一種基于仿生復眼的高密度陣列曲面三維觸覺傳感器

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

圖1 仿生復眼

為了解決上述問題，本文在仿生復眼的啟發(fā)下，提出了一種基于光能分布法的復眼陣列式曲面光波導觸覺傳感器，該系統(tǒng)空間分辨力高、畸變小。采用曲面復眼能夠保證各個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換為平面圖像。觸覺傳感器主要包括曲面彈性敏感層，復眼陣列、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換為光能信息，接觸產(chǎn)生的泄露光通過復眼、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眼以及光纖光錐同球心，有利于觸覺傳感器的集成化。

當外界載荷施加在彈性敏感層上，彈性敏感層產(chǎn)生變形后與光波導外側產(chǎn)生接觸，由于接觸區(qū)域不滿足全內(nèi)反射條件，在光波導的內(nèi)側會產(chǎn)生泄露光，泄露光經(jīng)過復眼、光闌，最后用CCD接收。因為彈性敏感層的材料是硅膠，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 法向力和剪切力實驗

對彈性敏感層不同位置處進行法向力實驗，對標定實驗曲線進行三次多項式擬合，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行剪切力實驗，其剪切力角度范圍為[-10° 10°]。以頂點處的剪切力實驗為例，對標定曲線進行指數(shù)型擬合，剪切力的角度分別為-5°、5°時曲線的擬合系數(shù)均為1，角度為10°、10°時曲線的擬合系數(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，以普通按鈕開關為實驗樣品。觸覺感應裝置位于按鈕開關的上側，觸覺感應裝置逐漸按下，然后抬起，同時測量其力值。當壓縮位移為0.5mm、0.8mm和1.0mm時，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 機械手按開關力值測量

這種新型仿生復眼高空間靈敏度觸覺傳感器，對于需要力值測量的小型機器人是很有用的，這也為義肢設計提供了一種新的方法。這一研究成果發(fā)表在國際期刊光學快報上：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宋樂副教授，通訊作者為天津大學鄭葉龍副教授。該研究得到國家自然科學基金（52075384、51805367），天津市自然科學基金（18JCQNJC04800）的資助。

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