基于压阻效应的柔性三维力触觉传感器的研究

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1、硕士学位论文基于压阻效应的柔性三维力触觉传感器的研究RESEARCHONFLEXIBLETHREE-DIMENSIONALFORCETACTILESENEORBASEDONTHEPIEZORESISTIVEEFFECT王良泽哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：TG661学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文基于压阻效应的柔性三维力触觉传感器的研究硕士研究生：王良泽导师：王振龙教授申请学位：工学硕士学科：机械制造及其自动化所在单位：机电工程学院答辩日期：2016年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG661U.D.C:6

2、21DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONFLEXIBLETHREE-DIMENSIONALFORCETACTILESENEORBASEDONTHEPIEZORESISTIVEEFFECTCandidate：WangLiangzeSupervisor：Prof.WangZhenlongAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalManufacturingandAutomationAffiliation：SchoolofMechatro

3、nicsEngineeringDateofDefence：June,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要触觉是智能机器人感知外界的重要手段，随着智能机器人技术的快速发展和应用，触觉传感器的研究也越来越重要。触觉传感器不仅要具有类似人体皮肤的柔性，能够覆盖在复杂形状的载体表面，还需要能够同时对空间的三维力进行检测，使智能机器人能完成各种复杂和精细的任务。本文针对目前触觉传感器的研究还难以兼顾柔性和三维测量能力的现状，基于PDMS/纳米石墨片复合材料的压阻效应，对一种柔性

4、三维力触觉传感器进行了研究。本文基于导电聚合物复合材料的压阻效应，提出了一种柔性三维力触觉传感器的设计方案。对该传感器的表面凸起层、压阻层和电路板层三层结构以及三维力测量原理进行了分析，并利用COMSOLMultiphysics软件对传感器表面凸起层进行了仿真。基于渗流理论和量子隧道效应理论对导电聚合物复合材料的导电机理进行了解释，并对其压阻效应进行了理论推导。使用溶液共混法制备了PMDS/纳米石墨片复合材料，并对复合材料进行了扫描电子显微镜观测和拉曼光谱分析。通过测量得到了PDMS/纳米石墨片复合材料的渗流曲线以及在不同浓度下的压阻曲线，其渗流阈值约为3.5wt%，其压阻效应可以用渗

5、流理论来进行解释，纳米石墨片为5wt%时表现出良好的负压阻效应。基于光刻与刻蚀的工艺制备了凹模具，并通过浇铸分别制备了PDMS表面凸起层和纳米石墨片质量为5wt%的PDMS/纳米石墨片压阻层，并在扫描电子显微镜下对两层结构及其凹模的微观结构进行了观测。利用光刻与蒸镀电极的工艺制备了电路板层。在位移平台和光学显微装置下将传感器的三层结构进行了对准粘接，装配得到了柔性三维力触觉传感器。搭建测试系统对柔性三维力触觉传感器单元进行了静态性能测试，测试结果表明该传感器单元呈现出非线性负压阻特性，当载荷力处于传感器的对称平面上，倾斜角度大于60°时，传感器的量程为2N，分辨率为0.1N，灵敏度随着

6、压力的增大逐渐减小，最大灵敏度为163.6%/N，最小灵敏度为7.6%/N。最后对该三维力触觉传感器进行了耦合误差分析，并基于BP神经网络算法对静态测试结果进行了非线性解耦计算，解耦计算结果最大误差为0.08N。关键词：压阻效应；三维力；柔性；触觉传感器；BP神经网络-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractThetactileperceptionisanimportantapproachforintelligentrobotstogetinformationfromtheexternalenvironment,astherapiddevelopmentandapplicat

7、ionofintelligentrobottechnology,theresearchontactilesensingbecomesmoreandmoreimportant.Tactilesensorsnotonlyneedtohavetheflexibilityofhumanskin,whichensurethemcoverthecomplexshapeofthesurfaceofthecarrier,butalsoneedtobeablet