用于人工假肢的分布式柔性电容触觉传感器的设计与制造

发布时间：2017-04-07 06:53

  本文关键词：用于人工假肢的分布式柔性电容触觉传感器的设计与制造，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本学位论文结合国家重点基础研究发展计划(973计划)“人体运动功能重建的生机电一体化科学基础”(项目编号：2011CB013300)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),开展了用于人工假肢的分布式柔性电容触觉传感器设计和制造技术的研究。首先,对分布式柔性电容触觉传感器进行材料选取和结构设计,并进行有限元仿真分析和优化。然后,完成了触觉传感器的加工制造,并进行了静动态性能检测实验,同时,开展了电刺激反馈实验,实现人工假肢的触觉反馈功能。最后,开发了触觉传感器多点检测系统,并设计制造了改进型分布式柔性电容触觉传感器,利用检测系统完成了改进型触觉传感器的实验研究。 第一章,阐述了论文研究的背景和意义,详细介绍了当前国内外人工假肢和柔性触觉传感器的研究现状,确定了论文的主要研究内容和框架。 第二章,设计了一种基于PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)和PDMS(聚二甲基硅氧烷)的分布式柔性电容触觉传感器,它由表面凸起层、上极板层和下极板层组成；单轴实验获得了不同质量比PDMS的非线性应力-应变关系以及小变形下的杨氏模量；使用COMSOL软件对传感器进行机电耦合场有限元仿真,并对线条结构介电层进行分析讨论。 第三章,在PET膜上利用剥离工艺形成Cu电极图案,旋转涂覆一层15μm厚度的20:1PDMS,完成了上下极板层的制造；基于线切割的Al模具,进行两次复制模铸,得到7.5：1的PDMS表面凸起层；通过氧等离子体处理粘结表面,对准粘结三层结构,制作的分布式柔性电容触觉传感器色泽明亮,弯曲性能优良。 第四章,实验获得了传感器的静态特性,在0-200mN测量范围内的灵敏度为0.55‰/mN,300-800mN的灵敏度为0.025‰/mN；通过循环加载和卸载实验,测得传感器的加载响应时间为60ms左右；搭建了包括肌电假肢、触觉传感器、运算放大式电路、电刺激器的触觉信号反馈实验系统,实现了假肢的触觉反馈功能。 第五章,设计了扫描电路式的触觉传感器多点检测系统,完成了电路原理图的绘制,制作了电路板,并结合单片机的程序流程图完成了程序的编写。 第六章,设计制造了改进型分布式柔性电容触觉传感器,其空间分辨率达到了2mm,介电层为PDMS线条结构；进行了改进型传感器的静动态性能检测实验,实验结果表明,传感器具有双测量范围,高灵敏度,可感知轻微力,并具有高重复性,低迟滞性,响应时间小于60ms；对不同形状的试块进行静压力实验,得到了压力形状和压力值的云图；实验研究了肌电假肢在握紧和捏紧物体过程中的压力分布情况,使假肢具备了触觉感知能力。 第七章,总结了论文的主要研究工作,并展望了未来的研究工作。
【关键词】：触觉传感器 人工假肢 PDMS 电容传感器 柔性电子
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R318.17;TP212
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 致谢9-13
• 1 绪论13-29
• 1.1 论文研究的背景和意义13-14
• 1.2 人工假肢的研究现状14-17
• 1.3 柔性触觉传感器的研究现状17-27
• 1.3.1 电阻式传感器19-23
• 1.3.2 电容式传感器23-25
• 1.3.3 压电式传感器25-26
• 1.3.4 其它形式传感器26-27
• 1.4 论文的主要研究内容与框架27-28
• 1.5 本章小结28-29
• 2 分布式柔性电容触觉传感器的设计29-45
• 2.1 分布式柔性电容触觉传感器的整体设计29-33
• 2.1.1 分布式柔性电容触觉传感器的材料选取29
• 2.1.2 分布式柔性电容触觉传感器的结构设计29-33
• 2.2 PDMS非线性力学特性研究33-39
• 2.2.1 PDMS材料特性33-34
• 2.2.2 PDMS单轴拉伸压缩实验34-38
• 2.2.3 实验数据的Mooney-Rivlin模型拟合38-39
• 2.3 分布式柔性电容触觉传感器的有限元分析39-44
• 2.3.1 分布式柔性电容触觉传感器的机电耦合场分析40-42
• 2.3.2 线条结构介电层传感器的有限元分析42-44
• 2.4 本章小结44-45
• 3 分布式柔性电容触觉传感器的制造工艺研究45-58
• 3.1 传感器上下极板层制造45-52
• 3.1.1 光刻45-48
• 3.1.2 磁控溅射电极48-50
• 3.1.3 PDMS的旋转涂覆50-52
• 3.2 传感器表面凸起层的制造52-54
• 3.3 传感器的贴合装配54-57
• 3.4 本章小结57-58
• 4 分布式柔性电容触觉传感器的特性研究与触觉信号反馈实验58-69
• 4.1 传感器静态特性研究58-61
• 4.2 传感器动态特性研究61-63
• 4.3 结合人工假肢的触觉信号反馈实验63-68
• 4.3.1 触觉信号反馈实验原理与框架64-66
• 4.3.2 触觉信号反馈实验系统66-68
• 4.4 本章小结68-69
• 5 触觉传感器多点检测系统的开发69-77
• 5.1 传感器多点检测系统原理69-70
• 5.2 传感器检测电路设计70-75
• 5.2.1 单片机模块70-71
• 5.2.2 串行通信模块71-72
• 5.2.3 AD7745电路72-74
• 5.2.4 电路原理图设计与硬件制作74-75
• 5.3 单片机程序设计75-76
• 5.4 本章小结76-77
• 6 改进型分布式柔性电容触觉传感器的设计制造与实验研究77-92
• 6.1 改进型分布式柔性电容触觉传感器的设计制造77-82
• 6.2 改进型分布式柔性电容触觉传感器的实验研究82-91
• 6.2.1 改进型传感器静动态性能检测82-86
• 6.2.2 改进型传感器多点检测实验86-89
• 6.2.3 用于人工假肢的触觉感知实验89-91
• 6.3 本章小结91-92
• 7 总结与展望92-95
• 7.1 全文总结92-94
• 7.2 工作展望94-95
• 参考文献95-102
• 攻读硕士学位期间参加的科研项目及获得的科研成果102

【参考文献】

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本文编号：289816