摘要
机器人在现代工业领域发挥着不可或缺的作用，利用机械手稳定地抓持目标物体进行加工、移动等操作是机器人智能化工作中极为重要的环节。仿生感知作为机械手与外界交互过程中不可或缺的能力，其大小决定了机械手的智能化水平。触觉、滑觉与热觉作为仿生感知的重要组成部分，是机械手获取外界信息的重要途径，对机械手稳定抓取具有重要意义。因此，本文针对触觉、滑觉与热觉感知的精确测量和复合传感等问题，以理论分析、仿真实验和实测实验相结合的方法开展研究，采用光纤布拉格光栅作为传感元件，构建了柔性材料封装下的触觉、滑觉与热觉感知机理模型，阐明传感信号与感知参量的映射关系；提出了一种非对称梁式封装结构，搭建传感实验平台并开展了相关实验研究，利用随机森林算法和小波变换分析方法实现了触觉、滑觉与热觉传感信号的特征辨识与耦合分解。本文的主要研究内容如下： （1）基于光纤布拉格光栅耦合模理论，研究了FBG基础传感原理，分析了应变与温度对FBG中心波长的影响，阐明了FBG中心波长漂移量对应变与温度变化的映射关系；基于材料力学和弹性力学理论，分析了柔性材料封装下触觉、滑觉与热觉的感知机理，建立了传感信号与触滑热觉的数值理论模型，揭示了柔性材料封装下FBG的中心波长与触觉、滑觉和热觉的映射关系。 （2）针对仿生感知的精确测量和复合感知需求，优化了双层“十字型”传感阵列单元，提升了传感网络的空间分辨率；利用数值分析和有限元仿真技术，分析了FBG在柔性材料封装下不同封装位置的应变感知灵敏度，确定了FBG的最优封装位置，并提出了一种非对称梁式封装结构，提升了FBG的感知灵敏度；基于机械手尺寸及感知需求，完成了仿生传感器样机的研制。 （3）为验证仿生传感器样机感知能力，完成一系列感知实验。对实验结果分析可得，仿生传感器对触觉、滑觉与热觉具有良好的感知能力。在1N~3N范围内的触觉感知灵敏度为60.022pm/N和69.553pm/N，在0N~1N范围内的感知灵敏度为63.422pm/N，分辨率达到了0.1N，整体线性度良好，线性拟合度均大于0.988。滑觉感知实验表明，仿生传感器的剪切力感知良好，线性拟合度大于0.99，灵敏度分别为14.294pm/N和9.625pm/N，还能够有效地辨别滑动。热觉感知实验表明，仿生传感器同样具有良好的线性度，其灵敏度分别为17.174pm/℃和14.404pm/℃。 （4）针对仿生传感器不同感知信号特征辨识问题，采用数值分析方法，分别构建触觉、滑觉与热觉信号的数值特征辨识与解算模型；为提升触觉与热觉特征辨识与测量的准确性，构建了随机森林算法模型，其结果表明，该模型不仅能够有效地辨别信号特征类型，辨识精度达到99.98%，还能够在一定程度上降低触觉与热觉感知的耦合误差。针对时域上滑动检测的不可靠性，基于小波变换分析方法，有效地提取滑动特征信号，实现了抓取过程中滑动状态的检测，辨识精度达到了98.78%。 综上所述，针对机械手仿生感知问题，采用FBG作为传感元件，开展了触滑热觉复合传感机理研究，对具有触滑热觉感知能力的仿生传感器进行结构设计与实验研究，实现了机械手在抓取物体过程中触滑热觉的检测，为仿生感知领域提供借鉴。
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