柔性力敏传感器发展现状

集高灵敏度、高柔韧性和易集成特点的柔性力敏传感器在电子皮肤、可穿戴设备、生物医药和人工智能等领域得到了广泛的研究。笔者通过总结压阻式、电容式、压电式和摩擦电型压力传感器近年来的研究进展,归纳分析了不同新型材料所制成传感器的优势和缺陷。在全面介绍了最新的柔性力敏传感器发展后,讨论了当下柔性传感器所存在的问题以及潜在的发展前景:探索新的传感原理,挖掘新型复合材料,研发性能优异的新型柔性力敏传感材料和器件。传感器综合性能的提升将是未来发展的方向。

新型柔性三维力触觉传感器的设计与研究

对柔性三维力触觉传感器进行了研究和设计,详细分析了该器件的基本结构和材料选型,基于实验方式对器件的性能和功能进行了验证分析。根据验证的结果可知,该传感器具备了较高的灵敏度,其中,在x,y轴上可以达到1.8 V/N,而在z轴内则为3.1 V/N,验证该传感器的性能良好。在灵巧手中集成设计的传感器,进一步进行实验验证,结果表明:可以实现对水杯的自适应抓取控制,验证了该传感器的性能,可用于工业机器人设计等领域中。

一种阻容串联式柔性力传感器

本文研制了一种柔性电容电阻串联式力传感器,用来实现提高柔性力传感器测量精确度和增大测量灵敏度的目的。该传感器利用电容电阻串联电路特点,提出了一种双电容串联电阻的传感器结构方案。传感器两侧为电容结构,两电容之间是一导电橡胶弹性层,电学上起电阻的作用。相当于两电容之间串联一个电阻,外力作用时导电橡胶电阻的变化与两电容的变化共同构成最终输出电容值的变化。理论和实验都证明该方法有助于提高传感器的测量灵敏度。通过一系列实验测试了传感器的输出特性,实验结果证明传感器输出电容平均灵敏度由未串联导电橡胶时的0.03pf/N提高到串联后的0.55pf/N。此外,相较于直接测量电阻变化,测量电容输出的相对误差更小,输出信号稳定时间缩短。

一种基于柔性力敏传感器的人数统计系统

针对复杂环境下公共场所出入口的人数统计需求,避免因光照变化、遮挡、运动模糊及复杂背景等对统计精度造成的影响,提出一种基于柔性力敏传感器的人数统计系统。该系统实时获取公共场所出入口处的行人在传感器区域留下的压力足印,并通过网络通信模块将足底压力数据传递给上位机进行数据处理与分析,经过数据去噪、图像分割和特征提取等步骤得到目标脚印及其特征参数,再运用特征匹配和运动轨迹规划算法进行人数统计。实验结果表明,该系统不仅工作稳定,具有较好的鲁棒性以及较快的响应速度,而且在不同测试场景中均可获得较高的统计准确率,特定场景下最高可达98%。

基于柔性力敏传感器的左右脚动态识别方法

在利用柔性力敏传感器获取动态足底压力分布数据时,能够准确快速自动区分左右脚的数据将极大提升数据的可视性和分析的便利性。为此,提出了一种基于足底压力和脚印外观形状的左右脚动态识别方法。首先,基于足底动力学原理,利用连通域的图像分割算法对足底压力数据进行聚类分析,得到每一步压力脚印的时间和坐标范围;在此基础上进一步分离出完整的单步压力数据;最后利用单步压力数据刻画脚印轮廓,并根据轮廓的外观特征进行左右脚识别。本文提出的方法可应用于步态分析、临床辅助诊断、步态识别等领域。通过108个实测数据样本的测试表明:本文方法的识别率高达94.5%,并具有较好的鲁棒性。

MXenes在柔性力敏传感器中的应用研究进展

随着可穿戴柔性电子技术的发展,高灵敏度和宽感应范围的柔性力敏传感器的需求量逐渐增大,如何选择兼具高导电性和良好柔性的材料作为传感器的敏感材料是获得高性能传感器的关键。近年来,MXene材料因其导电性好、柔韧性高、亲水性好以及合成可控等优点成为一种极具潜力的导电敏感材料。本文就MXene基柔性力敏传感器的类型、敏感材料的微结构设计方式、传感性能及传感机理等方面的研究进展进行了阐述和总结。

一种柔性三维力触觉传感器阵列的实现方法

介绍了一种可安装在曲面上,对三维力进行检测的柔性三维力触觉传感器阵列的实现方法.首先采用MEMS技术制备三维力触觉传感器阵列,再将多个三维力触觉传感器单元分别通过倒装焊技术集成在已加工好的柔性电路板基底上,实现了传感器与信号处理电路的互连和传感器阵列(4×4)的柔性化.采用信号选通的多路信号采集方法简化了传感器阵列的信号处理电路.测试结果表明,柔性触觉传感器阵列可弯曲变形90°以上,检测三维力的分辨率达到0.1 N.

基于柔性力敏传感器的便携式坐姿监测与提醒系统

读写坐姿长时间不规范将对青少年身体健康、学习效率产生不利影响.本文基于柔性力敏传感器,设计了一套新型的便携式读写坐姿实时监测及智能提醒系统.该系统根据生物力学、人体工程学规律,通过铺设于座椅上40 cm×40 cm的柔性力敏传感器,采集坐立时臀部压力分布数据。首先对原始数据进行预处理,再通过所提出的坐姿动作识别与分析算法对坐姿状态进行识别,实时分析坐姿情况,最后结合环境的温度、湿度、光强参数,给出预警方案.同时,在手机APP客户端实时显示并且存储监测期间坐姿及环境变化情况.该系统设计简单、交互性强,借助手机和压力垫的便携性,方便用户达到实时预警和分析的效果,帮助青少年纠正不良坐姿.

阵列式柔性力敏传感器的平衡校准标定方法

阵列式柔性力敏传感器在国家安全、医疗健康、工业制造、人机交互等领域发挥着重要作用,但由于材料和制备工艺等因素,传感器存在误差。针对阵列式柔性力敏传感器的一致性问题和反馈值补偿问题,分析其产生的原因,提出并设计了气压型一体化标定台和相应的平衡校准标定方法。标定台使用气泵作为压力源,通过硅胶膜将压力传导至传感器;平衡校准标定方法首先使用基于Q值检验的离群值处理方法对传感器各敏感点进行平衡,然后引入LMBP算法进行校准。实验表明:R^(2)大于0.997,误差小于2.7%F.S,该标定方法实时性和准确性高,操作简单,具有很好的实用性。

一种基于微气囊结构的柔性三维力传感器的设计

提出了一种基于微气囊结构的柔性三维力传感器,该传感器基于硅橡胶材料设计了一种柔性传力柱结构,其底部均匀分布5个微气囊,通过测量这些微气囊气压值的变化来实现三维力的检测。利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件建立了该传感器的仿真模型,分析了传感器在受力后微气囊气压变化情况,并采用BP神经网络算法进行三维力解耦,结果表明该传感器能较好地完成三维力的检测。

用于人机交互的柔性三维力触觉传感器

研制了一种应用于人机交互的柔性三维力触觉传感器,将其与仿人灵巧手集成,具有仿人灵巧手实时感知法向力与切向力的能力。该传感器采用了碳纳米管和聚二甲基硅氧烷的纳米复合物作为敏感材料,具有2×2的传感单元,每个单元具有双敏感层堆叠结构。三维力解耦实验结果表明,基于上下敏感层的压阻效应,传感器具有较高的灵敏度,x轴和y轴方向灵敏度在0~0.4 N内均为1.8 V/N,z轴灵敏度在0~3 N内为3.1 V/N。将传感器安装集成在仿人灵巧手的手指上,成功实现了仿人灵巧手的稳定抓握、自适应抓取和传递水瓶,保证了仿人灵巧手在人机交互控制上的安全性。

柔性三维力传感器的研究进展

随着人工智能技术的迅速发展,柔性三维力传感器在智能机器人、医疗、可穿戴电子设备等领域具有重要的应用价值。近十年来,大量的科研人员对柔性三维力传感器展开了研究,并取得了巨大的进展。本文首先从柔性三维力传感器的基本原理展开论述,接着综述了近年来柔性三维力传感器在结构、材料、解耦方法、三维力加载试验平台及应用等方面的研究进展。最后,展望了柔性三维力传感器未来的重点研究方向。

基于多传感器集成的仿人机器人足部感知系统

足部是仿人机器人本体支撑的基础,也是唯一与地面接触并发生相互作用的主要部件,其各种地面信息获取能力是机器人实现仿人的自然性稳定行走控制的关键。基于六维力传感器、惯量测量单元和柔性触觉阵列传感器,设计了一种新型仿人机器人集成化足部感知系统(IPFS),具备对各种地面环境识别和足部姿态获取、足底与外界接触位置的实时感知和估计、有效支撑区域、地面反力以及姿态等信息的感知能力。实机实验结果表明足部感知系统较好地满足仿人机器人理论化和实用化需求,为促进仿人机器人理论研究、控制技术、仿生步态规划及其体系结构的创新提供了实验研究平台。

柔性三维力传感器的研究进展

柔性传感器作为柔性可穿戴电子设备的关键组成部分,在健康监测、人机交互和智能机器人等新兴领域广泛应用而备受关注。传统的单一检测法向压力的柔性传感器无法满足复杂和先进智能系统中的使用需求,而柔性三维力传感器因其独特的多角度和全方位力学检测能力,逐渐成为研究的热点。为实现高性能柔性三维力传感器的研制目标,需要综合协调考虑传感机制、结构、材料和解耦方法等多种因素。近年来,许多学者致力于设计和制备高性能柔性三维力传感器,包括结构设计和新型材料的开发、数据处理和机器学习算法的改进,多方面的创新推动着其进一步发展。本文旨在概述柔性三维力传感器的研究进展,首先详细介绍了柔性三维力传感器各种形式的传感机理,并分析比较了各自的特点和优势;然后系统总结了柔性三维力传感器在结构设计、材料、解耦方法等方面的研究进展及相互影响,以及在智能机械臂、运动姿态检测、人机交互和无线健康监测等领域的应用;最后分析了柔性三维力传感器当前所面临的挑战,并对其未来发展进行了展望。

基于柔性力敏传感技术的新型人机交互方法及应用

人机交互领域一直都是研究的热点,为了实现下肢与计算机的交互功能,提出了一种基于柔性力敏传感技术的新型人机交互系统。首先利用柔性力敏传感器获取足底压力信息,然后采用了基于数据驱动的方法进行足迹跟踪,建立帧间向量实现对下肢动作的识别,该方法具有较好的识别率和响应速度,能够满足下肢与计算机交互的系统性能要求。最终,基于Unity3D综合型游戏开发工具,开发设计了一款步态交互游戏,通过下肢操作进行互动游戏,验证了该系统的可行性;同时邀请20名用户进行用户调查,调查结果显示系统能较好地实现用户下肢交互的游戏同步,并且用户对系统整体给予了积极评价。

冷冻限域聚合构建PHEMA/MMT/PVA复合水凝胶及力敏传感性能研究

基于高强韧材料基传感器的发展需求,构建特殊的导电路径以提高材料的灵敏度被认为具有很大的研究价值。通过冷冻铸造辅助聚合诱导相分离的新策略,得到了具有聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA)纳米球镶嵌的蒙脱土(MMT)/聚乙烯醇(PVA)双重取向结构的复合水凝胶。制备的水凝胶具有高机械强度(1.9 MPa)和高断裂韧性(2.3 MJ·m^(-3)),同时也拥有良好的耐压缩循环性能(100圈)。构建出的球镶嵌片层结构能够有效调控形变条件下水凝胶材料的离子导电路径,在应变过程中表现出优异的灵敏度(40%应变以下,GF为1.7;40%~100%之间,GF为2.28),超快的响应速度(120 ms),极短的弛豫时间(120 ms)和极低的检测极限(1%),并且能够监测细微变化,如吞咽、书写等,有望用于对人体生理信号和关节运动的全面监测。

复杂环境下仿人机器人有效支撑区域的感知

当前主流的仿人机器人都采用ZMP(zero moment point)理论作为稳定行走的判据。实时ZMP点落在支撑足与地面接触形成的多边形支撑区域内是仿人机器人实现稳定步行的必要条件。因此实现仿人机器人在复杂现实环境中稳定行走,必须要求机器人足部感知系统提供足够丰富的地面环境信息,从而可以准确获取支撑区域的形状以实现基于实时ZMP点的稳定控制。文中将柔性阵列力传感器应用于仿人机器人足部感知系统,提出了获取仿人机器人支撑区域形状的方法,而且通过实验验证了其可行性。