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基于MTEG和TENG的水下典型材料特征及抓取状态多参数感知方法研究

基于MTEG和TENG的水下典型材料特征及抓取状态多参数感知方法研究

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作者：单百川大连海事大学

学位级别：硕士

随着我国对海洋资源的不断探索和开发,水下机器人作为一种先进、多功能的水下设备,在深海科学研究等领域发挥了不可替代的作用。而作为水下机器人传感系统的重要组成部分,触觉传感器可以帮助水下机器人获得目标物体的形状、质地、硬度... 详细信息

随着我国对海洋资源的不断探索和开发,水下机器人作为一种先进、多功能的水下设备,在深海科学研究等领域发挥了不可替代的作用。而作为水下机器人传感系统的重要组成部分,触觉传感器可以帮助水下机器人获得目标物体的形状、质地、硬度、压力等信息。为了更好地解决水下传感问题,本文提出了一种基于微型热电发电机(MTEG)和摩擦纳米发电机(TENG)的多参数触觉传感的技术方案。该方案可以提供与目标物体接触过程中的相互作用力和滑动状态,以及目标物体材料的热导率,以协助水下机器人自主执行任务。首先,本文建立材料检测传感器和压力及滑动状态感知传感器(PS-TENG)的理论模型,推导了材料检测传感器中MTEG单元的塞贝克电压和目标物体的导热率之间的关系、PS-TENG的电荷转移机理、开路电压输出和所受压力之间的关系、振动信号和滑动状态的关系。并使用COMSOL软件对材料检测传感器的热力学模型、PS-TENG的结构力学模型进行了模拟仿真,验证了理论模型,并为样机优化提供了指导方向。其次,设计并制作了多参数触觉传感器样机,并搭建相应的实验测试系统测试其性能。实验结果表明:在材料感知方面,可以实现在2s内准确识别恒温动物、非金属材料和金属材料三种典型材料的效果,在增设柔性导热垫后还可以提高材料检测传感器的样机对目标物体的复杂表面形态的适应性,除此之外,样机还可以有效分辨合金钢上涂层的厚度;在压力响应方面,在0N-9N压力范围内的静态和动态测试均表现出良好的响应性和适应性,并且有着平均4.5V/N的高灵敏度以及0.07s的快速响应时间;通过柔性导热垫和目标物体之间的摩擦信号,通过频域分析可以有效判断目标物体的滑动状态。综上所述,多参数触觉传感器样机能够识别目标物体的材料类型、压力和滑动状态这三种感知参数的信息。总的来说,本文提出了一种基于MTEG和TENG的多参数触觉传感方法的新技术方案,其结果为水下机器人的触觉传感系统提供了新的思路,对海洋探索和开发有着重要意义。

关键词：水下触觉传感器摩擦纳米发电机微型温差发电机压力及滑动状态感知多参数传感材料感知

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