分布式柔性觸覺傳感陣列的設(shè)計與力學(xué)建模研究.pdf

1、隨著智能假肢技術(shù)的發(fā)展，觸覺傳感技術(shù)的應(yīng)用受到了廣泛的關(guān)注。觸覺傳感器能為智能假肢提供觸覺力信息，從而提高肢體殘疾者對環(huán)境的感知能力。目前，智能假肢手上集成的觸覺傳感元件分布密度較小、接觸力檢測靈敏度較低，難以實現(xiàn)分布式觸覺力的高密度、高靈敏感知。并且，現(xiàn)有的觸覺傳感器在柔性、靈敏度、分布式三維接觸力測量能力等方面仍不能完全滿足智能假肢手的接觸力檢測要求。因此，需設(shè)計新型的分布式柔性觸覺傳感器結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)智能假肢手的三維接觸力高靈敏檢測

2、，并采用力學(xué)建模的方法對觸覺傳感器進(jìn)行性能分析和優(yōu)化設(shè)計。為此，本文在國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）課題“分布式機(jī)械刺激感知系統(tǒng)設(shè)計制造原理”（課題編號:2011CB013303）和國家自然科學(xué)基金項目“仿生皮膚的柔性觸覺敏感構(gòu)件與微接觸印刷制造方法研究”（項目編號:51105333）等項目的資助下，采用理論分析和實驗研究相結(jié)合的方式，開展了分布式柔性觸覺傳感陣列的設(shè)計與制造、觸覺傳感陣列的力學(xué)建模與結(jié)構(gòu)優(yōu)化、曲面裝載對觸覺傳感

3、陣列性能的影響規(guī)律以及觸覺傳感陣列測試實驗方面的研究工作。
　　為實現(xiàn)智能假肢手的觸覺感知功能，設(shè)計了基于PDMS（聚二甲基硅氧烷）薄膜介電層的觸覺傳感單元結(jié)構(gòu)。針對觸覺傳感單元的多層結(jié)構(gòu)力學(xué)建模難題，建立了PDMS介電層觸覺傳感單元的力學(xué)解析模型，揭示了不同受力條件下觸覺傳感單元的電容變化規(guī)律。為提高觸覺傳感單元變形預(yù)測的精度，提出了分區(qū)域建模的方法，建立了觸覺傳感單元的修正力學(xué)解析模型。通過分析表明，雖然PDMS介電層觸覺傳感

4、單元的量程較大，但傳感單元的靈敏度和三維力檢測性能仍不能滿足智能假肢手的三維接觸力高靈敏檢測要求。
　　為提高觸覺傳感陣列的接觸力檢測靈敏度并實現(xiàn)三維力檢測，提出一種基于微四棱錐臺介電層的分布式柔性觸覺傳感陣列的結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用微四棱錐臺作為介電層結(jié)構(gòu)，可有效提高傳感陣列的接觸力檢測靈敏度;利用傳感單元中四個電容對應(yīng)一個表面凸起的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可實現(xiàn)智能假肢手的三維接觸力檢測。針對觸覺傳感陣列的三維力解耦問題，建立了觸覺傳感單元的三維力

5、解耦模型，實現(xiàn)了觸覺傳感陣列的三維接觸力高靈敏檢測。
　　為實現(xiàn)分布式柔性觸覺傳感陣列的接觸力檢測性能優(yōu)化，建立了微四棱錐臺介電層觸覺傳感單元的力學(xué)解析模型;基于該模型，揭示了微四棱錐臺介電層和表面凸起的結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳感單元接觸力檢測性能的影響規(guī)律，并指導(dǎo)了微四棱錐臺介電層觸覺傳感陣列的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。
　　為分析智能假肢手曲面裝載對觸覺傳感陣列接觸力檢測性能的影響，研究了曲面裝載對傳感陣列的變形影響規(guī)律，建立了曲面裝載條件下觸

6、覺傳感單元的力學(xué)解析模型;基于該模型，分析了曲面裝載條件下觸覺傳感陣列的初始電容值變化規(guī)律，并揭示了曲面裝載對不同受力條件下傳感單元接觸力檢測性能變化的影響規(guī)律。
　　針對微四棱錐臺介電層觸覺傳感陣列制造過程復(fù)雜、多層結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度低等問題，提出了分層制造、集成裝配的工藝設(shè)計思路，并對關(guān)鍵工藝步驟進(jìn)行了設(shè)計分析，通過制定具體工藝參數(shù)，完成了該觸覺傳感陣列的微制造與集成封裝。
　　為研究觸覺傳感陣列的接觸力檢測性能以及驗證本文提