基于磁流变弹性体压阻效应的柔性触觉传感器研究

摘要

机器人在工业生产与制造领域、服务行业以及日常生活中都扮演着十分重要的角色。机器人的稳定控制与安全交互技术是机器人技术付诸应用的核心问题，该问题的解决依赖于机器人传感技术的发展。柔性触觉传感技术能够显著促进机器人的柔顺控制，增强人机交互的友好性，因此，柔性触觉传感技术的研究和探索对于机器人领域具有极为重要的实用意义。柔性触觉传感器的发展趋势是具备类似于人类皮肤的特性与功能，其主要表现在物理特性上具备柔韧性与耐久性，传感功能上具备多维、多点压力传感与温度、湿度传感等多参数传感功能。磁流变弹性体(magnetor heo lo gica l elastomer, MRE)具有较稳定的导电特性与压阻效应，兼具良好的柔韧性等优点，且磁致链化型 MRE导电特性具备较好的可调控性。以磁致链化型 MRE作为敏感材料的柔性触觉传感器的研究在提高机器人技术实用性方面具有重大的参考价值。
　　本文以触觉传感器的设计与应用为目标，首先对 MRE的变形力学行为、导电机理与压阻特性进行了理论分析与实验验证；对柔性触觉传感器的工作原理和阵列式敏感结构进行研究，设计并制备阵列式敏感结构；设计了柔性触觉传感器的测量电路方案与相关程序算法；最后对柔性触觉传感器的阵列敏感结构进行了标定，并对传感器进行了压力与定位测试实验。主要工作具体如下：
　　为确定 MRE的应用条件与范围，对弹性体的力学行为展开分析；对其导电机理进行研究分析，以确定压阻效应较为显著的填充浓度范围；结合其力学特性与导电机理，对其压阻效应进行理论分析，并建立压阻方程。通过实验对比分析了均匀型MRE与磁致链化型MRE压阻特性；利用实验数据对压阻方程进行了拟合，利用实验数据对压阻方程进行拟合，以验证压阻方程的正确性。
　　利用柔性电路板作为阵列式敏感结构的电极，设计了具有九个敏感单元的阵列传感结构，并采用行列扫描方式实现对各敏感单元的逐点检测；针对敏感材料较宽的电阻变化范围的特点，设计了串联分压与恒流源混合分级电阻检测电路；通过实验对敏感结构进行标定，确定了各敏感单元压力求解方程，通过实验测试了传感器，分析了误差产生原因。最后，对本文所设计的基于 MRE压阻效应的柔性触觉传感器的可行性进行了评估。

目录

1 绪 论

1.1课题背景

1.2柔性触觉传感技术研究现状

1.3磁流变弹性体研究现状

1.4本文主要研究内容

1.5本章小结

2 磁流变弹性体压阻效应理论及实验

2.1磁流变弹性体变形力学行为分析

2.2磁流变弹性体导电理论及压阻模型研究

2.3磁流变弹性体的制备

2.4磁流变弹性体压阻特性实验

2.5 磁流变弹性体压阻模型验证

2.6本章小结

3 柔性触觉传感原理与阵列敏感结构研究

3.1 柔性触觉传感基础

3.2阵列敏感结构设计

3.3阵列敏感结构的制备

3.4本章小结

4 传感器测量电路设计

4.1方案设计

4.2 硬件电路设计

4.3 软件设计

4.4本章小结

5 柔性触觉传感器实验研究

5.1传感结构与测量电路集成

5.2磁流变弹性体敏感结构标定实验

5.3柔性触觉传感器测试实验

5.4本章小结

6 全文总结与工作展望

6.1论文工作总结

6.2论文特色

6.3后续工作展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目

C. 作者在攻读学位期间申报专利目录