太陽能電子皮膚，用光來模仿人類的觸摸

　　格拉斯哥太陽能皮膚帶來極致的輕盈觸感

　　格拉斯哥大學的研究人員創(chuàng)造了一種新型的太陽能電子皮膚，該皮膚使用光來模仿人類的觸摸。而且包裹在柔軟的太陽能皮膚中的機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)不僅使用微型太陽能電池為機器人手中的執(zhí)行器供電，而且還可以通過測量物體接近并減少可用光時電池輸出的變化來使其具有“觸摸”的感覺。 。通過測量每個單元中產(chǎn)生的功率水平，電子皮膚可以檢測到傳入物體的形狀。

　　此外，太陽能電池之間的簡單LED會從接近的物體反射紅外線，以評估距離。兩種形式的光測量結(jié)合使用，可以為皮膚提供觸摸感，從而可以增強假肢和機器人技術(shù)，而無需嵌入式觸摸傳感器。在實驗室測試期間，它使團隊的機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在假肢和機器人技術(shù)中發(fā)現(xiàn)了許多實驗應用，但我們的項目是首個無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·瓦特工程學院的可彎曲電子與傳感技術(shù)(BEST)組。

　　1、太陽能eSkin系統(tǒng)的設(shè)計和運行概述

　　子系統(tǒng)：1)電源管理;2)傳感;和3)驅(qū)動。這個傳感子系統(tǒng)由小型太陽能分布式陣列組成。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3D打印機器人手(圖1)。設(shè)計細節(jié)

　　三維印刷機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、組合和處理每一個小型化的太陽能電池，都有可能獲得邊緣信息檢測、形狀評估、接觸定位和接近檢測。

　　為此，開發(fā)的eSkin有兩種感知模式：1)陰影或黑暗感應模式;和2)接近感應模式。兩者兼而有之案例中，一個專用的電路儀器是在集成在機器人手腕上的電路板，作為太陽能的讀出裝置單元格數(shù)組。采用串行通信接口進行發(fā)送。對運行計算機的實時測量，自定義開發(fā)的應用程序，其中進行了進一步的處理數(shù)據(jù)可視化之前

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

　　“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。實際上，皮膚本身就是能量的來源，能夠為手和與其相連的設(shè)備供電。所產(chǎn)生的電能可以存儲在我們開發(fā)的能夠與皮膚并用的柔性超級電容器等設(shè)備中，因此不必為了工作而一直暴露在陽光下?！?/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。該團隊還使用與汽車行業(yè)相似的工業(yè)機器人進行了實驗，同時考慮了潛在的協(xié)作機器人和安全應用。

　　2、傳感模式

　　(1)陰影感應模式。(a) 負極(c)。三個例子接觸定位，邊緣檢測和三維形狀評估不同的物體接近。中間的圖形顯示了每種情況下與目標感測有關(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估。(d) 將蒙皮附著到曲面上的模擬場景。

　　(2)接近感應模式。(a) 接近感應模式工作原理。(b) 以及(c)在接近感測表征期間來自太陽能eSkin的信號的數(shù)據(jù)流。(d) 校準曲線：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：作為分布式太陽能電池陣列的太陽能蒙皮驅(qū)動和讀出電子設(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)置在皮膚中的感應功能甚至可以使皮膚'看到'-進一步完善可以幫助皮膚甚至在接觸物體之前就識別它們。

　　“我們還嘗試過將手添加到機械臂的末端，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到意外物體時停止手臂的運動，我們認為這有助于防止將來發(fā)生工業(yè)事故?！?/p>

　　總結(jié)：

　　在本文中，太陽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，能源過剩的太陽能eSkin集成變成一只機械手，賦予它對HRI的反應能力應用。未來的工作將探索太陽能eSkin的延伸感知機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)行機構(gòu)的連續(xù)操作機器人。