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浙江大学赵朋教授团队《ACS Nano》: 无线超分辨率大面积柔性触觉磁传感器
2022-11-03  来源:高分子科技

  触觉感知是人类的基本生存技能之一,随着目前机器人时代的快速迭代更新,触觉传感器已经使用于多种领域,实现了在人机交互,柔性抓取等方面的出色表现。然而,无法实现超分辨率感知;无法在水中、封闭环境下感知;整体感知受限于传感器阵列及导线连接设计等问题。


  最近,浙江大学赵朋教授团队报道了一种无线超分辨率大面积柔性触觉磁传感器。通过机器学习算法和特殊磁排布实现的柔性大面积触觉磁感知部件,兼具超分辨率感知和无线传输功能,充分展示了该传感器在未来人机交互、仿人机器人触觉感知等方面的应用潜力。该工作以Wireless Flexible Magnetic Tactile Sensor with Super-Resolution in Large-Areas为题发表在《ACS Nano》上,浙江大学机械工程学院硕士生胡昊和博士后张承谦为共同第一作者。通讯作者为浙江大学机械工程学院赵朋教授。该工作得到国家自然科学基金、浙江省‘尖兵’“领雁”研发攻关计划资助以及国家博士后创新人才计划等项目的资助。


  该工作选择以柔性硅胶颗粒与磁粉颗粒相混合作为感知单元,具有良好的柔韧性,可与人体皮肤贴合(1a,b,c,d,e)。三维磁场霍尔传感器作为传感单元与感知单元分体式布置实现无线传输功能。特定的充磁与排布方法赋予柔性磁片特定的磁场分布,通过机器学习算法及克里金插值法,实现大面积超分辨率触觉感知(图1h)


1. 柔性磁触觉传感器的结构设计及工作原理


  该工作使用KNN聚类算法和克里金差值发实现了磁膜超分辨率位置感知识别(图2a,b,c)。通过特定的充磁方式,按压负载力与z方向磁场强度变化值呈现良好的线形关系,因此可以通过z方向的磁场变化值精确得到按压负载力的大小(图2f,g,h)。



2. 按压负载力的位置及力度感知


  该工作选择以柔性硅胶颗粒与磁粉颗粒相混合作为感知单元,具有良好的柔韧性,可与人体皮肤很好的贴合。文章展示了该传感器可以实现手掌、拳头和手腕等不同手部姿势的按压实时感知(图3c)。由于该传感器的感知单元和传感单元相分离的优势,该传感器可以应用于水下实时感知,也可未来应用于深海探测感知检测(图3d)。通过算法的优化提升,该传感器也可以实现在强磁环境下,外界干扰下进行实时感知,具有很强的环境适应性。


3. 磁传感器的柔性及强环境适应性展示


  为进一步探究该传感器的实际应用性能,通过使用不同的力度按压磁性传感器的不同位置,实现远程控制机械臂抓取指定物体放到指定位置(图4a,b,c,d)。将改柔性磁触觉传感器贴在仿人机器人的皮肤表面,实现实时感知按压力的位置及大小,控制8*8LED阵列的亮暗及机器人的虚拟表情变化(图4e,f,g)。


4. 实时远程操纵机械臂抓取物体展示及仿人机器人大面积触觉皮肤展示


  综上,该研究报道了一种无线超分辨率大面积柔性触觉磁传感器。通过机器学习算法和特殊磁排布实现的柔性大面积触觉磁感知部件,兼具超分辨率感知和无线传输功能,充分展示了该传感器在未来人机交互、仿人机器人触觉感知等方面的应用潜力。


  原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c08664

  课题组网站:https://person.zju.edu.cn/pengzhao

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(责任编辑:xu)
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