基于壓阻效應(yīng)的柔性三維力觸覺傳感器的研究.pdf

1、觸覺是智能機(jī)器人感知外界的重要手段，隨著智能機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，觸覺傳感器的研究也越來越重要。觸覺傳感器不僅要具有類似人體皮膚的柔性，能夠覆蓋在復(fù)雜形狀的載體表面，還需要能夠同時(shí)對(duì)空間的三維力進(jìn)行檢測(cè)，使智能機(jī)器人能完成各種復(fù)雜和精細(xì)的任務(wù)。本文針對(duì)目前觸覺傳感器的研究還難以兼顧柔性和三維測(cè)量能力的現(xiàn)狀，基于PDMS/納米石墨片復(fù)合材料的壓阻效應(yīng)，對(duì)一種柔性三維力觸覺傳感器進(jìn)行了研究。
　　本文基于導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的壓阻

2、效應(yīng)，提出了一種柔性三維力觸覺傳感器的設(shè)計(jì)方案。對(duì)該傳感器的表面凸起層、壓阻層和電路板層三層結(jié)構(gòu)以及三維力測(cè)量原理進(jìn)行了分析，并利用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)傳感器表面凸起層進(jìn)行了仿真?；跐B流理論和量子隧道效應(yīng)理論對(duì)導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)電機(jī)理進(jìn)行了解釋，并對(duì)其壓阻效應(yīng)進(jìn)行了理論推導(dǎo)。
　　使用溶液共混法制備了PMDS/納米石墨片復(fù)合材料，并對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了掃描電子顯微鏡觀測(cè)和拉曼光譜分析。通過測(cè)量得到了PDM

3、S/納米石墨片復(fù)合材料的滲流曲線以及在不同濃度下的壓阻曲線，其滲流閾值約為3.5wt％，其壓阻效應(yīng)可以用滲流理論來進(jìn)行解釋，納米石墨片為5wt%時(shí)表現(xiàn)出良好的負(fù)壓阻效應(yīng)。
　　基于光刻與刻蝕的工藝制備了凹模具，并通過澆鑄分別制備了PDMS表面凸起層和納米石墨片質(zhì)量為5wt%的PDMS/納米石墨片壓阻層，并在掃描電子顯微鏡下對(duì)兩層結(jié)構(gòu)及其凹模的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀測(cè)。利用光刻與蒸鍍電極的工藝制備了電路板層。在位移平臺(tái)和光學(xué)顯微裝置下將傳

4、感器的三層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)準(zhǔn)粘接，裝配得到了柔性三維力觸覺傳感器。
　　搭建測(cè)試系統(tǒng)對(duì)柔性三維力觸覺傳感器單元進(jìn)行了靜態(tài)性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該傳感器單元呈現(xiàn)出非線性負(fù)壓阻特性，當(dāng)載荷力處于傳感器的對(duì)稱平面上，傾斜角度大于60°時(shí)，傳感器的量程為2N，分辨率為0.1N，靈敏度隨著壓力的增大逐漸減小，最大靈敏度為163.6%/N，最小靈敏度為7.6%/N。最后對(duì)該三維力觸覺傳感器進(jìn)行了耦合誤差分析，并基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)靜態(tài)測(cè)試結(jié)果進(jìn)