分布式柔性触觉传感阵列——设计、建模与检测应用

本书系统总结了作者课题组在分布式柔性触觉传感阵列的结构设计、力学建模、微制造工艺、测试技术及应用等方面的研究成果。全书共8章，第1章介绍了柔性触觉传感技术领域的发展历程、研究现状与发展趋势，提出了柔性触觉传感技术方面存在的若干问题和挑战；第24章详细阐述了电容式柔性触觉传感阵列的结构设计与力学解析建模方法；第5章结合内嵌微四棱锥台介电层的电容式柔性触觉传感阵列结构，介绍了触觉传感阵列的微制造工艺、性能测试及机器人手装载的抓取操作应用；第6章提出了基于导电橡胶的柔性触滑觉复合传感阵列的结构设计，以用于物体抓取过程中的滑移与触觉力检测；第7章和第8章建立了柔性触滑觉传感阵列的束状微梁滑移力学模型，分析了初始滑移和整体滑动阶段传感阵列与物体接触区域的力学特性，并开展了滑移检测与物体表面识别的应用研究。本书内容具有优选性、新颖性和实用性，对柔性触觉传感器设计与制造、传感检测技术等领域的科研和工程人员具有重要的参考价值，同时适合作为机械工程、电子信息、机器人、精密仪器等高等院校相关专业的研究生教材或参考书。

前言
第1章柔性触觉传感技术概论1
1.1引言1
1.2机器人触觉传感技术的发展现状4
1.2.1智能假肢的触觉感知功能的发展现状4
1.2.2机器人手触觉感知的发展现状6
1.3触觉传感方式的基本类型8
1.4柔性触觉传感器的建模分析与测试应用20
1.4.1柔性触觉传感器的建模分析20
1.4.2柔性触觉传感器的性能测试应用27
1.5柔性触觉传感技术的发展36
第2章电容式柔性触觉传感阵列的法向力检测力学建模39
2.1引言39
2.2电容式柔性触觉传感阵列的结构设计40
2.2.1电容式触觉传感器的材料选取40
2.2.2电容式触觉传感器的检测原理40
2.2.3电容式柔性触觉传感阵列的结构设计42
2.2.4电容式柔性触觉传感阵列的检测原理43
2.3电容式柔性触觉传感单元的力学解析建模43
2.3.1触觉传感单元的几何模型与边界条件43
2.3.2触觉传感单元的力学解析模型44
2.3.3触觉传感单元的变形计算与分析48
2.3.4触觉传感单元的电容值变化55
2.4电容式柔性触觉传感单元的分区域力学建模56
2.4.1触觉传感单元的分区域几何模型56
2.4.2触觉传感单元的分区域修正力学模型58
2.4.3触觉传感单元的分区域变形计算与分析67
2.5本章小结68
第3章电容式柔性触觉传感阵列的三维力检测力学建模70
3.1引言70
3.2基于微四棱锥台介电层的柔性触觉传感阵列设计71
3.2.1基于微四棱锥台介电层的柔性触觉传感阵列的结构设计71
3.2.2基于微四棱锥台介电层的柔性触觉传感器的检测原理72
3.2.3触觉传感单元的阵列化与外围引出电极配置方案设计73
3.3基于微四棱锥台介电层的柔性触觉传感阵列的三维力解耦75
3.3.1触觉传感单元的三维力解耦模型75
3.3.2触觉传感单元三维力测试76
3.4分布式柔性触觉传感阵列的力学解析建模81
3.4.1触觉传感单元的几何模型81
3.4.2触觉传感单元的力学解析模型83
3.4.3力学解析模型的求解方法89
3.4.4触觉传感单元的变形计算与分析90
3.5分布式柔性触觉传感阵列的结构参数优化91
3.5.1触觉传感单元的参数优化准则91
3.5.2触觉传感阵列微四棱锥台介电层的结构参数优化92
3.5.3触觉传感阵列表面凸起的结构参数优化95
3.5.4触觉传感阵列的三维接触力检测性能分析97
3.6本章小结99
第4章电容式柔性触觉传感阵列的曲面装载力学建模101
4.1引言101
4.2柔性触觉传感阵列的曲面装载几何模型102
4.3柔性触觉传感阵列的曲面装载力学建模104
4.3.1触觉传感单元的曲面装载力学解析模型104
4.3.2曲面装载力学解析模型的求解方法110
4.4曲面装载对触觉传感阵列检测性能的影响112
4.4.1触觉传感单元的变形计算与分析112
4.4.2触觉传感单元的电容变化规律113
4.5本章小结114
第5章电容式柔性触觉传感阵列的微制造工艺与性能测试115
5.1引言115
5.2柔性触觉传感阵列的分层制造与集成封装工艺设计116
5.3柔性触觉传感阵列的微制造工艺117
5.3.1柔性触觉传感阵列的电容极板微制造工艺117
5.3.2柔性触觉传感器微四棱锥台介电层微制造工艺122
5.3.3柔性触觉传感阵列表面凸起制造工艺130
5.3.4柔性触觉传感阵列的集成封装工艺131
5.4柔性触觉传感阵列的检测原理及性能测试实验133
5.4.1分布式柔性触觉传感阵列的检测原理133
5.4.2柔性触觉传感阵列的实验平台构建139
5.4.3柔性触觉传感阵列的平面装载下触觉力的检测性能测试142
5.4.4柔性触觉传感阵列的曲面装载下触觉力的检测性能测试146
5.5柔性触觉传感阵列的假肢手装载及抓取实验150
5.5.1柔性触觉传感阵列的假肢手装载150
5.5.2假肢手抓取物体过程中的触觉力检测实验150
5.6本章小结153
第6章基于导电橡胶的柔性触滑觉复合传感阵列155
6.1引言155
6.2柔性触滑觉复合传感阵列的结构设计及测试原理156
6.2.1柔性触滑觉复合传感阵列的结构设计156
6.2.2三维触觉力检测原理157
6.2.3滑移检测原理159
6.3柔性触滑觉复合传感阵列的微制造工艺162
6.3.1柔性触滑觉复合传感阵列的微制造工艺流程162
6.3.2柔性触觉传感阵列的样机制作163
6.4柔性触滑觉复合传感阵列的性能测试165
6.4.1触滑觉复合传感阵列的性能测试标定165
6.4.2机器人手穿戴的抓取测试169
6.5本章小结184
第7章柔性触觉传感阵列的滑移检测力学建模186
7.1引言186
7.2基于导电橡胶的柔性触觉传感阵列187
7.3柔性触觉传感阵列在初始滑移阶段的力学建模188
7.3.1基于梁束理论的柔性触觉传感单元的力学建模188
7.3.2柔性触觉传感单元力学模型的仿真分析及误差补偿196
7.4柔性触觉传感单元在整体滑动阶段的力学建模205
7.4.1基于分形理论的物体表面重建方法206
7.4.2基于W-M函数准三维扩展的表面重建213
7.4.3基于梁束模型的触觉传感单元在整体滑动阶段的力学建模214
7.5本章小结220
第8章柔性触觉传感阵列的滑移检测及物体表面识别应用221
8.1引言221
8.2基于柔性触觉传感阵列的滑移检测方法与实验221
8.2.1基于小波变换的滑移检测方法221
8.2.2基于柔性触觉传感阵列滑移检测的有限元仿真建模223
8.2.3柔性触觉传感阵列的制造及其滑移检测实验230
8.3基于柔性触觉传感阵列的物体表面识别方法与实验241
8.3.1面向规则纹理表面的信息提取方法242
8.3.2基于神经网络算法的表面材质分类方法249
8.4本章小结257
参考文献259
索引276