分布式柔性触觉传感阵列的设计与力学建模研究

发布时间：2018-06-24 03:21

  本文选题：智能假肢 + 触觉传感阵列　； 参考：《浙江大学》2017年博士论文

【摘要】：随着智能假肢技术的发展,触觉传感技术的应用受到了广泛的关注。触觉传感器能为智能假肢提供触觉力信息,从而提高肢体残疾者对环境的感知能力。目前,智能假肢手上集成的触觉传感元件分布密度较小、接触力检测灵敏度较低,难以实现分布式触觉力的高密度、高灵敏感知。并且,现有的触觉传感器在柔性、灵敏度、分布式三维接触力测量能力等方面仍不能完全满足智能假肢手的接触力检测要求。因此,需设计新型的分布式柔性触觉传感器结构,以实现智能假肢手的三维接触力高灵敏检测,并采用力学建模的方法对触觉传感器进行性能分析和优化设计。为此,本文在国家重点基础研究发展计划(973计划)课题"分布式机械刺激感知系统设计制造原理"(课题编号:2011CB013303)和国家自然科学基金项目"仿生皮肤的柔性触觉敏感构件与微接触印刷制造方法研究"(项目编号:51105333)等项目的资助下,采用理论分析和实验研究相结合的方式,开展了分布式柔性触觉传感阵列的设计与制造、触觉传感阵列的力学建模与结构优化、曲面装载对触觉传感阵列性能的影响规律以及触觉传感阵列测试实验方面的研究工作。为实现智能假肢手的触觉感知功能,设计了基于PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜介电层的触觉传感单元结构。针对触觉传感单元的多层结构力学建模难题,建立了PDMS介电层触觉传感单元的力学解析模型,揭示了不同受力条件下触觉传感单元的电容变化规律。为提高触觉传感单元变形预测的精度,提出了分区域建模的方法,建立了触觉传感单元的修正力学解析模型。通过分析表明,虽然PDMS介电层触觉传感单元的量程较大,但传感单元的灵敏度和三维力检测性能仍不能满足智能假肢手的三维接触力高灵敏检测要求。为提高触觉传感阵列的接触力检测灵敏度并实现三维力检测,提出一种基于微四棱锥台介电层的分布式柔性触觉传感阵列的结构设计。采用微四棱锥台作为介电层结构,可有效提高传感阵列的接触力检测灵敏度;利用传感单元中四个电容对应一个表面凸起的结构设计,可实现智能假肢手的三维接触力检测。针对触觉传感阵列的三维力解耦问题,建立了触觉传感单元的三维力解耦模型,实现了触觉传感阵列的三维接触力高灵敏检测。为实现分布式柔性触觉传感阵列的接触力检测性能优化,建立了微四棱锥台介电层触觉传感单元的力学解析模型;基于该模型,揭示了微四棱锥台介电层和表面凸起的结构参数对传感单元接触力检测性能的影响规律,并指导了微四棱锥台介电层触觉传感阵列的结构优化设计。为分析智能假肢手曲面装载对触觉传感阵列接触力检测性能的影响,研究了曲面装载对传感阵列的变形影响规律,建立了曲面装载条件下触觉传感单元的力学解析模型;基于该模型,分析了曲面装载条件下触觉传感阵列的初始电容值变化规律,并揭示了曲面装载对不同受力条件下传感单元接触力检测性能变化的影响规律。针对微四棱锥台介电层触觉传感阵列制造过程复杂、多层结构连接强度低等问题,提出了分层制造、集成装配的工艺设计思路,并对关键工艺步骤进行了设计分析,通过制定具体工艺参数,完成了该触觉传感阵列的微制造与集成封装。为研究触觉传感阵列的接触力检测性能以及验证本文提出的理论模型的正确性,研制了分布式触觉传感阵列的扫描测量电路,构建了传感阵列接触力检测性能测试平台和接触力实时显示系统。通过实验研究了平面装载条件下触觉传感单元的静态力检测性能、接触位置识别能力和动态响应速度,研究了曲面装载条件下触觉传感阵列的接触力检测性能变化规律。实现了触觉传感阵列在假肢手上的装载测试,实验结果表明本文研制的触觉传感阵列可用于智能假肢手的三维接触力检测。
[Abstract]:In order to improve the sensitivity of the tactile sensing unit and to realize the three - dimensional force detection , a novel distributed flexible tactile sensor structure is designed to improve the sensitivity of the tactile sensor array and to realize three - dimensional force detection . In order to study the contact force detection performance , the contact position identification and the dynamic response speed of the tactile sensor array , the change law of the contact force of the tactile sensing array under the condition of plane loading is studied . The experimental results show that the tactile sensing array can be used in the three - dimensional contact force detection of the artificial limb .
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP212

【参考文献】

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本文编号：2059777