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[原创] 智能触觉传感器

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查看: 2010|回复: 0
发表于 2017-4-29 09:55:10 | 显示全部楼层 |阅读模式

智能机器人已经有足够丰富研究环境创建科幻电影中的一些情景。按照预定计划下一代机器人和传统的工业机器人不一样,它们在智能家居设计、外太空探索、和先进的医疗程序中可以自主设计,它们依靠各种各样的传感器可以感觉和分析环境。一个智能触觉传感器就像一个人的手一样至关重要,因为它不仅读取如位置、温度和形状等物理特征也可以通过感觉硬度、力和压力操纵各种物体。传统的触觉传感器可以分为以下几类:电容性的,压电的,抗压力的,光学的。但是有一个主要的问题,在设计这种智能传感器时需要能源供应,因为在一些极端的环境中比如偏远地区,未知的世界,充电或更换传感器电池并不方便,甚至不足以保证完成应用功能传感器所需的能量。

摩擦电传感器是基于摩擦生电和在固有功率模式下模式设计检测微小压力或运动。由于高灵敏度,质轻,快速响应和较低的检出限等优点,过去的几年里在设计和集成测试中已经迈出了一大步。然而,由于解耦干扰信号仍存在困难,复杂信息的同时检测尚未实现,因此想要构建一种用于人工电子皮肤的灵活性高、低成本、灵敏的传感器仍是一个巨大的挑战。

最近,中科院北京纳米能源与系统研究所和北京科技大学的曹霞教授、王宁副教授及乔治亚理工大学及中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士(共同通讯)在ACS Nano上发表题为“From Dual-Mode Triboelectric Nanogenerator to Smart Tactile Sensor: A Multiplexing Design”的文章。文章报道了一种以双模式摩擦电纳米发电机为基础的自供电的、智能的、集成触觉单元的智能触觉传感器。在一个小压力下(100Pa)获得六种典型材料的电流信号(≥0.4mA),这个传感器不仅可以检测微小的压力和力,还可以通过形状变化电流峰值感觉到触点材料的硬度,使其成为可能创造包含人造皮肤感觉和能力联系对象。

【图文导读】

图1. 智能触觉传感器示意图

2-1-2.png

a)设计的的应用示意图;

b)耦合智能触觉传感器工作原理示意图;

c)制备的智能触觉传感器图片;

d)Ag纳米线的SEM图片。

图2. 智能触觉传感器接触敏感装置机理及性能

3-1-2.png a) 智能触觉传感器接触敏感装置简化等效电路模型;

b) 在不同材料接触压力下大约100 Pa,智能触觉传感器输出电流的测试;

c)不同接触材料电流峰值形状;

d)不同材料的不同形状电流峰值的可能机理。

图3. 智能触觉传感器位置传感的原则和性能

4-1-2.png

a)位置传感的原则;

b)不同接触面积下电压分布的理论分析;

c)电极a与电极c在16个测试点下的电压比;

d) 电极b与电极d在16个测试点下的电压比;

e)测试位置和实际位置之间的比较。

图4. 智能触觉传感器的输出性能

5-1-2.png

a)智能触觉传感器的短路电流;

b) 智能触觉传感器的开路电压;

c) 智能触觉传感器的电位差和带隙距离的数值模拟;

d)输出电压和外加电压之间的关系。

图5. 智能触觉传感器在动态力传感下实际响应行为

6-1-1.png

a,c,e)动态力传感时间分别为0.4s,0.6s,0.8s;

b,d,f)通过分析测试智能触觉传感器的开路电压测量相应的动态曲线。

【小结】

智能触觉传感器是在耦合的双模式基础上发展起来的,在工作模式中,单电极单元担当着接触传感器和感应对象对应硬度的角色,而两电极单元则起到改变压力的作用。因此,这种互补式的设计可以使传感器从外物上同时获得复杂的信息。线型检测压力的范围可以从40N到140N,相关系数可达0.98,当动态力从0.4s变化到0.8s,压力从55N变化到38N时仍能显示出良好的动态压力响应。当嵌入一个单模式摩擦电纳米发电机基位置传感器时,智能触觉传感器的平面分辨率可达2mm。这些结果证实了智能触觉传感器的能力,可以同时感觉到和解释接触、硬度、位置和压力等复杂的信息,使它成为未来的智能机器人或其他智能设备器件的一个很不错的选择。


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