【摘 要】
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随着电子皮肤在医疗保健、软体机器人和人造假肢等领域的需求不断增加,柔性三维力触觉传感器作为电子皮肤的一项重要应用而成为国内外研究人员的研究热点。但是目前研究报道的三维力触觉传感器还存在灵敏度低、检测范围有限、响应慢等缺点,限制了其应用范围。为扩展三维力触觉传感器的应用范围,本文将从传感器的结构设计和复合材料体系设计出发,研究制备具有高灵敏度、高柔韧性、宽检测范围及快速响应等优点的电容式柔性三维力触
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随着电子皮肤在医疗保健、软体机器人和人造假肢等领域的需求不断增加,柔性三维力触觉传感器作为电子皮肤的一项重要应用而成为国内外研究人员的研究热点。但是目前研究报道的三维力触觉传感器还存在灵敏度低、检测范围有限、响应慢等缺点,限制了其应用范围。为扩展三维力触觉传感器的应用范围,本文将从传感器的结构设计和复合材料体系设计出发,研究制备具有高灵敏度、高柔韧性、宽检测范围及快速响应等优点的电容式柔性三维力触觉传感器。本文提出了一种基于多孔状复合介质层的电容式柔性三维力触觉传感器,其结构包括:半球形触头、截面为U形的凹槽结构、圆形公共极板、方形感应极板、圆柱形腔体以及柔性基底,并以三维多孔状复合材料作为介质层材料;三维多孔状导电复合材料是以多壁碳纳米管和石墨烯作为导电填料、硅橡胶作为基体,聚氨酯海绵作为模板,通过浸渍-涂覆工艺制备而成。研究了导电复合溶液浓度、浸渍-涂覆次数以及浸渍时间对导电复合材料电学特性和力学特性的影响机理。在三维力作用下,利用极板间距与介电常数间协同作用,进一步提升传感器灵敏度。利用有限元仿真阐述了传感器的工作机理并对传感器结构进行优化,研究不同凹槽结构和触头结构对传感器灵敏度的影响。采用3D打印技术和层层组装工艺制备出电容式柔性三维力触觉传感器,并对传感器的静态特性和动态特性进行测试。实验验证本文提出的三维力触觉传感器具有高灵敏度(法向力在0-5 N范围内,灵敏度为0.693 N-1,法向力在5-14 N范围内,灵敏度为0.483 N-1;切向力在0-2 N范围内,灵敏度为0.551 N-1,切向力在2-6 N范围内,灵敏度为0.481N-1)、宽检测范围（法向力检测范围为0-14 N;切向力检测范围为0-6 N）、快速响应（30 ms）,以及低迟滞（6.8%）等优异特性,并将其应用于人机交互、智能机器人等领域,如鼠标点击、软体机械手抓取及手柄旋转等操作,实验结果表明本文提出的三维力触觉传感器可作为电子皮肤应用于触觉感知领域。
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