基于压力敏感导电橡胶的柔性多维阵列触觉传感器研究

论文摘要

随着机器人技术的发展,应用于智能机器人,特别是仿生机器人和服务机器人的柔性多维触觉传感器的研究越来越重要。由于柔性多维触觉传感器具有对任意材质和自由曲面的压力分布测量的功能,因此在体育训练,康复医疗,运动生物力学等诸多领域中也具有广泛的应用前景。本学位论文选题来源于国家自然科学基金资助项目（编号:60672024）和国家863计划项目（编号:2007AA04Z220）。本论文综合应用材料科学、纳米技术、传感技术和人工智能等学科领域的理论与技术,针对目前多维阵列触觉传感器研究和应用中不能兼有柔韧性和测量多维力特征信息等难题,进行了传感器材料、制备工艺、传感器结构等方面的创新性研究。主要研究工作及取得的创新性成果如下:1.深入分析了压力敏感导电橡胶各种材料成分的结构、物理化学性质及相互间的作用机理,提出了兼顾高柔软性和高导电性的新的材料配方,研究了经济可行的直接由液体固化成型的压力敏感导电橡胶制备新工艺;使制备任意形状的柔性触觉传感器阵列成为可能。2.应用宏观导电通路理论和微观隧道电流理论,探讨了压力敏感导电橡胶的导电机理,深入分析了压力敏感导电橡胶的非线性渗滤导电现象和影响材料压阻特性的主要因素。通过理论分析和实验研究,获得了确定最佳炭黑导电填料添加比例的科学依据。3.理论分析了所选纳米改性材料粒子的微观结构及其在聚合物中的物理特性,深入研究了纳米改性材料对压力敏感导电橡胶的作用机理。首次提出了利用纳米材料对压力敏感导电橡胶进行改性从而提高材料性能的新方法。对添加了纳米SiO2和纳米Al2O3的压力敏感导电橡胶进行了压阻特性/蠕变特性/温度特性/抗老化特性等比对标定实验,实验结果表明:纳米材料使压力敏感导电橡胶的多项特性均有了明显的改善。4.研制了两种具有创新型结构的柔性多维阵列触觉传感器,一为基于体压阻效应的整体多层网状阵列结构,另一为基于界面压阻效应的单层阵列结构。分别对两种结构的传感器进行了受力分析,建立了探测三维力信息的数学模型。通过实验,研究和分析了两种结构传感器的特点和主要误差源。结果表明,基于这两种新型结构和数学模型的柔性多维阵列触觉传感器,均可有效的实现三维力信息的检测。本文研究的新型可液体成型的压力敏感导电橡胶材料,不仅具有良好力学和电学性能,而且制作成本低,制备工艺简单易行;所研制的柔性多维阵列触觉传感器既具有类似于人体皮肤的柔韧性,又具有获取三维方向力信息的功能。本论文的研究工作及成果为进一步研究机器人敏感皮肤和柔性触觉传感器的推广应用奠定了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 柔性多维阵列触觉传感器及应用
• 1.2 触觉传感器的研究现状及存在的问题
• 1.2.1 触觉传感器的柔性化研究
• 1.2.2 触觉传感器的多维力测量研究
• 1.2.3 存在问题
• 1.2.4 课题的提出
• 1.3 课题来源
• 1.4 课题的目的、意义及主要研究内容
• 1.4.1 课题的目的、意义
• 1.4.2 主要研究内容
• 1.5 论文的构成
• 第二章 柔性压力敏感导电橡胶材料与制备工艺研究
• 2.1 材料组分研究和实验
• 2.1.1 基体材料
• 2.1.2 导电填料
• 2.1.3 纳米改性材料
• 2.1.4 其他辅助材料
• 2.2 制备工艺研究和实验
• 2.2.1 材料分散处理
• 2.2.2 导电粒子填充量的影响
• 2.2.3 溶液共混和成型
• 2.3 工艺流程
• 2.4 本章小结
• 第三章 柔性压力敏感导电橡胶的导电机理及压阻特性
• 3.1 理论基础
• 3.1.1 压力敏感导电橡胶的导电性
• 3.1.2 压力敏感导电橡胶的压阻行为
• 3.2 导电机理的探讨
• 3.2.1 导电通路理论的宏观机制
• 3.2.2 隧道电流理论的微观机制
• 3.2.3 导电特性的温度影响
• 3.2.4 基于隧道效应理论的压阻计算模型
• 3.3 实验和讨论
• 3.3.1 导电性与机理分析
• 3.3.2 温度效应实验
• 3.3.3 压阻效应实验
• 3.4 本章小结
• 第四章 纳米材料对压力敏感导电橡胶的改性研究
• 4.1 纳米材料改性机理研究
• 4.1.1 纳米粒子的特性
• 4.1.2 纳米粒子与炭黑/硅橡胶的作用机理
• 4.2 纳米粒子在聚合物中的微观结构分析和研究
• 4.2.1 纳米粒子的微观结构
• 4.2.2 纳米粒子链
• 4.3 纳米材料改性实验与结果分析
• 4.3.1 样品制备和测量
• 4.3.2 压阻特性实验与分析
• 4.3.3 导电特性分析和研究
• 4.3.4 电阻蠕变行为实验与分析
• 4.3.5 电阻温度特性实验与分析
• 4.3.6 抗老化实验与分析
• 4.3.7 性能比较
• 4.4 本章小结
• 第五章 柔性多维阵列触觉传感器结构设计与实验
• 5.1 基本理论与设计基础
• 5.1.1 体压阻效应
• 5.1.2 界面压阻效应
• 5.1.3 压阻效应实验验证
• 5.1.4 电极设计
• 5.2 多层网状阵列式结构原理与设计
• 5.2.1 结构设计
• 5.2.2 网状三维力计算模型
• 5.3 多层网状阵列式实验和分析
• 5.3.1 样品制备和测量
• 5.3.2 数据处理
• 5.3.3 结果和分析
• 5.4 单层阵列式结构原理与设计
• 5.4.1 结构设计
• 5.4.2 单层三维力计算模型
• 5.5 单层阵列式实验和分析
• 5.5.1 样品制备和测量
• 5.5.2 数据处理
• 5.5.3 结果和分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 研究总结
• 6.2 本文的创新点
• 6.3 下一步工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文及成果