如果機(jī)械手擁有人手一樣靈敏的觸覺系統(tǒng)，那么機(jī)械手將義肢、精細(xì)操作以及電子皮膚方面有更重要應(yīng)用。但是，人的指尖觸覺感受器的密度非常高，達(dá)到140個(gè)/cm2，而現(xiàn)有觸覺傳感器的密度很低。為了提高三維觸覺傳感器的密度，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的宋樂、朱歡、鄭葉龍、趙美蓉、房豐洲，以及馬來亞大學(xué)的池德閣等人受到昆蟲復(fù)眼啟發(fā)，研制了一種基于仿生復(fù)眼的高密度陣列曲面三維觸覺傳感器，其密度可達(dá)42個(gè)/cm2。該觸覺傳感器可以檢測法向力和剪切力，該傳感器將為手術(shù)機(jī)器人的力測量提供技術(shù)依據(jù)。

圖1 仿生復(fù)眼

為了解決上述問題，本文在仿生復(fù)眼的啟發(fā)下，提出了一種基于光能分布法的復(fù)眼陣列式曲面光波導(dǎo)觸覺傳感器，該系統(tǒng)空間分辨力高、畸變小。采用曲面復(fù)眼能夠保證各個(gè)方位角的接觸力信息被均勻接收，采用光錐可以將曲面圖像無損轉(zhuǎn)換為平面圖像。觸覺傳感器主要包括曲面彈性敏感層，復(fù)眼陣列、光纖光錐、圖像傳感器以及光纖光源。彈性敏感層將三維觸覺力轉(zhuǎn)換為光能信息，接觸產(chǎn)生的泄露光通過復(fù)眼、光纖光錐，最后在圖像傳感器上成像。根據(jù)圖像傳感器上的光能分布得到三維觸覺力的作用方向和大小，利用光闌可以減少相鄰子眼之間的耦合誤差。該觸覺傳感器中的彈性敏感層和曲面復(fù)眼以及光纖光錐同球心，有利于觸覺傳感器的集成化。

當(dāng)外界載荷施加在彈性敏感層上，彈性敏感層產(chǎn)生變形后與光波導(dǎo)外側(cè)產(chǎn)生接觸，由于接觸區(qū)域不滿足全內(nèi)反射條件，在光波導(dǎo)的內(nèi)側(cè)會(huì)產(chǎn)生泄露光，泄露光經(jīng)過復(fù)眼、光闌，最后用CCD接收。因?yàn)閺椥悦舾袑拥牟牧鲜枪枘z，所以本文提出的三維觸覺力測量系統(tǒng)具有較高的靈活性，可通過更換不同硬度的彈性敏感層來適應(yīng)不同的力值測量范圍，所采用的彈性敏感層的硬度為邵氏A40，以及將圖像的灰度值作為法向力測量的特征參量，圖像的形心位移作為剪切力測量的特征參量。

圖2 法向力和剪切力實(shí)驗(yàn)

對彈性敏感層不同位置處進(jìn)行法向力實(shí)驗(yàn)，對標(biāo)定實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行三次多項(xiàng)式擬合，可以得到彈性敏感層不同位置處的曲線的擬合系數(shù)分別是0.9999，0.9999，0.9999，0.9992，0.9997，這也說明了彈性敏感層具有各向同性。在彈性敏感層的不同位置進(jìn)行剪切力實(shí)驗(yàn)，其剪切力角度范圍為[-10° 10°]。以頂點(diǎn)處的剪切力實(shí)驗(yàn)為例，對標(biāo)定曲線進(jìn)行指數(shù)型擬合，剪切力的角度分別為-5°、5°時(shí)曲線的擬合系數(shù)均為1，角度為10°、10°時(shí)曲線的擬合系數(shù)均為0.9999。這也就說明選用圖像灰度值和形心位移作為特征參量具有合理性和有效性。

為了演示觸覺傳感器，以普通按鈕開關(guān)為實(shí)驗(yàn)樣品。觸覺感應(yīng)裝置位于按鈕開關(guān)的上側(cè)，觸覺感應(yīng)裝置逐漸按下，然后抬起，同時(shí)測量其力值。當(dāng)壓縮位移為0.5mm、0.8mm和1.0mm時(shí)，記錄力值。力值為0.5mm、0.8mm、1mm分別為1.23890±000286、1.6494±0.000981和2.0958±0.000168N。

圖3 機(jī)械手按開關(guān)力值測量

這種新型仿生復(fù)眼高空間靈敏度觸覺傳感器，對于需要力值測量的小型機(jī)器人是很有用的，這也為義肢設(shè)計(jì)提供了一種新的方法。這一研究成果發(fā)表在國際期刊光學(xué)快報(bào)上：Le Song，Huan Zhu，Yelong Zheng，Meirong Zhao，Clarence Augustine TH Tee，and Fengzhou Fang， “Bionic Compound Eye-Inspired High Spatial and Sensitive Tactile Sensor，”IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT，70，7501708（2021）。本文第一作者為天津大學(xué)宋樂副教授，通訊作者為天津大學(xué)鄭葉龍副教授。該研究得到國家自然科學(xué)基金（52075384、51805367），天津市自然科學(xué)基金（18JCQNJC04800）的資助。

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