太陽(yáng)能電子皮膚，用光來(lái)模仿人類的觸摸

　　格拉斯哥太陽(yáng)能皮膚帶來(lái)極致的輕盈觸感

　　格拉斯哥大學(xué)的研究人員創(chuàng)造了一種新型的太陽(yáng)能電子皮膚，該皮膚使用光來(lái)模仿人類的觸摸。而且包裹在柔軟的太陽(yáng)能皮膚中的機(jī)器人手能夠在不使用專用且昂貴的觸摸傳感器的情況下與物體進(jìn)行交互。

　　該技術(shù)在IEEE Transactions on Robotics上發(fā)表，論文中描述，該技術(shù)不僅使用微型太陽(yáng)能電池為機(jī)器人手中的執(zhí)行器供電，而且還可以通過測(cè)量物體接近并減少可用光時(shí)電池輸出的變化來(lái)使其具有“觸摸”的感覺。 。通過測(cè)量每個(gè)單元中產(chǎn)生的功率水平，電子皮膚可以檢測(cè)到傳入物體的形狀。

　　此外，太陽(yáng)能電池之間的簡(jiǎn)單LED會(huì)從接近的物體反射紅外線，以評(píng)估距離。兩種形式的光測(cè)量結(jié)合使用，可以為皮膚提供觸摸感，從而可以增強(qiáng)假肢和機(jī)器人技術(shù)，而無(wú)需嵌入式觸摸傳感器。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試期間，它使團(tuán)隊(duì)的機(jī)械手能夠抓住放在其前面的物體，例如橡皮球。

　　“觸敏電子皮膚近年來(lái)在假肢和機(jī)器人技術(shù)中發(fā)現(xiàn)了許多實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，但我們的項(xiàng)目是首個(gè)無(wú)需使用專用觸摸傳感器即可提供觸摸反饋的能產(chǎn)生能量的電子皮膚，” Ravinder Dahiya教授說。格拉斯哥詹姆斯·瓦特工程學(xué)院的可彎曲電子與傳感技術(shù)(BEST)組。

　　1、太陽(yáng)能eSkin系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行概述

　　子系統(tǒng)：1)電源管理;2)傳感;和3)驅(qū)動(dòng)。這個(gè)傳感子系統(tǒng)由小型太陽(yáng)能分布式陣列組成。電池和紅外(IR)發(fā)光二極管(LED)集成在軟以及柔韌的PDMS基板，最終放置在手掌中一個(gè)3D打印機(jī)器人手(圖1)。設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

　　三維印刷機(jī)械手的制作可以在我們的以前的出版物。PDMS薄膜(0.5mm厚)為通過三個(gè)階段制備：1)硅橡膠和固化劑(Sigma-Aldrich);2)脫氣;和3)固化。

　　在固化前，PV電池作為基質(zhì)嵌入PDMS層。通過獲取、組合和處理每一個(gè)小型化的太陽(yáng)能電池，都有可能獲得邊緣信息檢測(cè)、形狀評(píng)估、接觸定位和接近檢測(cè)。

　　為此，開發(fā)的eSkin有兩種感知模式：1)陰影或黑暗感應(yīng)模式;和2)接近感應(yīng)模式。兩者兼而有之案例中，一個(gè)專用的電路儀器是在集成在機(jī)器人手腕上的電路板，作為太陽(yáng)能的讀出裝置單元格數(shù)組。采用串行通信接口進(jìn)行發(fā)送。對(duì)運(yùn)行計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)測(cè)量，自定義開發(fā)的應(yīng)用程序，其中進(jìn)行了進(jìn)一步的處理數(shù)據(jù)可視化之前

　　柔性太陽(yáng)能eSkin及其主要部件概述。集成在三維印刷機(jī)械手上。方框圖顯示了這三個(gè)子系統(tǒng)：感應(yīng)(陰影和接近模式)、電源管理和啟動(dòng)。

　　“缺少傳感器意味著皮膚不需要傳統(tǒng)的電源即可工作，這與其他包括觸摸傳感器的等效設(shè)備不同。實(shí)際上，皮膚本身就是能量的來(lái)源，能夠?yàn)槭趾团c其相連的設(shè)備供電。所產(chǎn)生的電能可以存儲(chǔ)在我們開發(fā)的能夠與皮膚并用的柔性超級(jí)電容器等設(shè)備中，因此不必為了工作而一直暴露在陽(yáng)光下?！?/p>

　　據(jù)Dahiya教授說，有一天，電子皮膚可以自我感覺到假肢完全嵌入四肢和手指本身的能力。該團(tuán)隊(duì)還使用與汽車行業(yè)相似的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，同時(shí)考慮了潛在的協(xié)作機(jī)器人和安全應(yīng)用。

　　2、傳感模式

　　(1)陰影感應(yīng)模式。(a) 負(fù)極(c)。三個(gè)例子接觸定位，邊緣檢測(cè)和三維形狀評(píng)估不同的物體接近。中間的圖形顯示了每種情況下與目標(biāo)感測(cè)有關(guān)的主要單元的輸出電壓，而三維曲面圖則顯示了物體重建形狀的評(píng)估。(d) 將蒙皮附著到曲面上的模擬場(chǎng)景。

　　(2)接近感應(yīng)模式。(a) 接近感應(yīng)模式工作原理。(b) 以及(c)在接近感測(cè)表征期間來(lái)自太陽(yáng)能eSkin的信號(hào)的數(shù)據(jù)流。(d) 校準(zhǔn)曲線：電壓作為接近物體和皮膚之間距離的函數(shù)。

　　原理框圖。示意圖顯示了所開發(fā)系統(tǒng)的主要模塊：作為分布式太陽(yáng)能電池陣列的太陽(yáng)能蒙皮驅(qū)動(dòng)和讀出電子設(shè)備;電源管理子系統(tǒng);以及數(shù)字處理和通信接口。

　　Dahiya說：“與包裹在由相對(duì)便宜的組件制成的柔性皮膚中的完全自供電假肢相比，這只邁出了一步?！? “內(nèi)置在皮膚中的感應(yīng)功能甚至可以使皮膚'看到'-進(jìn)一步完善可以幫助皮膚甚至在接觸物體之前就識(shí)別它們。

　　“我們還嘗試過將手添加到機(jī)械臂的末端，類似于在汽車制造設(shè)施中發(fā)現(xiàn)的手。皮膚的傳感器能夠在感應(yīng)到意外物體時(shí)停止手臂的運(yùn)動(dòng)，我們認(rèn)為這有助于防止將來(lái)發(fā)生工業(yè)事故?！?/p>

　　總結(jié)：

　　在本文中，太陽(yáng)能電池的功能是超越了他們最初的目的，發(fā)展出一種新穎的范式，為靈活，舒適，能源過剩的太陽(yáng)能eSkin集成變成一只機(jī)械手，賦予它對(duì)HRI的反應(yīng)能力應(yīng)用。未來(lái)的工作將探索太陽(yáng)能eSkin的延伸感知機(jī)器人身體的其他部位手臂還是胸部。在這種情況下，擬議的系統(tǒng)將是有助于提高人-機(jī)器人共存的安全性以及用于在手部或其他部位的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連續(xù)操作機(jī)器人。