智能假肢的柔性觸覺傳感器研究.pdf

1、隨著我國(guó)殘疾人特別是殘肢患者人數(shù)的增加，肢殘患者生活和工作能力的喪失，已成為不可回避的社會(huì)問題，采用工程學(xué)方法制造替代假肢則是目前讓肢殘患者回到正常生活的主要解決方案。相對(duì)于傳統(tǒng)假肢，新一代的智能假肢需要具有人機(jī)雙向互動(dòng)的能力，而觸覺傳感器為智能假肢的人機(jī)交互提供必要的信息支持，是其獲取環(huán)境信息的重要方式。
　　本文從這一實(shí)際需要出發(fā)，在國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）資助項(xiàng)目“人體運(yùn)動(dòng)功能重建的生機(jī)電一體化科學(xué)基礎(chǔ)”和其子

2、課題“分布式機(jī)械刺激感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造原理”(2011CB013303)的支持下，針對(duì)假肢機(jī)械手對(duì)觸覺傳感器的性能要求，提出了一種新型柔性觸覺傳感陣列，其特點(diǎn)是以聚合物復(fù)合材料所制備的有向亞微米纖維束作為敏感元件，通過沉積垂直于兩個(gè)平行電極的有向纖維形成單個(gè)敏感單元，最終形成雙面正交式平行觸覺傳感陣列。
　　全文圍繞這一目標(biāo)，按照以下章節(jié)對(duì)該博士課題進(jìn)行了系統(tǒng)研究:
　　第1章，闡述了論文的研究背景與意義，通過對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)進(jìn)行

3、綜述，對(duì)人工觸覺傳感器研究的發(fā)展、原理分類、靈巧手集成問題進(jìn)行了概述，對(duì)基于纖維材料的觸覺傳感器的研究現(xiàn)狀、纖維材料制備方法進(jìn)行了介紹。最后明確了本課題的主要研究?jī)?nèi)容。
　　第2章，總結(jié)了聚合物基體的復(fù)合材料的逾滲導(dǎo)電理論和壓敏計(jì)算方法。針對(duì)復(fù)合材料的有序纖維結(jié)構(gòu)，分析了內(nèi)部CNT的排布規(guī)律并建立了基于量子隧穿理論的壓阻計(jì)算模型。接下來總結(jié)了靜電紡絲的基本原理和一些現(xiàn)有可控靜紡方法，并在此基礎(chǔ)上搭建了自動(dòng)靜紡實(shí)驗(yàn)臺(tái)。從理論方面和實(shí)

4、驗(yàn)方面分別研究了纖維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的逾滲閾值。最后基于正交試驗(yàn)方法研究了靜紡主要控制參數(shù)對(duì)纖維有向性和紡絲效率的影響，并得到了最優(yōu)的參數(shù)配置方案。
　　第3章，分析了智能假肢對(duì)觸覺傳感的性能需求，設(shè)計(jì)了以PU/MWCNT復(fù)合材料有向纖維作為敏感元件的柔性觸覺傳感器，有向纖維束垂直于電極分布形成壓力敏感單元。傳感陣列采用雙面正交式平行敏感單元陣列，經(jīng)緯敏感單元各自檢測(cè)單一維度的壓力信息，通過兩個(gè)面的信息合成獲得壓力大小與位置信息。根據(jù)

5、敏感單元電阻測(cè)量需要，設(shè)計(jì)了基于I-V轉(zhuǎn)換原理的多路高阻測(cè)量電路，實(shí)現(xiàn)柔性觸覺傳感陣列的實(shí)時(shí)檢測(cè)。制備出整體厚度可以控制在1毫米以內(nèi)的全柔性觸覺傳感陣列，并對(duì)其進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，并完成了動(dòng)靜態(tài)性能測(cè)試，驗(yàn)證了其力分辨能力、空間分辨能力、滑動(dòng)檢測(cè)能力和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。
　　第4章，分析了觸覺傳感器在集成到假肢手后受到的性能影響，說明了對(duì)裝載后的傳感器進(jìn)行標(biāo)定和性能測(cè)試的必要性。針對(duì)假肢手上觸覺傳感陣列性能測(cè)試的特點(diǎn)，搭建了動(dòng)靜態(tài)性能測(cè)試