【摘 要】
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作为智能机器人感知操作对象和外部环境的重要信息来源,触觉传感器可监测机器人工作中与外界环境触觉感知的相关物理参数,然而目前大多数应用于机器人的柔性触觉传感器存在灵敏度低且压力感知范围窄、无法感知微小压力信号、制备工艺复杂等缺陷。针对这一问题,本课题受鹅肠菜花粉表面多级微结构启发,开发一种具有超高灵敏度用于机器人触觉感知的柔性仿生触觉传感器,并设计一种新型多级微结构电介质层的制备工艺,本文主要研究内
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作为智能机器人感知操作对象和外部环境的重要信息来源,触觉传感器可监测机器人工作中与外界环境触觉感知的相关物理参数,然而目前大多数应用于机器人的柔性触觉传感器存在灵敏度低且压力感知范围窄、无法感知微小压力信号、制备工艺复杂等缺陷。针对这一问题,本课题受鹅肠菜花粉表面多级微结构启发,开发一种具有超高灵敏度用于机器人触觉感知的柔性仿生触觉传感器,并设计一种新型多级微结构电介质层的制备工艺,本文主要研究内容如下:（1）为提高器件输出信号,采用双电层原理作为柔性触觉传感器的传感机理;为提升器件压力传感性能,探究生物结构增敏机理,进而采用鹅肠菜花粉表面多级微结构作为器件大压力范围下高灵敏度的传感结构,并结合双电层理论模型和柔性仿生触觉传感器的等效电路模型,探究电极-电介质层微观结构对器件外力下电容变化机理的影响。（2）根据柔性仿生触觉传感器的应用场景,选择离子凝胶作为电介质材料、新型可拉伸导电复合材料作为电极材料以及PDMS作为传感器的柔性基底层。结合离子凝胶材料特点,开发一种新型离子凝胶电介质薄膜表面多级微结构的制备方法,制备出和鹅肠菜花粉表面一致的多级微结构,与传统的光刻、蚀刻工艺相比,本文提出的制备方法具有制备简单且成本低等优点;将各传感层制备好后对器件进行封装,并利用COMSOL软件对器件应力仿真,定性分析器件不同压力阶段的传感机制;通过分析性能与材料测试实验结果得到制备的多级仿生微结构电介质薄膜最优材料配比1:3.5和最佳制备工艺固化温度34℃。（3）根据传感性能测试结果,本柔性触觉仿生传感器显示出至今为止柔性电容型触觉传感器最高的灵敏度9484.3 k Pa-1（0～15 k Pa）,在15～155 k Pa的宽压力传感范围内灵敏度仍在235 k Pa-1以上,并且可检测重量为0.307 mg（产生0.12 Pa压力）的超轻薄纸,并在24 ms内快速响应,器件连续加载/卸载5000个周期仍保持稳定的电容响应,将传感器阵列化集成到机械手协助机械手进行接近和触觉传感,验证传感器的接近和触觉感知能力。（4）搭建相应实验平台进行测试验证柔性仿生触觉传感器在手术机器人中的应用。将传感器用于遥控机器人穿针引线实验平台,监测机器人操作缝合线穿针过程,不同的穿针情况使器件产生不同响应信号,使手术机器人自主穿针操作成为可能。在手术缝合进针感知实验中,从与商用薄膜传感器实验数据对比及分析可以看出,本文设计制备的柔性触觉传感器成功监测到进针针尖与组织样品接触的微小距离（低至0.1mm）,而商用传感器几乎没有响应,进一步验证本传感器的高灵敏度感知能力,有利于手术机器人选择进针出针的位置。对于更复杂的机器人切开组织手术,本传感器可监测到手术刀切开组织过程中切口是否整齐,切开过程是否碰到其他组织,证明柔性触觉传感器在手术机器人感知领域具有巨大的应用潜力,这对柔性触觉传感器用于手术机器人灵巧操作具有重要的研究指导意义。
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