智能假肢的柔性觸覺傳感器研究.pdf

1、隨著我國殘疾人特別是殘肢患者人數的增加，肢殘患者生活和工作能力的喪失，已成為不可回避的社會問題，采用工程學方法制造替代假肢則是目前讓肢殘患者回到正常生活的主要解決方案。相對于傳統(tǒng)假肢，新一代的智能假肢需要具有人機雙向互動的能力，而觸覺傳感器為智能假肢的人機交互提供必要的信息支持，是其獲取環(huán)境信息的重要方式。
　　本文從這一實際需要出發(fā)，在國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）資助項目“人體運動功能重建的生機電一體化科學基礎”和其子

2、課題“分布式機械刺激感知系統(tǒng)設計制造原理”(2011CB013303)的支持下，針對假肢機械手對觸覺傳感器的性能要求，提出了一種新型柔性觸覺傳感陣列，其特點是以聚合物復合材料所制備的有向亞微米纖維束作為敏感元件，通過沉積垂直于兩個平行電極的有向纖維形成單個敏感單元，最終形成雙面正交式平行觸覺傳感陣列。
　　全文圍繞這一目標，按照以下章節(jié)對該博士課題進行了系統(tǒng)研究:
　　第1章，闡述了論文的研究背景與意義，通過對國內外文獻進行

3、綜述，對人工觸覺傳感器研究的發(fā)展、原理分類、靈巧手集成問題進行了概述，對基于纖維材料的觸覺傳感器的研究現(xiàn)狀、纖維材料制備方法進行了介紹。最后明確了本課題的主要研究內容。
　　第2章，總結了聚合物基體的復合材料的逾滲導電理論和壓敏計算方法。針對復合材料的有序纖維結構，分析了內部CNT的排布規(guī)律并建立了基于量子隧穿理論的壓阻計算模型。接下來總結了靜電紡絲的基本原理和一些現(xiàn)有可控靜紡方法，并在此基礎上搭建了自動靜紡實驗臺。從理論方面和實

4、驗方面分別研究了纖維結構復合材料的逾滲閾值。最后基于正交試驗方法研究了靜紡主要控制參數對纖維有向性和紡絲效率的影響，并得到了最優(yōu)的參數配置方案。
　　第3章，分析了智能假肢對觸覺傳感的性能需求，設計了以PU/MWCNT復合材料有向纖維作為敏感元件的柔性觸覺傳感器，有向纖維束垂直于電極分布形成壓力敏感單元。傳感陣列采用雙面正交式平行敏感單元陣列，經緯敏感單元各自檢測單一維度的壓力信息，通過兩個面的信息合成獲得壓力大小與位置信息。根據

5、敏感單元電阻測量需要，設計了基于I-V轉換原理的多路高阻測量電路，實現(xiàn)柔性觸覺傳感陣列的實時檢測。制備出整體厚度可以控制在1毫米以內的全柔性觸覺傳感陣列，并對其進行了標定實驗，并完成了動靜態(tài)性能測試，驗證了其力分辨能力、空間分辨能力、滑動檢測能力和動態(tài)響應能力。
　　第4章，分析了觸覺傳感器在集成到假肢手后受到的性能影響，說明了對裝載后的傳感器進行標定和性能測試的必要性。針對假肢手上觸覺傳感陣列性能測試的特點，搭建了動靜態(tài)性能測試