The sense of touch is crucial for interpreting exteroceptive stimuli, and for moderating physical interactions with one’s environment during object grasping and manipulation tasks. For years, tactile researchers have sought a method that will allow robots to achieve the same tactile sensing capabilities as humans, but the solution has remained elusive. This is a problem for people in the medical and robotics communities, as prosthetic and robotic limbs provide little or no force feedback during contact with objects. During object manipulation tasks, the inability to control the force (applied by the prosthetic or robotic hand to the object) frequently results in damage to the object. Moreover, amputees must compensate for the lack of tactility by paying continuous visual attention to the task at hand, making even the simplest task a frustrating and time-consuming endeavor. We believe that these challenges of object manipulation might best be addressed by a closed feedback loop with a tactile sensory system that is capable of detecting multiple stimuli. To this end, the goal of our research is the development of a tactile sensor that mimics the human sensory apparatus as closely as possible.

Thus far, tactile sensors have been unable to match the human sensory apparatus in terms of simultaneous multimodality, high resolution, and broad sensitivity. In particular, previous sensors have typically been able to sense either a wide range of forces, or very low forces, but never both at the same time;​ and they are designed for either static or dynamic sensing, rather than multimodality. These restrictions have left them unsuited to the needs of robotic applications. Capacitance-based sensors represent the most promising approach, but they too must overcome many limitations. Although recent innovations in the touch screen industry have resolved the issue of processing complexity, through the replacement of clunky processing circuits with new integrated circuits (ICs), most capacitive sensors still remain limited by hysteresis and narrow ranges of sensitivity, due to the properties of their dielectrics.

In this thesis, we present the design of a new capacitive tactile sensor that is capable of making highly accurate measurements at low force levels, while also being sensitive to a wide range of forces. Our sensor is not limited to the detection of either low forces or broad sensitivity, because the improved soft dielectric that we have constructed allows it to do both at the same time. To construct the base of the dielectric, we used a geometrically modified silicone material. To create this material, we used a soft-lithography process to construct microfeatures that enhance the silicone’s compressibility under pressure. Moreover, the silicone was doped with high-permittivity ceramic nanoparticles, thereby enhancing the capacitive response of the sensor. Our dielectric features a two-stage microstructure, which makes it very sensitive to low forces, while still able to measure a wide range of forces. Despite these steps, and the complexity of the dielectric’s structure, we were still able to fabricate the dielectric using a relatively simple process.

In addition, our sensor is not limited to either static or dynamic sensing;​ unlike previous sensors, it is capable of doing both simultaneously. This multimodality allows our sensor to detect fluctuating forces, even at very low force levels. Whereas past researchers have used separate technologies for static and dynamic sensing, our dynamic sensing unit is formed with same capacitive technology as the static one. This was possible because of the high sensitivity of our dielectric. We used the entire surface area effectively, by integrating the single dynamicsensing taxel on the same layer as the static sensing taxels. Essentially, the dynamic taxel takes the shape of the lines of a grid, filling in the spaces between the individual static taxels. For further optimization, the geometry of the dynamic taxel has been redesigned by fringing miniature traces of the dynamic taxel within the static taxels. In this way, the entire surface of the sensor is sensitive to both dynamic and static events. While this design slightly reduces the area that is covered by the static taxels, the trade-off is justified, as the capacitive behavior is boosted by the edge effect of the capacitor.

The fusion of an innovative dielectric with a capacitive sensing IC has produced a highly sensitive tactile sensor that meets our goals regarding resolution, noise immunity, and overall performance. It is sensitive to forces ranging from 1 mN to 15 N. We verified the functionality of our sensor by mounting it on several of the most popular mechanical hands. Our grasp assessment experiments delivered promising results, and showed how our sensor might be further refined so that it can be used to accurately estimate the outcome of an attempted grasp. In future, we believe that combining an advanced robotic hand with the sensor we have developed will allow us to meet the demand for human-like tactile sensing abilities.

Le sens du toucher est crucial pour l’interprétation des stimuli extéroceptifs, et pour modérer les interactions physiques avec son environnement au cours de la préhension d’objets et des tâches de manipulation. Pendant des années, les chercheurs dans le domaine du tactile ont cherché une méthode qui permettra aux robots d’atteindre les mêmes capacités de détection tactile que les humains, mais la solution est resté incomplète. Ceci est un problème pour les gens dans les communautés médicale et robotique, puisque les prothèses robotiques offrent peu ou pas de retour de force lors d’un contact avec des objets. Au cours des tâches de manipulation d’objets, l’incapacité de contrôler la force (appliquée par la prothèse ou la main robotique sur l’objet) entraîne souvent des dommages à l’objet. En outre, les personnes amputées doivent compenser le manque de tactilité en accordant une attention visuelle continue à la tâche, rendant la tâche la plus simple frustrante et chronophage. Nous croyons que ces défis de la manipulation d’objets pourraient être mieux traitées par une boucle de rétroaction fermée avec un système sensoriel tactile qui est capable de détecter de multiples stimuli. À cet effet, le but de notre recherche est le développement d’un capteur tactile qui imite l’appareil sensoriel humain aussi étroitement que possible.

Jusqu’à présent, les capteurs tactiles ont été incapables de faire correspondre l’appareil sensoriel humain en termes de multimodalité simultanée, d’haute résolution et de grande sensibilité. En particulier, les capteurs précédents ont généralement été capable de détecter soit, une large gamme de forces, ou des forces très faibles, mais jamais les deux en même temps ;​ et ils sont conçus pour la détection soit statique ou dynamique, plutôt que multimodale. Ces restrictions ont laissé ces capteurs inadaptés aux besoins des applications robotiques. Les capteurs capacitifs représentent la méthode la plus prometteuse, mais ils doivent aussi surmonter de nombreuses limitations. Bien que les innovations récentes dans l’industrie de l’écran tactile ont résolu la question de la complexité de traitement par le remplacement des circuits de traitement maladroit avec de nouveaux circuits intégrés (IC), la plupart des capteurs capacitifs restent encore limités par l’hystérésis et des plages étroites de sensibilité en raison des propriétés de leurs diélectriques.

Dans cette thèse, nous présentons la conception d’un nouveau capteur tactile capacitif qui est capable de faire des mesures très précises à des niveaux de faible force, tout en étant sensible à un large éventail de forces. Notre capteur ne se limite pas à la détection de forces à faible ou large sensibilité, car le diélectrique souple amélioré que nous avons construit lui permet de faire les deux à la fois. Pour construire la base du diélectrique, nous avons utilisé un matériau de silicone modifié géométriquement. Pour créer cette matière, nous avons utilisé un processus de lithographie molle pour construire des microcaractéristiques qui améliorent la compressibilité du silicone sous pression. En outre, le silicone a été dopé avec des nanoparticules de céramique à haute permittivité, ce qui améliore la réponse du capteur capacitif. Notre diélectrique dispose d’une microstructure en deux étapes, ce qui le rend très sensible à de faibles forces, tout en étant capable de mesurer un large éventail de forces. Malgré ces nombreuses étapes et la complexité de la structure du diélectrique, nous étions encore en mesure de le fabriquer en utilisant un processus relativement simple.

En outre, notre capteur ne se limite pas à des données statiques ou dynamiques de détection. Contrairement aux capteurs antérieurs, il est capable de faire les deux simultanément. Cette multimodalité permet à notre capteur de détecter la fluctuation des forces, même à des niveaux de force très faible. Alors que les chercheurs ont utilisé des technologies distinctes pour la détection statique et dynamique, notre unité de détection dynamique est formé avec la même technologie capacitive que celui statique. Cela a été possible en raison de la grande sensibilité de notre diélectrique. Nous avons utilisé la totalité de la surface de manière efficace, en intégrant le seule taxel dynamique de détection sur la même couche que les taxels de détection statiques. Essentiellement, le taxel dynamique prend la forme des lignes d’une grille, en remplissant les espaces entre les taxels statiques individuels. Pour plus d’optimisation, la géométrie du taxel dynamique a été redessinée en insérant des traces miniatures du taxel dynamique au sein des taxels statiques. De cette façon, toute la surface du capteur est sensible à la fois à des événements dynamiques et statiques. Bien que cette conception réduit légèrement la zone qui est couverte par les taxels statiques, le compromis est justifiée puisque le comportement capacitif est augmenté par l’effet de bord du condensateur.

La fusion d’un diélectrique innovateur avec une détection capacitive IC à produit un capteur tactile très sensible qui répond à nos objectifs en ce qui concerne la résolution, l’immunité au bruit et la performance globale. Il est sensible aux forces allant de 1mN à 15 N. Nous avons vérifié la fonctionnalité de notre capteur en le montant sur plusieurs mains mécaniques populaires. Nos expériences d’évaluation de préhension ont livrés des résultats prometteurs et ont montré comment notre capteur pourrait être raffinée afin qu’il puisse être utilisé pour estimer avec précision le résultat d’une tentative de prise. À l’avenir, nous pensons que la combinaison d’une main robotique de pointe avec le capteur que nous avons développé nous permettra de répondre à la demande de capacités tactiles similaire à celle des humains.