项目成果/简介: 本技术基于人体肌肉运动生理学原理，在肌纤维处施加一定模式的电刺激信号可使肌肉发生收缩和拉伸等动作，从而使人产生自主肌体运动或使皮肤触觉小体产生特定的触觉感应。采用穿戴式柔性新型电极阵列实施电刺激，并研究多种用于力触觉反馈的电刺激模式组合，简单易行、轻巧方便、力触觉感应分辨率高，增强虚拟场景沉浸感。同时通过不同的电极阵列结构、材质、形态设计，丰富电刺激模式库，提高力触觉反馈的时间和空间准确度。 虚拟现实力触觉反馈交互技术可用于虚拟现实游戏、虚拟现实教育培训、虚拟制造等领域，也可以用于煤矿、安防等高风险领域，以及电影技术。电刺激肱二头肌力反馈交互虚拟拉弓场景交互知识产权类型:发明专利技术先进程度:达到国内领先水平成果获得方式:独立研究获得政府支持情况:无

本技术基于人体肌肉运动生理学原理，在肌纤维处施加一定模式的电刺激信号可使肌肉发生收缩和拉伸等动作，从而使人产生自主肌体运动或使皮肤触觉小体产生特定的触觉感应。采用穿戴式柔性新型电极阵列实施电刺激，并研究多种用于力触觉反馈的电刺激模式组合，简单易行、轻巧方便、力触觉感应分辨率高，增强虚拟场景沉浸感。同时通过不同的电极阵列结构、材质、形态设计，丰富电刺激模式库，提高力触觉反馈的时间和空间准确度。 虚拟现实力触觉反馈交互技术可用于虚拟现实游戏、虚拟现实教育培训、虚拟制造等领域，也可以用于煤矿、安防等高风险领域，以及电影技术。 电刺激肱二头肌力反馈交互 虚拟拉弓场景交互

1969 年, Kawai 发现在极化的含氟化合物, 聚偏二氟乙烯(PVDF ) 中, 具有很高的压电能力。 PVDF 压电薄膜还具有宽频带、高介电强度等特性, 同时具有柔韧、极薄、质轻和高韧度等机械特点, 可以制成多种厚度和较大面积的阵列元件。在触觉应用中的主要问题是: 同时对温度敏感, 压电信号同热电信号耦合在一起;不能测纯静态信号, 频带下限0. 001Hz。PVDF (聚偏二氟乙烯) 压电薄膜具有压电能力高、柔韧、极薄、质轻等特点, 其具有许多特性接近人类皮肤的特性, 受到研究人员的关注

成果与项目的背景及主要用途：本项目所提供的新型触觉传感器是人工智能 技术的核心部件之一，能够感应柔软程度、温度及微压力变化，它不仅可以直接 用于生活产品，而且对于其它行业的科技革新以及国家现代化国防建设具有深远 的影响。该材料是以较为成熟的触觉传感器材料工艺为依托，经过对材料的进一 步开发使其能够感应柔软程度、温度和微压力的变化（最小可感知压力为 40g， 电导率变化范围 10－104S/cm－2）。该材料以导电聚合物和橡胶为主要载体，并添 加导电碳及其他纳米级附加材料，使用这种智能材料可以开发出多种实用化的新 型触觉传感器。其突出的先进性表现在：生产成本低、功能强、无时间记忆误差、 感知线性稳定、具有良好的材料物理特性、具有高度的可信赖性、性能可控制度 好、可再加工性好。 技术原理与工艺流程简介：这种新型触觉传感器材料的导电原理是：当聚合 物不受外界压力时，具有导电性的碳粒子是不相互接触的，当聚合物受压变形时 碳粒子间慢慢的相互接触从而形成导电通路，阻抗也就以对数关系下降。此外， 聚合物受温度的影响致使材料的特性发生变化，温度下降时发生收缩导致导电粒 子间的相互距离减小，升温时膨胀导致导电粒子间的距离增长，因此在同样的外 界压力下随着温度的变化阻抗也会有所变化。 触觉传感器制备工艺较为简单，关键是本技术中采用了以导电聚合物为主体 材料的纳米复合技术，使该产品能够正确感知目前产品所不能感知的微小压力变 化。 技术水平及专利与获奖情况：该项目处于实验室产品阶段。 应用前景分析及效益预测：本项目提出的线性可控触觉传感器以其优越的触 觉特性，具有极大的市场投放前景和经济效益。但同时也需要企业在成立之初获 得大量的资金投入，迅速将工艺成熟起来。从目前本项目提出的科技含量及技术 111天津大学科技成果选编 112 背景来看，国内不存在竞争对手，而且随着公司的成立，公司对产品研发的进一 步深入，在未来 5 年内，本项目产品也必将在国际传感器行业中具有一席之地。 应用领域：1. 智能玩具；2. 交互式媒体互联网；3. 无人驾驶汽车；4. 医疗 领域远程医疗；5. 智能机器人皮肤等。

01. 成果简介 本成果涉及一种多模态触觉感知装置，属于机器人传感器技术领域。与人类相似，机器人感知外界环境最真实、稳定、便捷的方式便是通过机器人手触摸，机器人手的感知能力决定了机器人是否能够正确认知外界环境以及机器人的操作精度、成功率等。在新一代机器人手中，传感装置已逐渐趋于阵列化、多功能化和集成化。目前常见的触觉传感器有压阻式、电容式、光电式等，它们都存在密度难以提高、电路处理复杂等问题。为了克服以上不足，近年出现了基于视觉的触觉传感装置，具有结构简单、信息丰富等优势。目前基于视觉的触感装置仍存在性能提升空间。 本项目将感温变色油墨材料应用于触感装置，感知机器人操作过程中的温度[1]。同时提出一种基于微视觉的触觉三维力检测方法，通过采集触觉接触区域内弹性体的形变图像的变化，采用一系列图像处理方法，并且使用神经网络拟合的技巧，定性并且定量的刻画物理世界中的触觉、滑觉等，从而提供了一种多模态触觉感知装置，可以得到三维接触力、接触物体表面的温度及纹理等多种模态信息[2]。本装置打破了传统触觉感知装置单模态信息采集的现状，可在同一感知装置中集成受力、纹理、温度等信息的测量，检测触觉、滑觉、压觉三维接触力，获得高精度的接触纹理信息，实现了多模态信息的测量，并将这些信息综合到对一个物体的识别、抓取操作中，使机器人更加智能化、人性化。本装置具有实时性好，检测稳定，检测误差小，检测精度高的优点。 图1. 基于微视觉的多模态触觉感知装置结构图图2. 结合多模态触感装置的机械手02. 应用前景 本成果技术可应用于工业机器人、智能机器人、人机协作、医疗康复等领域，应用前景广泛。03. 知识产权 本成果核心技术已申请发明专利3项。04. 团队介绍 项目团队致力于研究具备自主决策和学习能力的机器人操作技能学习系统。团队包括孙富春、方斌、刘华平、宋亦旭四位教师，专注智能机器人灵巧精准操作研究，研制了拟人触觉的传感装置、多模态穿戴交互装置、残疾人假肢灵巧手、仿人感知灵巧手和变刚度软体手，在本领域发表论文40余篇，申请专利20余项，获得IROS2016机器人灵巧操作比赛冠军、IROS2017服务机器人操作比赛亚军、WRC2016最佳科技创新奖等。同时团队和河北清华发展研究院合作成立了人工智能及机器人研究中心，共同推动智能机器人的产业化发展。05. 合作方式 技术许可。06. 联系方式 邮箱：liuyi2017@tsinghua.edu.cn， fangbin@tsinghua.edu.cn

微创机器人外科及触觉感知国家自然科学基金课题 微创外科(MIS)与开放外科手术相比，具有切口小、疼痛轻、出血少和恢复快等优点，广泛应用于胸腹、脊柱、心血管和泌尿外科等领域 微创机器人外科(MIRS)由机器人替代医生操控手术器械，克服医生人为因素带来的风险，提高手术的安全性和灵巧性，改善手术精度和质量 触觉力信息缺失导致过大的操作力和器官组织创伤，是当前微创机器人外科面临的共同问题。项目利用光纤技术，研究微型触觉力传感器及其在器官组织类型和边界鉴定、机器人反馈控制应用中涉及到的一系列挑战性问题。获得的相关理论与技术，有望消除触觉缺失引起的手术风险，提高微创机器人外科手术的精度、稳定性和质量。

1. 痛点问题 世界卫生组织2020年报告显示，全球约有2.53亿视觉受损人口，其中3600万是全盲患者。英国柳叶刀杂志在2017年指出，根据1990年至2015年间的统计数据估计，随着人口数量的增加和老龄化，到2050年时，全球全盲人群的数量可能将会增加至1.15亿。这对全人类来说是一个巨大的挑战。作为世界人口最多的国家，我国2012年残疾人联合会残疾人概况报告显示，2010年末中国视力残疾人数为1263万。盲人用户的教育与生活问题受到了越来越多的关注。 可能很多人并不知道，盲人学校所学习的很多知识内容和明眼人几乎是一样的，无论是语文、数学、还是物理、化学。随着技术的发展，今天盲人已经可以通过盲文来学习那些用文字表达的内容，也可以使用读屏器等语音辅助软件来通过声音进行交流；但是目前极度缺乏帮助盲人有效学习和理解图形信息（如：数学中的几何知识、物理中的电路知识、以及医学知识中的经络分布等）的工具和设备。而且在信息时代，当图片、视频等视觉信息成为知识传播中信息的主要来源，特别是互联网上的视觉内容日益丰富的时候，对于盲人朋友而言，也是一个巨大的障碍。因此，盲人迫切地需要可以便捷地阅读图像信息的无障碍设备。 2. 解决方案 由清华大学自主研发的触觉图形显示终端（盲人用计算机）与传统的计算机屏幕不同，触觉图形显示终端的表面由可以凸起和收回的点阵组成。通过内置的计算系统控制这些点阵的变化，可以把传统的图片变成可以触摸的图形。盲人用户通过触摸这些凸起点阵所组成的盲文或触觉图形来阅读文字和认知图片。 合作需求 目前本项目正与商业技术团队进行合作，希望寻求天使轮投资，共同致力于为世界范围的盲人群体服务，让他们能享受科技带来的便捷，能像明眼人一样方便的学习、工作和生活。

高性能触觉传感器是下一代智能化服务机器人的核心模块，是人-机物理接触、交互协作的关键信息入口，是学术前沿热点和工业技术难点，是我国35项 “卡脖子”技术之一。本团队基于微纳尺度双电层电容原理，解决了传统阵列传感器空间分辨率、信噪比、灵敏度、量程、大测量面积等之间的技术矛盾，研制了具备大测量面积(单片600 mm × 

简单介绍： 大小鼠触觉测痛仪用于评估大、小鼠过敏症和触诱发痛。可自动记录动物的受刺激时间和刺激强度。使得实验时观察受试动物足底区域变得非常容易。刺激力的选择可自行控制，以达到理想状态。包含一个有内置记忆功能的控制系统和一个新的DCA软件用于信号检测、数据分析和转换。可以在控制系统上浏览，也可以转换成Excel或者txt文件保存在电脑里，以便数据分析处理。 详情介绍： 1、智能一体式,方便于科研与教学 2、4个通道性能指标完全一致的光电隔离放大器，硬件参数全程控可调 3、交、直流具有相同的增益：量程±0.5V——±20μV 4、采用16位采样芯片，系统*高采样率达1MHz，*低采样率0.01Hz；低通滤波：采用9阶贝塞尔滤波器。 5、隔离共模抑制比大于120分贝，等效输入噪声电压峰峰值小于1mV，信噪比大于80dB 6、文件回收功能：对过去做过的曲线，如忘记存盘或计算机出现特殊情况时，可将文件回收，实验数据可自定义保留时间，需要时可回收未保存或文件损坏的实验数据，保证了实验数据在任何情况不丢失。 7、刺激器具有光电隔离的刺激器，具有恒流、恒压输出两种方式幅度达100V，信号采集系统刺激器技术指标：幅度：0-100mv步长1mv，波宽：0.1-6000ms,程控调节步长0.1ms。 8、信号采集系统刺激器工作方式：三角波，正玄波，正副方波，左锯齿波，左锯齿波，任意波。单刺激，串刺激，主周期刺激，自动间隔调节刺激，自动幅度调节刺激，自动波宽调节刺激，自动频率调节刺激。刺激预览：在选定刺激参数后可用预览刺激脉冲的幅度、波宽个数等 9、具有监听和记滴功能，同时引入外触发功能，单台设备可根据用户需要设定1——31个显示通道。（5-31通道可用于分析）虚拟通道设计：通道原始数据、微分、积分、频率、平均图形实时同步显示， 10、通道扫描速度独立可调，具有可任意拖动灵活改变窗口宽度的双视系统，进行实验波形的对比显示等 。 11、具有数据剪辑和图形剪辑功能，可实现与其它软件的数据共享 12、具有打印预览功能，并可实现一次打印整个实验数据的功能，有医学统计功能 13、上限力值是1000g，分辨率为0.001g 14、刺激针规格：0.4,0.6,0.8,1mm 15、数据：*大值、*小值、峰峰值、斜率、平均值、正常面积、有效值、正面积等 16、力学曲线图：有 17、力学曲线图可以编辑：删除、复制、粘贴等 18、数据可导入excel 19、数据可生成打印报告 20、测痛架规格：500X260X500mm 21、适用动物：大鼠、小鼠、豚鼠

Ø  成果简介：虚拟翻书利用红外感应方式捕获参观者的动作，并将动作的信息传输给计算机进行处理，相关软件通过捕捉到的信号驱动多媒体进行翻书的效果演示。这种虚拟翻书提供了一种新颖的交互手段，视觉冲击力强，能够引起参观者极大的兴趣。Ø  项目来源：自行开发Ø  技术领域：互动技术Ø  应用范围：图书馆、博物馆、商场等公众信