 学 院 ３０ ９；
柔性压力传感器研究进展
柔性压力传感器研究进展杨海艳;李延斌;熊继军;陈晓勇;罗铭宇【摘要】简单介绍了柔性压力传感器的特点,着重阐述了柔性压力传感器工作原理的三种形式及常用的柔性材料,综述了其在人工电子皮肤、智能服装、可穿戴设备领域的应用,最后指出了柔性压力传感器发展过程中存在的问题并对其前景进行了展望.【期刊名称】《应用化工》【年(卷),期】2018(047)012【总页数】4页(P2701-2704)【关键词】柔性压力传感器;研究进展;应用【作者】杨海艳;李延斌;熊继军;陈晓勇;罗铭宇【作者单位】中北大学理学院,山西太原 030051;中北大学理学院,山西太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原 030051;中北大学化学工程与技术学院,山西太原 030051;中北大学理学院,山西太原 030051【正文语种】中文【中图分类】TQ050.4压力传感器是用来检测两个接触面之间表面作用力大小的电子器件[1]。
随着科学技术的快速发展，人们工作的环境更加趋于复杂化和多样化，对电子器件在柔韧性、便携性、可穿戴性等方面的要求越来越高。
传统的压力传感器由于大多以半导体刚性材料为主，柔韧性较差，已经很难适应下一代传感器在柔性和便捷性等方面的需求，其应用受到了限制[2]。
与传统的压力传感器相比，柔性压力传感器克服了易脆的缺点，并且具有尺寸小、重量轻、功耗低、易于集成并且耐恶劣工作环境等优点，成为了许多科研工作者的研究点，并在很多领域被广泛应用，比如健康监测、电子皮肤、生物医药、可穿戴电子产品等。
目前，在新一代柔性材料和传感技术的发展前提下，适应性良好、便携性高、灵敏度精确、稳定性好、响应度高、成本低廉等逐步成为柔性压力传感器的发展潮流。
但是，想要实现低成本制造分辨率高、灵敏度精确、响应迅速和可以进行复杂信号检测的柔性传感器依然是很难攻克的[3]。
本文简要介绍了柔性压力传感器的特性，着重阐述了柔性压力传感器工作原理的3种形式及常用的柔性材料，主要介绍了其在人工电子皮肤、智能服装、可穿戴设备领域的应用。
用于检测三维力的柔性触觉传感器结构研究及有限元分析
用于检测三维力的柔性触觉传感器结构研究及有限元分析刘彩霞;黄英;缪伟;蔡文婷;袁海涛;曹广辉【期刊名称】《计量学报》【年(卷),期】2014(035)005【摘要】基于力敏导电橡胶材料,设计了一种四电极对称结构的三维力柔性触觉传感器.利用有限元分析软件ANSYS,结合橡胶材料的Mooney-Rivlin本构模型,对传感器加载垂直力和剪切力进行有限元分析,得到传感器在三维力作用下的应力应变分布状态,并进行了实验验证,结果表明了传感器结构设计和数学模型构建的合理性.通过对传感器传力的触头材料和形状进行有限元分析,表明触头选择硬度相对较大的材料,制成长椭球状半径(a=1.5b),可以优化传感器的性能,为用于检测三维力的柔性触觉传感器的实际应用提供了依据.【总页数】5页(P458-462)【作者】刘彩霞;黄英;缪伟;蔡文婷;袁海涛;曹广辉【作者单位】合肥工业大学电子科学与应用物理学院,合肥安徽230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,合肥安徽230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,合肥安徽230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,合肥安徽230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,合肥安徽230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,合肥安徽230009【正文语种】中文【中图分类】TB931【相关文献】1.一种简单的电容式三维力柔性触觉传感器设计 [J], 张淑艳;张金红;赵立蕊2.一种可感知三维力的新型柔性触觉传感器及滑觉识别算法研究 [J], 毛磊东;黄英;郭小辉;张阳阳;刘平3.一种基于导电橡胶的三维力柔性触觉传感器阵列机理与仿真研究 [J], 李珊红;汪玉冰;曹会彬;丁俊香;黄英;双丰;葛运建4.基于力敏导电橡胶的新型三维力柔性触觉传感器仿真研究 [J], 徐菲5.三维力柔性触觉传感器电极研究与实验 [J], 黄英;缪伟;李雷鸣;蔡文婷;杨庆华;葛运建因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
一种新型机器人三维力柔性触觉传感器的设计
பைடு நூலகம்
第１ ０期
传 感 技 术 学 报
Ｃ ＮＥ Ｅ Ｊ ＵＲ Ｌ Ｆ Ｓ ＮＳ ＨＩ Ｓ Ｏ ＮＡ Ｏ Ｅ ＯＲＳ Ａ ＮＤ Ｃ ＡＴＯ Ａ ＴＵ ＲＳ
Ｖ０ ． １ Ｎｏ １ １２ ．０ ０ｃ ． ０ ８ ｔ２ ０
２０ ０ ８年 １ ０月
Ａ ｗ ｓ ｇ ｆ Ｆｌ ｘ ｂ ｅ Ｔｈｒ ｅ Ｄｉ ｅ ｉ ｎ Ｆｏ ｃ ｃ ｉｅ Ｓ ｎ ｏ ｆ Ｒｏ ｏ Ｎｅ Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｅ ｉ ｌ ｅ － ｍ ｎｓ ｏ ｒ ｅ Ｔａ ｔｌ ｅ ｓ ｒ ｏ ｂ ｔ
ＥＥＡ ＣＣ ： ３ Ｇ ； ３ ７ ２０ ７２ ０
一
种新 型 机 器 人 三 维 力 柔 性 触 觉 传 感 器 的设 计
＊
黄 英 ， 明小 慧 ， 蓓 仇 怀利 葛运建。 向 ， ，
，
１ 合肥工业大学应用物理 系 ， ． 合肥 ２ ０ ０ ； ３ ０ ９
、
＼． ２ 中国科学院合肥智 能机 械研 究所 ， 合肥 ２０ ３ ／ ３０ １
摘 要 ： 基于柔性力敏导电橡胶材料 ， 设计了一种能测量三维力的新型机器人柔性触觉传感器。研究了力敏导电橡胶材料
的压 阻效应 ， 阐述 了触觉传感器 的设计思想 ， 分别进行 了触觉传感 器单 元设计 和阵列结 构设计 和研究 。获 得 了计算 三维力 的 数学模 型 ， 并通过实验进行 了三维力 的验证 。结果 表明 ， 设计 的机 器人三维力柔 性触觉传 感器具 有设计 简单 ， 价低廉 ， 造 柔顺
ｉｄｃ ｔ ｈ ｔｔ ｅｄ ｓ ｎ ｄ ｔ ｒｅ ｄｍｅ ｓｏ ｏ ｃ ｌｘｂ ｅｔｃ ｉ ｅ ｓ ｒｆ ｒｒ ｂ ｔ ａ ｈ ｄ ａ ｔｇ ｆｓｍｐ ｅ ｎ ｉａ ｅｔ ａ ｈ ｅ ｉ ｅ ｈ ｅ － ｉ ｎ ｉｎ ｆ ｒｅｆｅ ｉ ｌ ａ ｔ ｅｓ ｎ ｏ ｏ ｏ ｏ ｓｔ ｅａ ｖ ｎ ａ ｅｏ ｉ ｌ ｇ ｌ ｈ ｄ ｓｇ ｅ ｉｎ，ｌｗ ｏ ｔ ｎ ｉ ｅ ｆｅ ｉ ｉｔ ． Ｂｅ ｉｅ ，ｉ ｃ ｎ ｂ ｉｐ ｓ ｄ ｉ ｒａ ｏ ａ ｑ ｉｅ ｔ ｅ ｉｆ ｒ ａ ｉｎ ｏ ｏ ｃ ｓ ｓａ ｄ ｆ ｌｘ ｂｌ ｙ ｎ ｉ ｓｄ ｓ ｔ ａ ｅ ｄ ｓ ｏ ｅ ｎ ａ ｒ ｙ ｔ ｃ ｕ ｒ ｈ ｎ ｏ ｍ ｔ ｆ ｏ ｔ ｒ ｅｄｍ ｅ ｓｏ ｏ ｃ ｎ ｍ ｅ ｉａ ｉｎ，ｐ ｙ ｉｓａ ｄ ｒ ｂ ｔ． ｈ ｅ — ｉ ｎ ｉ ｎ ｆｒ ｅｉ ｄ ｃ ｔ ｏ ｈ ｓｃ ｎ ｏ ｏ ｓ Ｋｅ ｒ ｓ ｔｃ ｉ ｅ ｓ ｒ ｃ ｎ ｕ ｔ ｅｒ ｂ ｅ ；ｆ ｘ ｂｅ ｈ ｅ － ｉ ｎ ｉｎ ｆ ｒ ｅ ｙ ｗｏ ｄ ：ａ ｔ ｅ ｓ ｎ ｏ ； ｏ ｄ ｃ ｉ ｕ ｂ ｒ ｌ ｉｌ ；ｔ ｒ ｅｄ ｍｅ ｓｏ ｏ ｃ ｌ ｖ ｅ
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关键 词：触觉传感器；三维力；力敏导电橡胶；机器人皮肤 中图分类号： Ｔ Ｐ ２ １ ２ ； Ｔ Ｎ９ 文献标识码： Ａ 国家标准学科分类代码： ４ ６ ０ ． ４ ０ ２ ０
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ａ ｎ ｄ ｅ ｘ ｐｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎｔ ｏ ｆ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｄ ｅ ｓ ｆ ｏ ｒ ３ Ｄ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｌｅ ｆ ｘ ｉ ｂ ｌ ｅ ｔ ａ ｃ ｔ ｉ ｌ ｅ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ
第２ ７ 卷
第１ 期
电子测量 与仪 器学报
Ｊ ＯＵ Ｒ ＮＡ Ｌ ＯＦ ＥＬ ＥＣＴＲｏＮＩ ｃ Ｍ＿ ＥＡｓ ＵＲＥ 匝 ＮＴ ＡＮＤ Ｉ Ｎｓ ＴＲＵ 匝 ＮＴ
场 ２ ７ Ｎｏ． １
・
２ ０ １ ３ 年１ 月
５ ７ －
ＤＯＩ ： １ ０ ． ３ ７ ２ ４ ／ Ｓ Ｐ ． Ｊ ． １ １ ８ ７ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ０ ０ ５ ７
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敏度 、线性度等实验对 比， 实验证 明四电极方形排布的传感器在剪切力方 向 拥 有更高 的灵敏度和更好 的线性度， 但量程相对 十 字形排布的传感器较小。通过三维力实验表 明， 这 ２种新型的三维力柔性触觉传感器均具备检测 三维力的功能， 可在机器人皮 肤等实际应用场合， 根据 。 Ｉ ＝ 作量程和灵敏度的不 同要求来选择传感器结构。
Ｈ ｕ ａ ｎ ｇ Ｙ ｉ ｎ ｇ ’ Ｍｉ ａ ｏ Ｗｅ ｉ Ｌ ｉ Ｌ ｅ ｉ ｍｉ ｎ ｇ Ｃ ａ ｉ Ｗｅ ｎ ｔ ｉ ｎ ｇ Ｙ ａ ｎ ｇ Ｑ ｉ ｎ ｇ ｈ ｕ ａ Ｇ ｅ Ｙ ｕ ｎ ｊ ｉ ａ ｎ
（ １ ． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ＆Ａｐ ｐ ｌ ｉ ｅ ｄ Ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ ， Ｈｅ ｆ ｅ ｉ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｈｅ ｆ ｅ ｉ ２ ３ ０ ０ ０ ９ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ． Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｉ ｎ ｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｇ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａｃ ａ ｄ ｅ ｍｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ， Ｈｅ ｆ ｅ ｉ ２ ３ ０ ０ ３ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
三维 力柔性触 觉传感器 电极研 究与实验木
黄 英 ， ２ 缪 伟 李雷鸣 蔡文婷 杨庆华 葛运建２
（ １ ．合肥工业大学电子科学与应用物理学院 合肥 ２ ３ ０ ０ ０ ９ ； ２ ．中国科学 院合肥智能机械研究所 合肥 ２ ３ ０ ０ ３ １ ）
摘 要：为了实现机器人智能皮肤对三维力的探测 ， 基于炭黑／ 碳纳米管／ 硅橡胶 的表面压阻效应，设计了 ２种不同排布 的对称结 构 的四叉指电极三维力柔性触觉传感器 ． 理论分析 了这 ２种三维力传感器的工作原理， 并对这 ２种结构的传感器进行了量程 、 灵
ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｓ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｙ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ，ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｐ ｅ ｉｍｅ ｒ ｎ ｔ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｏｆ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｎ ｇ ｅ ， ｓ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｙ ａ ｎ ｄ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｉ ｔ ｙ ｏｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｗｏ ｔ