基于壓阻效應(yīng)的柔性三維力觸覺傳感器的研究.pdf

1、觸覺是智能機器人感知外界的重要手段，隨著智能機器人技術(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，還需要能夠同時對空間的三維力進行檢測，使智能機器人能完成各種復(fù)雜和精細(xì)的任務(wù)。本文針對目前觸覺傳感器的研究還難以兼顧柔性和三維測量能力的現(xiàn)狀，基于PDMS/納米石墨片復(fù)合材料的壓阻效應(yīng)，對一種柔性三維力觸覺傳感器進行了研究。
　　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)計方案。對該傳感器的表面凸起層、壓阻層和電路板層三層結(jié)構(gòu)以及三維力測量原理進行了分析，并利用COMSOL Multiphysics軟件對傳感器表面凸起層進行了仿真。基于滲流理論和量子隧道效應(yīng)理論對導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)電機理進行了解釋，并對其壓阻效應(yīng)進行了理論推導(dǎo)。
　　使用溶液共混法制備了PMDS/納米石墨片復(fù)合材料，并對復(fù)合材料進行了掃描電子顯微鏡觀測和拉曼光譜分析。通過測量得到了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行解釋，納米石墨片為5wt%時表現(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兩層結(jié)構(gòu)及其凹模的微觀結(jié)構(gòu)進行了觀測。利用光刻與蒸鍍電極的工藝制備了電路板層。在位移平臺和光學(xué)顯微裝置下將傳

4、感器的三層結(jié)構(gòu)進行了對準(zhǔn)粘接，裝配得到了柔性三維力觸覺傳感器。
　　搭建測試系統(tǒng)對柔性三維力觸覺傳感器單元進行了靜態(tài)性能測試，測試結(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稱平面上，傾斜角度大于60°時，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。最后對該三維力觸覺傳感器進行了耦合誤差分析，并基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對靜態(tài)測試結(jié)果進