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斯坦福大学研发出能够模拟人手感知能力的电子皮肤

发布时间:2022-12-09 03:34   浏览次数:次   作者:欧宝app体育官网入口
本文摘要:据麦姆斯咨询讲解,研发与人手相媲美的的机器手所面对的多方面挑战依然是必须大量研究的课题。毋庸置疑,研究人员在拷贝人手诸多功能和特征,如某项或几项性能(捕捉和操控等)早已获得了一些进展。 然而,人手是多功能的融合,如骨骼结构、肌肉力量、几乎掌控的关节、压力/剪切力/运动/加速度/温度感官,等等,并在很明确的动态范围内享有这些属性。斯坦福大学(StanfordUniversity)研究人员正在进行的工作展出了在尝试获取与人体皮肤完全相同感官能力所面对的挑战和变革。

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据麦姆斯咨询讲解,研发与人手相媲美的的机器手所面对的多方面挑战依然是必须大量研究的课题。毋庸置疑,研究人员在拷贝人手诸多功能和特征,如某项或几项性能(捕捉和操控等)早已获得了一些进展。

然而,人手是多功能的融合,如骨骼结构、肌肉力量、几乎掌控的关节、压力/剪切力/运动/加速度/温度感官,等等,并在很明确的动态范围内享有这些属性。斯坦福大学(StanfordUniversity)研究人员正在进行的工作展出了在尝试获取与人体皮肤完全相同感官能力所面对的挑战和变革。由化学工程师鲍哲南(ZhenanBao)领导的团队研发目标是在手套的指尖映射“倒数”传感器。

传感器需要同时测量力的强度和方向,两个对系统因子对构建几乎掌控的灵活性至关重要,这是不必须经过有意识思维的人手所获取的伟业。在仔细观察这款手套之前,应当再行理解皮肤结构,它某种程度是一个灵活性、充满著神经的保护层。

外皮层布满传感器以检测压力、热量和其他刺激物;当然,手指和手掌上都是密集的触碰传感器。但是这堪称只是表层。表层之下是被称作棘层的皮肤内层,看上去像丘陵和山谷的凹凸不平的微观地带。

这些凸起(bump)是传感“机制”的最重要组成部分。两层皮肤紧密结合,以统合感官信号。

当手指认识皮肤表面时,皮肤外层不会移动到更加相似底层的棘层。严重的触感主要来自棘层的“山顶”,当产生更大的压力时,将外皮层跳入棘层的“山谷”,以引起更加反感的触感。虽然看上去非常非常简单,但是只是其中的一部分。

皮肤的凹凸层需要感官更加多,它说明了了压力的方向(剪切力)。当手指朝一个方向松开时,在微观山丘的另一侧不会产生反感的感官信号。

感官和评估剪切力大小的能力对构建保守有力的动作(例如在拇指和食指之间维持坚硬物体)而言至关重要。工程上的挑战就是指电学角度拷贝皮肤功能并研发出有多层手套。为了构建上述目标,研究团队使用了三层布局,由绝缘橡胶层隔开电活性顶层和底层。底层也有金字塔结构的小凸起,类似于皮肤;它们联合构成具备密集感觉测点阵列的二维网格。

纳米电容器的布局还包括映射聚氨酯(polyurethane,PU)的碳纳米管(carbon-nanotube,CNT)顶部和底部电极;它们可以测量和区分相反力(垂直表面)和切向(剪切)力(图1)。图1电子皮肤的生产和装配(A)—该装置由三层构成,通过层压装配:底部是厚度为1mm,具有山丘阵列的聚氨酯层(山丘直径1mm,高度20μm)(i);中间是厚度为10μm的介电层,作为顶部和顶部电极之间的间隔层(ii);顶部是厚度为60μm,具有金字塔阵列的聚氨酯层(iii)。

电极由喷涂和光刻构建图案化的导电碳纳米管做成,映射聚氨酯基质中(电极宽度300μm,两个电极之间的间距50μm)。制作电子皮肤的光学图像和山丘、电极上的特写视图(插画)(B)。

光学光学表明了碳纳米管-聚氨酯点对点用作LCR测试仪展开信号记录,以及顶部具备模制金字塔的电子皮肤层SEM图,表明了碳纳米管-聚氨酯和聚氨酯区域(插画)(C)。但是这些感觉测点并非非常简单的电容器。电子皮肤的顶层还包括模制的方形金字塔网格,当产生外力时,金字塔不会再次发生弹性变形。

电子皮肤的底部用于二维阵列模制山丘以仿效人体皮肤中的棘层;这些对于测量和区分产生力的方向是必不可少的。每个山丘对应25个电容器,每个电容器大小为90,000μm2,山顶有1个电容器,斜坡有4个电容器,四个角落各有1个电容器,山丘周围有16个电容器(图2)。图2环绕山丘的有所不同电容器(像素)方位示意图,其中1个坐落于山顶,4个坐落于斜坡,4个坐落于角落,16个坐落于山丘周围。

坐落于山丘一侧并忍受较小压力的电容器电容增长幅度小于与产生力方向忽略的一侧(分别为相反力、剪切力和弯曲力)(图3)。环绕山丘的电容图获取了区分几种有所不同类型的产生力的能力,分开的单个像素则无法获取上述信息。图3测量仿生电子皮肤的号召特性;以一个山丘为中心的5×5电容器传感器阵列的特点在于通过产生相反力(a)、产生剪切力(b)和产生弯曲力(c)来测量压力号召曲线。每个色带对应5%的ΔC/Cmin变化,与没产生和产生过压力的电容相符。

该团队通过仿真研究了电子皮肤参数,以最大限度提升其灵敏度、信噪比(SNR)和时间号召权衡。他们用于了多种金字塔尺寸(宽度为10、20、30、40、50μm)和隔开距离(比例b/a=0.4、0.8、1.2、1.6、2和4,其中a+b是两个金字塔中心之间的距离)。将手套摆放在实体模型柔性手上,将它接上加装在KUKAIIWA机器人臂的雄克(Schunk)WSG50夹具上以获取驱动。

算法利用对系统电路中的感测读数来指导戴着手套的机器手柔和触碰浆果或像人手一样高举并移动一个乒乓球。这是通过用于传感器来命令剪切力,并掌控戴着手套的手以根据人体功能市场需求去调整其动作而构建的(图4)。图4传感器充足灵活性,可以在不碎裂一颗蓝莓的情况下,让手指捡起并逃跑。

人体皮肤的基础知识,以及电子皮肤的设计、材料、制作和应用于的全部细节都公开发表在《ScienceRobotics》期刊上,一篇十分易读且内容丰富的论文中,论文题目为“Ahierarchicallypatterned,bioinspirede-skinabletodetectthedirectionofappliedpressureforrobotics”,还包括其补足信息。此项研究工作中的一部分获得了瑞士国家科学基金会(SwissNationalScienceFoundation)、欧洲委员会(theEuropeanCommission)、美国国家科学基金会(NationalScienceFoundation)和斯坦福纳米分享设施(StanfordNanoSharedFacilities)的反对。


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