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电子皮肤触觉传感器研究进展与发展趋势

更新时间:2019-12-30 11:53:35 大小:2M 上传用户:zhiyao6查看TA发布的资源 标签:触觉传感器 下载积分:1分 评价赚积分 (如何评价?) 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

从介绍人类皮肤的触觉感知性能出发,全面综述了国际上多学科领域模拟人类皮肤的电子皮肤触觉传感器研究进展与关键技术;分析讨论了电子皮肤触觉传感器的工作原理、新型材料和结构、先进设计制作方法、触觉传感特性和性能指标等方面内容;重点总结了国内外近年来在电子皮肤阵列触觉传感器柔性化、弹性化、空间分辨率、灵敏度、快速响应、透明化、轻量化和多功能化等方面的研究进展.指出了电子皮肤触觉传感器的研究依然存在着难以兼顾高柔性和高弹性、高灵敏度电子皮肤设计制作工艺复杂,可扩展性差和成本高等技术难题.电子皮肤触觉传感器可广泛应用于机器人、医疗健康、航空航天、军事、智能制造和汽车安全等领域,正朝着高柔弹性、宽量程的高灵敏度、多功能、自愈合与自清洁、自供电与透明化等方向发展.


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Vol. 49 No. 1  
Jan. 2017  
49  
1
2 0 1 7  
1
JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY  
j.issn.  
DOI: 10.11918/  
0367-6234.2017.01.001  
电子皮肤触觉传感器研究进展与发展趋势  
12  
13  
1
4
1
1
, , , ,  
缪存孝 尹海斌 李维奇 夏 飞  
曹建国  
周建辉  
( 1.  
北京科技大学 机械工程学院 北京  
100083; 2.  
加州大学圣地亚哥分校 雅各布斯工学院 圣地亚哥  
92093;  
3.  
华北理工大学 迁安学院 河北 唐山  
064400; 4. 430070)  
武汉理工大学 机电工程学院 武汉  
: ,  
从介绍皮肤的触觉感性能出发 全面综述了国际上科领域模拟皮肤的电子皮肤触觉传感器研究进展  
; 、 、 、  
键技术 分析讨论了电子皮肤触觉传感器的工作原理 新型料和进设计制方法 触觉传感性能标等  
; 、 、 、 、 、 、  
点总结了国内外来在电子皮肤阵列触觉传感器率 灵敏度 透明轻  
、  
化和多功化等方的研究进展 电子皮肤触觉传感器的研究依然存在难以兼顾灵敏度电子  
、 、  
皮肤设计制展性和成技术难题 电子皮肤触觉传感器可广泛应用机器人 医疗健康 航空航天  
、 、 、 、  
军事 智能制领域 柔弹宽量灵敏度 多功自愈自清洁 自供电与透明化等方向  
发展  
关键词 电子皮肤 传感器 柔弹性 触觉 仿机器人  
: TP212 : A : 0367 6234( 2017) 01 0001 13  
文章编号  
:
;
;
;
;
中图分类号  
文献标志码  
Research progress and development strategy on tactile sensors for e-skin  
12  
13  
1
4
1
1
CAO Jianguo ZHOU Jianhui MIAO Cunxiao YIN Haibin LI Weiqi XIA Fei  
( 1. School of Mechanical EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing 100083China;  
2.Jacobs School of EngineeringUniversity of California-San DiegoSan Diego 92093USA;  
3.Qianan CollegeNorth China University of Science and TechnologyTangshan 064400HebeiChina;  
4.School of Mechanical and Electrical EngineeringWuhan University of TechnologyWuhan 430070China)  
Abstract: Starting from the tactile sensing performance of human skinthe progress and key technologies of tactile  
sensors for e-skin ( electronic skin) akin to human skin by multidisciplinary fields are comprehensively reviewed.  
The sensing principlenew materials and structuresadvanced design and making methodssensing characteristics  
and performance of tactile sensors are analyzed. The recent domestic and foreign research advances of electronic  
skin tactile sensor array in flexibilityelasticityspatial resolutionsensitivityfast responsetransparency,  
lightweightmultifunction and other aspects are summarized. It is difficult to achieve the tactile sensors for e-skin  
with high stretchable and flexibleless complex production process for high sensitivity e-skinstrong extensibility  
and low cost. The tactile sensors for e-skin can be widely used in roboticsmedical healthaeronautics and space  
militaryintelligent manufacturingautomotive security and other fields. The development of tactile sensors for e-  
skin toward the direction of high stretchable and flexiblehigh sensitivity in wide rangemultifunctionself-healing  
and self-cleaningself-powered and transparenthas been pointed out.  
Keywords: e-skin; sensor; stretchable and flexible; tactile; bionic robot  
“ 、 ,  
随着信息化 工业化不断融合 以机器人科技  
和可穿戴设备等载体的智能和多功能受到了  
,  
为代表的智能产蓬勃兴起 人们待未来能够  
, ,  
学科研究人员的度重视 符未来发展需求 近  
1 2]  
发出与人和物更接近的仿人仿生机器人  
Science》  
受到 等际著名科学期刊的持续广泛  
当前 器人术的发展特点和趋势是智能化以及  
积极评价 成为当研究问  
3]  
4 7]  
人与器人的交互共融  
传感器术是器人智  
Tactile  
之一  
的 先 决 条 件 子 皮 肤 触 觉 传 感 器  
触觉是器人等实现环境直接作媒  
4]  
Sensor for E Skin  
作为非常重要的可穿戴设备之  
, ,  
触觉身有很强感能可直接测量对象和  
、 、  
一 直接关系到下一代器人 医疗设备 人体假肢  
环境的多种性质 触觉传感器的研究从严格工业  
,  
领域到与人 社会接触等多领域 根据传感器的  
- -  
: 2016 03 02  
收稿日期  
: ( 201308110343) ;  
基金项目 国家留学基金委公派高级研究学者项目  
,  
软 硬包覆层覆盖应用范围 触觉传感器常可分  
- -  
( FRF BR 15 038A)  
中央高校基本科研业务费专项  
8]  
3
:
1
( Hard skins)  
硬质皮肤 触觉传感  
:
作者简介 曹建国  
( 1971—) ,  
, ,  
教授 博士生导师  
:
通信作者 曹建国  
geocao@ ustb.edu.cn  
/ 、 、  
有力 力矩传感器 力敏传感器 度  
·2·  
49  
417]  
变形传感器等 这类硬质皮肤包含触  
人的触觉通过  
触觉的感为重要  
觉传感器 通过多传感器的均值提供比单一传感  
4
分布皮肤度的机械刺激感受器的  
23 25]  
器更测量辨率 如西班牙泰罗尼亚技大  
(
1( a) )  
:
皮肤中  
触觉感受器 见图  
体和皮肤环层应  
3 ~ 40 Hz  
知  
工业机器人 手臂上装这种有触觉传感器的  
硬质皮肤可检测碰撞 测量接触和接触位置  
感受器 前应  
动态范围窄  
9]  
10]  
;
界刺激 实现频振检测制  
哈尔滨工业大学蔡鹤皋院士在弧器  
+
3 ,  
上应用触觉系检测 个方向成  
;
等感觉功能 应  
40 500 Hz  
动态  
;
三维 空 间 焊 缝 自 我 示 早 稻 田 大 学 的  
范围界刺激 实现频振具使等感  
52 DoF  
WENDY  
6
手臂上力  
/
; ,  
觉功能 与之的是 分布表皮底细胞之  
仿人器人  
( 6 ) ,  
力矩传感器 个手臂 个 力敏传感器 可  
的一具短指起的默克细胞内  
、  
接触状态位置 及接触小 方向和持  
长梭鲁菲慢适感受器 前可  
11]  
时间 并同时测量接触  
0.43.0 Hz 、  
动态范围空间变形 持  
但空间辨率  
慢响应  
2
受到限制 于  
100 mm .  
2
,  
续的边缘甚尖角界刺激 实现模  
是近年国上  
8]  
( Soft Skins)  
/ ;  
检测等感觉功能 慢响应  
重点肤  
( Artificial Skin)  
肤  
+
( Electronic Skin)  
100500 Hz  
动态范围的持续下的力  
子皮肤  
触觉传  
412 22]  
412 15]  
皮肤拉伸和皮肤界刺激 实现手位  
感器  
子皮肤触觉传感器  
被定义为  
(
能够通过接触表物体的性质 貌  
、 、  
动方向等感觉功能  
) ( )  
或数接触量 力 度等 的设备或  
1234  
,  
子皮肤触觉传感器 新型可穿戴仿生  
“ ” ,  
触觉传感器 是皮肤 子设备 因而习  
!"  
564  
18 19]  
( Sensitive  
被称子皮肤  
感皮肤  
()*+  
MNO#$  
Skin) 、  
智 能 皮 肤  
( Smart Skin) ( Bionic  
仿 皮 肤  
#$"  
!"#$  
413 19]  
Skin)  
子皮肤触觉传感器被排列成  
%&’#$  
%!"  
,-./0  
阵组阵列触觉传感器 子皮肤阵列触觉传感  
)#!,  
&(789:;)(<=>?@  
&-(EFGCHIJKL  
)*+,  
器的空间近人皮肤  
ABCD  
由于子皮肤触觉传感器可覆盖器人 医疗设  
1
人体皮肤  
备与人体假肢等复杂三维载体表面 并准确知  
Fig.1 Human skin  
、 、  
围环境信息 机械 电器和医学  
皮肤非常直人们往往易忽其复  
. 3  
领域研究点之一 接触触觉传  
、 、  
性 如皮肤默克细胞 迈鲁菲小  
, ,  
感器 检测器人状态 而检测被  
4
体和环层体等 触觉感受器的空间辨率别  
+
+
测对象外部信息 面没任何覆盖和  
0.53.04.07.0  
10.0 mm,  
人体触觉  
/ ,  
皮肤保护 工业机器人手臂力矩传感器 在  
感受器分布差异比如成人的指尖掌  
2
非人交互领域如工业结构环境已完善应用多  
241  
58 cm ,  
触觉感受器 使得人体  
分布了  
, ,  
处就是可的触觉信息如  
、  
空间辨率差异显指尖 面部脚趾  
8]  
空间辨率低且接触位置确定  
为了覆  
,  
等到腿 腹空间辨率比  
器人等复杂三维活动的关节部电  
1 mm  
指尖空间辨率接近  
于  
通过理  
24]  
26]  
子皮肤阵列触觉传感器须具高  
30 mm  
Cody  
曼彻大学 等  
等发国家投入大  
:
理学现 手腕背空间辨率高  
4 9]  
的人与物研究的重点与点  
和前肢体线空  
子皮肤触觉传感器发需要学科识  
辨率这种可能来自于触觉感觉  
、 、 、 、  
器人 医疗健康 航航天 军事 智能制  
;
射神经元的感受美  
27]  
造 汽车的触等多领  
Bensmaa  
1 ~ 8 mm  
约翰霍普金斯大学  
通过  
需求 有广泛应用景  
5 ~ 80 Hz  
空间辨率和 的率变物体的  
光栅试验空间辨率随着触  
1
皮肤与触觉感性能  
,  
觉的方面 触  
、 、  
皮肤能感触觉 觉等多感觉  
700 Hz  
时间  
动态检测到  

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