基于仿生微结构的触觉感知方式的研究

论文摘要

触觉作为人类重要的感觉之一,在我们日常生活中扮演着不可替代的作用。同样,对于机器人来说,触觉具有着视觉、听觉等无法替代重要感知功能。常见的触觉感知方式按照工作原理分类有电阻式、电容式、光电式等等,基于这些感知方式的触觉传感器在不同的场景下具有各自不同的特点与优势。本课题围绕仿生柔性触觉感知这个问题,从自然界的仿生微结构中获得灵感,对基于仿生微结构的柔性触觉感知方式进行了详细的论证、设计、测试及理论研究。本文主要研究内容与成果如下:1、基于仿生表面微结构的触觉感知方式的设计与制作工艺研究。从自然界广泛存在的微结构为出发点,研究生物表面结构色的形成机理;探索在弹性硅胶材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面制作微结构,并且形成可见光结构色的工艺;分别从理论模型与仿真角度对弹性材料表面结构色受到外部接触力的变化进行分析;基于弹性材料表面的结构色变化特点,讨论了其作为触觉感知的信号来源的可行性与稳定性,设计并且制作一款机器人触觉感知模块。2、仿生触觉感知方式的信息采集与处理方法研究。对基于仿生微结构的机器人感知方式的信号特征进行了详细地分析,数据处理主要基于图像处理和深度学习两种方式;基于图像处理的方法,对单点的接触位置进行检测,对连续的位置进行跟踪;基于深度学习的方法,首先,通过大量的对触觉图像信号的采集与标记,制作了深度学习网络所需的训练样本;其次,基于ResNet深度残差网络学习框架,对感知模块的图像信号进行学习;最后,利用学习所获得的的模型对测试样本进行触觉的感知和预测。3、基于仿生微结构触觉感知方式的误差分析。对仿生微结构触觉感知模块的标定方法进行了研究,针对触觉感知模块的结构特点与信号生成原理,设计了标定平台;讨论了在离散位置的标定后,对于连续任意位置的位置感知插值计算方法;分析了插值计算方法的误差及其误差产生的原因。利用本触觉感知方式,研究对于具有微小外形结构、复杂紧凑结构、光滑弧面结构外形的不同的感知方式,并且对这些方法的应用场景及误差进行了初步分析。4、基于仿生微结构的触觉感知模块的集成化设计与测试。研究在基于原理样机的基础上,研究触觉感知模块的小型化与集成化设计;首先,针对小型化模块的结构方案,重新设计了具有表面微结构的弹性薄膜的结构尺寸,改进了浇筑模具及制作工艺,研究了通用化的标定方法;其次,基于深度学习模型,测量小型化的触觉感知模块的精度;最后,对于小型化的触觉感知的误差进行分析,分析结果与原理性样机进行对比和讨论。此外,为了研究了本课题设计的触觉感知方式的实用性,将感知模块集成到UR-5双臂机器人操作手末端,进行了触觉感知的可行性和稳定性测试;研究了基于欧拉视频信号放大技术的微小接触力信号提取方法,从触觉感知模块的图像信号中获得了接触状态的微小变化值。最后,在本文的研究基础上,对基于表面仿生微结构的触觉感知方式前景和未来的研究方向做了进一步的展望,提出了进一步挖掘和研究该类型触觉感知方式的方向、应用领域。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 仿生微结构的研究现状
•     1.2.1 仿生微结构的研究概述
•     1.2.2 仿生粘附结构研究
•     1.2.3 仿生浸润结构研究
•     1.2.4 仿生结构色的研究
•   1.3 触觉感知技术的研究进展
•     1.3.1 触觉感知传感的概述
•     1.3.2 触觉感知系统的研究现状
•   1.4 仿生微结构对触觉感知模块设计的启发
•   1.5 论文研究内容与组织结构
•     1.5.1 论文研究内容
•     1.5.2 论文组织结构
• 第2章 仿生触觉感知模块的设计与制作工艺
•   2.1 引言
•   2.2 仿生触觉感知模块表面微结构的设计原理
•     2.2.1 仿生触觉感知模块表面微结构的仿生学启发
•     2.2.2 仿生触觉感知模块薄膜表面微结构的设计
•     2.2.3 仿生触觉感知模块的光学原理
•     2.2.4 基于comsol的仿生触觉感知模块弹性薄膜光学仿真
•   2.3 仿生触觉感知模块的结构设计与制作工艺
•     2.3.1 仿生触觉感知模块薄膜表面微结构的浇筑工艺
•     2.3.2 仿生触觉感知模块的结构设计
•   2.4 本章小结
• 第3章 仿生触觉感知模块的信息采集与处理方法
•   3.1 引言
•   3.2 表面特征分析
•     3.2.1 单点接触特征
•     3.2.2 多点位置信息分析
•   3.3 基于图像处理的特征提取
•     3.3.1 基于极大稳定区域检测微小接触位置估计
•     3.3.2 基于活动轮廓模型的单点检测跟踪
•   3.4 基于深度学习的力学感知
•     3.4.1 框架概述与学习流程
•     3.4.2 结果分析
•   3.5 本章小结
• 第4章 触觉感知模块的测量与误差分析
•   4.1 引言
•   4.2 仿生触觉感知模块的标定平台的设计
•     4.2.1 标定平台的设计
•     4.2.2 标定平台的控制方法
•   4.3 仿生触觉感知模块的测量方法
•     4.3.1 压力传感器的标定
•     4.3.2 触觉感知模块的标定
•     4.3.3 插值处理方法
•   4.4 误差分析
•     4.4.1 插值误差
•     4.4.2 其它误差
•   4.5 信号测量
•     4.5.1 单点信号测量
•     4.5.2 微小结构的测量与感知
•   4.6 本章小结
• 第5章 仿生触觉感知模块的集成化设计与测试
•   5.1 引言
•   5.2 仿生触觉感知模块的小型化设计
•     5.2.1 小型化结构设计
•     5.2.2 小型化设计标定方法
•     5.2.3 基于深度学习的感知精度
•     5.2.4 光源对小型化设计的影响
•   5.3 基于UR5双臂机器人的触觉感知实验
•     5.3.1 实验方法
•     5.3.2 实验效果
•   5.4 基于EVM线性放大的微振动感知
•     5.4.1 实验目的
•     5.4.2 EVM放大原理
•     5.4.3 实验方法
•     5.4.4 测试效果
•   5.5 本章小结
• 第6章 总结与期望
•   6.1 全文总结
•     6.1.1 论文的主要研究成果
•     6.1.2 论文的主要创新点
•   6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 朱胤

导师: 郑津津,董二宝

关键词: 仿生微结构,触觉传感器,机器人,结构色,视触融合

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 生物学,自动化技术

单位: 中国科学技术大学

分类号: Q811;TP242.61

DOI: 10.27517/d.cnki.gzkju.2019.000051

总页数: 129

文件大小: 14910K

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