Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0112

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0112
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр" МИЭТ"
Название доклада
Исследование и разработка конструктивно-технологических основ создания осязательных модульных преобразователей (механорецепторов) для современных интеллектуальных робототехнических комплексов на основе нано и микросистемной техники
Докладчик
Суханов Владимир Сергеевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Исследование и разработка комплекса научно-технических решений, направленных на создание нового поколения высокочувствительных искусственных тактильных механорецепторов, основанных на технологиях микросистемной техники и предназначенных для использования в робототехнических комплексах.
Актуальность и новизна исследования
В последние десятилетия наблюдается активное развитие робототехнических комплексов и систем искусственного интеллекта. Роботы активно используются для помощи в деятельности человека, решению различных прикладных задач. Например, осязательная функция необходима для роботизированных манипуляторов, работающих с не металлическими, а более мягкими субстанциями (растения, животные или отдельные ткани). Кроме того, способность распознавания текстуры поверхности позволяет создавать протезы нового поколения. При создании таких систем используются методы, которые основываются на моделировании особенностей восприятия и переработки информации.
Несмотря на то, что тактильное взаимодействие является одним из ключевых видов взаимодействия между роботом, окружающей средой и человеком, в мировой практике роботостроения только начинают появляться «бионические руки», имеющие тактильную чувствительность. А в области протезирования конечностей человека – такие исследования только начинают проводиться за рубежом. Производители протезов кисти человека представляют на рынке в основном бессенсорные модели.
Основным сдерживающим фактором в данной области служит не ограничение по вычислительной мощности применяемых процессоров, а именно отсутствие технологии, способной преобразовывать объемное осязательное взаимодействие в электрический сигнал.
Для решения существующих проблем в методах реализации осязательной функции разработаны способы получения неплоских осязательных поверхностей с высокой плотностью чувствительных элементов (более 40 см-2).
Описание исследования

Исследования проводились по нескольким направлениям:

1) Разработка и исследование технологии создания матриц МЭМС чувствительных элементов (ЧЭ) с повышенной плотностью размещения единичных сенсоров. Существующие возможности полупроводниковой кремниевой технологии на пластинах толщиной 420мкм в части дальнейшего повышения плотности МЭМС-элементов практически исчерпаны (уменьшение размера ЧЭ приводит к снижению его чувствительности). Поэтому в ходе работы предложены и исследованы специальные технологические приёмы, позволяющие создать оптимизированные по соотношению  плотность/чувствительность структуры.

2) Разработки и исследование схемотехнических методов каскадирования сенсоров и проработка путей совмещения на едином кристалле МЭМС технологии датчиков и КМОП технологии схем обработки. Что позволило придать матрицам  чувствительных элементов технический интеллект для сокращения количества выводов и упрощения схемотехнического объединения отдельных модулей в кластеры.

3) Разработка и исследование конструктивных способов объединения отдельных кристаллов по технологиям жестких печатных плат, гибких печатных плат, объемно-проводного монтажа. Что позволило разработать рекомендации по монтажу на различные поверхности, используемые потребителем.

4) Разработка и исследование технологии покрытия чувствительных матриц элементами кожного покрытия для обеспечения защиты от внешних воздействий. А также для перераспределения усилия воздействия между соседними матрицами с целью ликвидации мертвых зон в местах стыковки отдельных кристаллов. Исследованы различные способы армирования и применение гетерогенной структуры покрытия.

 

Результаты исследования

Проведен аналитический обзор  научно-информационных источников в области создания тактильных микросенсорных устройств (ТМСУ), проведены патентные исследования. В результате было установлено, что технический уровень и тенденции развития объекта  исследования соответствуют мировому уровню и что, что интерес к разработкам в данной области стабильно растет на протяжении последних пяти лет.

Были исследованы конструктивно-технологические способы объединения модулей ТМСУ в кластер ТМСУ. Установлено, что наиболее предпочтительным способом объединения отдельных модулей ТМСУ в кластер ТМСУ является технология жестких печатных плат с пазо-гребневым соединением.

Исследованы методы изготовления кристаллов ТМСУ с оптимальной плотностью размещения единичных сенсоров. Для изготовления кристалла ТМСУ подходит как плазмохимическое травление, так и жидкостное химическое травление.

Исследованы методы интеграции на одном кристалле МЭМС датчиков и КМОП схем обработки сигнала. Формирование МЭМС элементов и КМОП схем обработки сигнала на разных сторонах пластины позволит совместить две технологии без существенного ухода параметров прибора.

Были исследованы методы защиты ТМСУ от внешних воздействий. Установлено, что кристалл должен быть покрыт защитным силиконовым слоем, давление необходимо подавать с нижней стороны кристалла. Возможно использование армирующих элементов в защитном слое.

Разработана схемотехническая реализация кристалла ТМСУ. В состав кристалла входят 32 тензомоста, коммутируемые на общий дифференциальный выход с помощью последовательного цифрового интерфейса SPI.

Проведено компьютерное математическое моделирование кластера ТМСУ. Определены характеристики зон нечувствительности и оптимальная толщина защитного слоя (250мкм). Кроме того, на основании математической модели, определена оптимальная конфигурация тензорезисторов и места их расположения на мембране МЭМС.

Изготовлены макеты кристаллов ТМСУ.

Проведены лабораторные исследования макетов кристаллов ТМСУ.

На основе макетов кристаллов ТМСУ были изготовлены макеты модулей ТМСУ в трех модификациях.

Проведены лабораторные исследования макетов модулей ТМСУ. По результатам исследований отобраны модули, пригодные для изготовления ЭО кластера ТМСУ.

Разработаны алгоритмы и программное обеспечение работы кластера ТМСУ.

Разработаны алгоритмы и программное обеспечение визуализации данных кластера ТМСУ.

На основе модулей ТМСУ изготовлены экспериментальные образцы (ЭО) кластеров ТМСУ.

Проведены экспериментальные исследования ЭО кластеров ТМСУ. Установлено, что силовая разрешающая способность и способность определения местоположения единичного укола разработанного кластера приближаются к органам осязания человека.

 

Практическая значимость исследования
Результаты работы могут использоваться для проведения исследований в области создания активных бионических протезов, направленных на передачу тактильных воздействий от протеза в кору головного мозга. Разрабатываемая технология позволит дать инструментальную поддержку для аналогичных исследований в области тактильной чувствительности.
Результаты работы могут быть также использованы при создании автономного медицинского механорецепторного диагностического инструмента нового поколения, обеспечивающего повыше-ние достоверности диагностирования и расширения области возможного применения.
Кроме того, результаты могут быть применены для построения различных поверхностей, детектирующих прикосновения самого человека.