机器人可穿戴FBG人工皮肤感知机理及信息处理方法研究中文摘要

机器人人工皮肤可为当前人机协作中的安全问题提供一种全方位触觉感知解决方案。本课题拟研究FBG植入PDMS硅胶的人工皮肤力感知机理与信息处理方法，通过不同FBG串阵列、FBG测点、皮肤接触力等模拟，形成一种新的机器人力触觉传感器。研究内容：拟采用FBG传输矩阵方法、耦合模理论，结合光纤植入PDMS后的应变、温度传递机理，建立数学模型；采用ANSYS有限元、Optiwave等手段，进行局部点和整体面接触力数值模拟，优化人工皮肤的结构、尺寸、技术指标及静动态性能；研究FBG传感阵列的动态矩阵、插值逼近与神经网络理论识别的映射算法，搭建FBG解调的静、动态人工皮肤实验系统，进行力触觉各种测试和机器人臂上测试、数据波形分析与力谱云图映射，分析阵列化FBG反射谱信息、提取特征量；拟给出一套人工皮肤的结构设计与制备工艺方法，为低成本人工皮肤的制作奠定基础。

触觉是机器人实现与外部环境直接作用的必需媒介，通过人工皮肤阵列感受的触觉信息，智能机器人不仅可以可靠地抓取目标物体，还可以感知目标物体的轻重、材质、形状、一系列物理特征。研究具有柔性化、阵列化、多维力检测功能的人工皮肤触觉传感器，为提升机器人拟人化、智能化程度以及解决人机协作安全问题提供了新的方法。本课题针对具有前瞻性的机器人人工皮肤光纤光栅触觉感知方法进行研究： 首先，开展基于光纤光栅的人工皮感知机理与静动态性能仿真研究。分析硅胶外部受力、温度、变形对FBG的传递与感知效应，建立光栅温度、应变感知模型，得出硅胶内植入光纤后的感知机理与分析方法。Ansys仿真模拟3*3阵列传感节点间隔距离、栅区长度、弹性体厚度等传感器结构参数与传感阵列静动态性能关系，为后续结构优化奠定基础。 然后，对人工皮肤触觉传感单元的结构优化方法进行研究。设计了拱形桥、中间孔等多种微结构感知单元，提高了人工皮肤感知灵敏度。研究植入光栅节点的人工皮肤阵列形浇注工艺，制备可用于大面积、阵列化的光栅人工皮肤。 其次，研究光纤式阵列化感知数据解调与接触力信息反演方法。提出了基于三点定位和神经网络的接触力、位置反演算法与力谱云图交互现实方法，有效地提高了人工皮肤力触觉测量与感知精度。 最后，开展了可穿戴人工皮肤的接触面压滑觉、动态触觉感知研究。设计了一种指尖滑觉感知结构，提出一种光栅中心波长二阶导数识别算法，实现初始滑动识别。设计了一种光纤触须振动感知结构，研究光栅振动信号时频分析方法，实现接触纹理定性识别。为人工皮肤外部形状接触的定性识别和定量表征提供支持。 该课题资助发表的论文共20篇，其中SCI收录期刊12篇，EI收录20篇。与课题研究紧密相关的9篇，其中SCI/EI期刊收录7篇，EI会议论文2篇。

蒙皮应变监测是临近空间巨型柔性浮空器健康监测的重要组成部分，对临近空间浮空平台的安全运行起到预警作用，而国内外尚无成熟的在线监测方法。已有的蒙皮在线监测系统大多采用电阻应变片或者压电材料等电测法，在实际应用中还存在一定不足。本项目以临近空间巨型柔性浮空器蒙皮作为研究对象，通过表面粘贴式光纤布拉格光栅（FBG）传感技术，对蒙皮应变监测的理论方法进行研究。具体内容包括：建立粘贴式FBG普适结构应变传递理论模型；在普适模型的基础上分别建立蒙皮轴向大应变、平面应变及弯曲应变下粘贴式FBG应变传递理论模型；综合三种理论模型建立蒙皮组合应变下粘贴式FBG传感器应变传递理论模型；通过蒙皮应变监测试验验证所获得的应变传递理论模型。本项目旨在揭示用于蒙皮应变监测的粘贴式FBG应变传递机制，为临近空间巨型柔性浮空器蒙皮健康监测系统的设计奠定理论和技术基础。

近年来，在人工智能技术取得长足进步，各种视觉传感技术，特别是三维感知技术快速发展等因素的推动下，新型机器人逐渐具备了更为强大的感知与理解能力，为快速、准确的三维场景重建与理解开创了新的渠道。本项目以三维几何处理和分析为核心，旨在研究适用于机器人平台的三维重建和分析方法，并充分利用机器人的自主行为能力这一特点，实现机器人对未知室内环境的自主化、智能化三维感知。其输出既包括对室内场景的高质量三维重建，又包括对场景结构的精细化分析和理解。项目拟首先研究面向机器人平台的智能三维感知框架。在此框架下，研究面向单机器人的主动交互式场景重建和理解，以及基于多机器人的协同化智能三维感知。