人工皮膚柔性觸覺傳感器的設(shè)計(jì)制備及傳感特性研究.pdf

1、皮膚是人體感知外界環(huán)境信息的重要感知器官，人類依靠皮膚產(chǎn)生的觸覺感知周圍環(huán)境中的信息。本文將含液體芯PVDF壓電纖維(LPF，Liquid Core PVDF Fiber)埋入到醫(yī)用硅橡膠中，設(shè)計(jì)制備了一種人工皮膚柔性觸覺傳感器(AS，Artificial Skin Flexible TactileSensor)，對其觸覺傳感功能進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，并取得了初步的研究成果。主要的研究內(nèi)容和研究成果如下:
　　(1)利用自制的

2、拉絲纖維設(shè)備，成功的制備出液體芯PVDF纖維，表征了纖維的微觀形貌和力學(xué)性能，進(jìn)行了XRD測試，結(jié)果表明，纖維的拉伸倍數(shù)越大，其壓電性能越強(qiáng)。通過對比實(shí)驗(yàn)，說明在同等實(shí)驗(yàn)條件下，液體芯PVDF壓電纖維的傳感信號是金屬芯PVDF纖維的1.75倍。
　　(2)將含液體芯PVDF纖維埋入到醫(yī)用硅橡膠中，設(shè)計(jì)制備了一種人工皮膚柔性觸覺傳感器。采用能量法和平均電荷方法，建立了這種觸覺傳感器的壓力傳感模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種觸覺傳感器能夠感知

3、多種不同激勵(lì)方式不同頻率的信號，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明傳感信號和激勵(lì)信號基本呈線性關(guān)系;并能準(zhǔn)確的反映出沖擊、三角波、正弦波激勵(lì)的作用過程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論模型。
　　(3)基于簡支梁振動(dòng)理論模型，本文研究了觸覺傳感器的壓力傳感靈敏度。用壓電微動(dòng)工作臺進(jìn)行靈敏度測試實(shí)驗(yàn)。在正弦激勵(lì)和沖擊激勵(lì)的作用下，傳感器的最小響應(yīng)幅值為300nm，最小響應(yīng)頻率為0.1Hz，共振頻率為7Hz;當(dāng)采用方波作為激勵(lì)方式時(shí)，方波的沖擊特性越明顯，傳感器的輸出

4、信號越強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種觸覺傳感器具有優(yōu)于人體手指的超高靈敏度。
　　(4)將液體芯PVDF纖維陣列埋入到醫(yī)用硅橡膠中，設(shè)計(jì)制備出大面積的人工皮膚柔性觸覺傳感器。在正弦激勵(lì)作用下，測得傳感器在激振頻率為16Hz時(shí)，對時(shí)間響應(yīng)的靈敏度最高。在沖擊激勵(lì)時(shí)，激勵(lì)點(diǎn)到纖維的距離和傳感信號之間，呈近似于正態(tài)分布的關(guān)系。利用此模型，可以準(zhǔn)確判斷出沖擊激勵(lì)的幅值大小和沖擊點(diǎn)位置點(diǎn)的坐標(biāo)。
　　通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，表明這種人工皮膚柔