基于电活性聚合物薄膜柔性器件的触觉传感特性

针对电活性聚合物(EAP)薄膜制造柔性智能器件的发展要求,分析了电活性聚合物薄膜的正/逆力-电特性及发电机理,采用静电诱导自组装技术在电活性聚合物表面制备了碳纳米管薄膜电极,然后构建了柔性传感器件。实验研究了EAP柔性器件的手指关节弯曲姿态及脚踏运动触觉的传感特性。扫描电子显微(SEM)形貌观察表明:碳纳米管薄膜呈网状结构且质地致密均匀。基于EAP柔性器件的手指弯曲姿态实验结果表明:在手指弯曲度为15~90°时,输出电压峰值为1.2~3.7V,展示了输出电压峰值与手指弯曲度之间的高线性度,线性相关系数为0.9951。此外,采用EAP薄膜器件对踏步触觉进行了实验测试,其输出电压峰值在1V左右,而且具有响应快、可重复性好等优势。本文的研究为电活性聚合物薄膜型电子皮肤及触觉传感器的发展提供了理论基础和实验依据。     

双程SMA丝驱动的柔性弯曲关节设计与测试

本文设计了一种柔性弯曲关节,由铝合金圆环、超弹性形状记忆合金（SMA）以及双程形状记忆合金丝构成,其中超弹性SMA作为支撑杆,双程SMA丝作为驱动机构,通过电流驱动双程SMA收缩,实现了柔性关节自主弯曲,电流卸载后关节可恢复至初始状态。搭建了双程SMA丝驱动收缩特性测试平台,当电流为2.1 A时,收缩率为4.02%,建立了ABAQUS模型仿真。建立了弯曲关节的3D运动学模型,获得了不同加载条件下,两段关节弯曲角度的理论值。通过对比理论模型和实验结果,表明：采用超弹性SMA可有效增加弯曲角度,两段关节最大弯曲角度分别为43.1°与22°。     

弯曲与直线膨胀弹性波纹管驱动柔性关节的对比分析

该文提出了一种以活页铰链为骨架,弹性波纹管人工肌肉驱动的柔性关节,可作为机器人的柔性末端抓持机构。介绍了关节的结构和工作原理,分析了关节的弯曲角度与弹性波纹管内腔气压的关系,得出了其静态模型。根据实例得出的计算结果分析,针对弹性波纹管的仅直线膨胀变形、仅弯曲膨胀变形、直线与弯曲膨胀结合的3种状态进行比较,讨论了柔性关节在响应速度和弯曲角度上的优劣性。     

荧光原理的纸基张力传感器

针对穿戴应用中传统传感器的穿戴体验差、成本高、构造复杂等问题,本文将具有形变响应特性的荧光材料与纸张结合,构建出荧光压谱原理的新型光学无线张力传感器。传感器的敏感材料是由罗丹明B(RhB)与PDMS混合成的复合荧光材料薄膜,通过丝网印刷方式涂敷到美工纸带上。RhB的荧光特征随着施加在纸带上的张力而改变,在自制的力加载实验台上标定了该传感器的响应函数,在6 N量程里其张力分辨率可达0.04 N。借助手环和指套将该纸基张力传感器穿戴贴合于手部拇指关节,实验证实可测量手指的屈伸姿态。这是首款基于非波导特性的光学力敏可穿戴器件,具有柔性、亲肤、易回收、极低成本、几乎没有环境污染等显著优点,可作为即用即抛的消费级传感产品用于人体健康评估、关节康复锻炼效果评价和机器人姿态控制。     

石墨烯-聚合物柔性电容传感器制备及性能研究

为了研究不同微结构对柔性电容式压力传感器性能的影响,采用成本较低的旋涂技术制备了无微结构、单层微结构和双层咬合微结构的柔性电容式压力传感器。通过对三种传感器进行测试试验,对比分析了具有不同微结构传感器的灵敏度,同时,对具有单层砂纸微结构传感器的响应特性、重复特性和迟滞特性进行了测试分析。试验结果表明,在20 kPa的载荷下,具有单层砂纸结构的柔性电容式压力传感器相较于其他两种传感器具有较高的灵敏度,在0～4 kPa的压力范围内灵敏度为0.451 kPa-1,4～6 kPa压力范围内灵敏度为0.14 kPa-1,6～25 kPa压力范围内灵敏度为0.03 kPa-1。制备的传感器具有较强的响应特性、良好的恢复性和稳定性,能够适应柔性可穿戴电子器件的应用需求。     

基于柔性混合电子制造技术的蓝牙传感系统

文中结合了柔性印刷电子技术与传统硅基电子技术优势,采用DA14580蓝牙模块、数字温度传感器TMP100和心率传感器SON7015等元器件设计了一种柔性可弯曲的无线传输人体生理参数采集电路。通过优化导电银浆的设计,提高了柔性电路板的抗弯折性能;通过实验探索制作工艺,实现了柔性多层线路制备方法及其与硬质芯片的有效结合,最终制作出功能可靠、轻薄柔性的电子系统。该系统有望直接贴敷于皮肤表面,实时监测人体温度、心率等生理信号,并将信号实时的以蓝牙方式发送到手机显示端。该电路的信号监测对人体体温的分辨率为0.062 5℃,心率差别在1次之内,其良好的可弯曲性能使其更适合应用在可穿戴电子产品中。     

基于微纳压印的柔性PDMS薄膜传感器设计

利用性能优异的PDMS薄膜制备的新型柔性传感器柔性好、重复度高,可适应复杂曲面,其应用前景也十分广阔。采用PDMS薄膜为柔性基底,填充导电材料碳纤维制备传感元件,使用微纳压印的方法制备V槽形微结构把灵敏度提高到3.5 kPa~(-1);并总结出柔性PDMS薄膜传感器的制备方案,为柔性PDMS传感器的制备提供参考;最后按照实验设计对PDMS薄膜传感器的性能等方面开展了系统的研究。     

基于改进的活动轮廓模型的胸膜接触型肺结节分割

面向软体机器人、变构型飞行器、可穿戴医疗装备等领域的柔性传感应用需求,提出一种植入光纤光栅敏感元件的聚酰亚胺薄膜柔性曲率传感器。研究了柔性薄膜光纤光栅传感器的传感原理、传感结构设计与光栅植入方法,建立了光纤传感、解调及曲率标定装置;实验分析了聚酰亚胺薄膜曲率与光栅中心波长漂移量关系,实验测得光纤光栅植入深度与柔性曲率传感器灵敏度的定量关系,验证了所提出柔性曲率传感器的可行性。研究结果表明,光纤光栅植入聚酰亚胺薄膜的曲率传感器可用于柔性变形传感测量,在0～30.03 m~(-1)的曲率范围内,光纤光栅植入深度为0.1 mm时,聚酰亚胺薄膜曲率传感器达到最大灵敏度50.65 pm/m~(-1)。光纤光栅植入聚酰亚胺薄膜的柔性曲率传感器可应用于柔性传感测量领域。     

光纤植入聚酰亚胺薄膜柔性曲率传感器

面向软体机器人、变构型飞行器、可穿戴医疗装备等领域的柔性传感应用需求,提出一种植入光纤光栅敏感元件的聚酰亚胺薄膜柔性曲率传感器。研究了柔性薄膜光纤光栅传感器的传感原理、传感结构设计与光栅植入方法,建立了光纤传感、解调及曲率标定装置;实验分析了聚酰亚胺薄膜曲率与光栅中心波长漂移量关系,实验测得光纤光栅植入深度与柔性曲率传感器灵敏度的定量关系,验证了所提出柔性曲率传感器的可行性。研究结果表明,光纤光栅植入聚酰亚胺薄膜的曲率传感器可用于柔性变形传感测量,在0～30.03 m~(-1)的曲率范围内,光纤光栅植入深度为0.1 mm时,聚酰亚胺薄膜曲率传感器达到最大灵敏度50.65 pm/m~(-1)。光纤光栅植入聚酰亚胺薄膜的柔性曲率传感器可应用于柔性传感测量领域。     

液态金属泡沫柔性压力传感器设计及试验

采用低弹性模量且具有高介电常数的材料作为电容式压力传感器的介电层,是一种提高传感器灵敏度与初始电容信号的理想方法,然而这2个材料特性往往相互冲突。针对这一问题,提出了一种液态金属弹性体泡沫,其具有较低的弹性模量(10.2 kPa)、较强的可压缩性(70%应变)与高介电常数(5.5～20.9)。以该泡沫作为介电层,并设计带有屏蔽层的柔性电极,研制了一种高灵敏度、大初始电容信号的柔性电容式压力传感器。试验结果表明,该传感器灵敏度高达0.36 kPa^-1,响应/恢复速度快(<49 ms),迟滞低(8.7%),同时可检测低至4.9 Pa的微小压力,具有良好的稳定性与可靠性。此外,通过驰张筛筛板弯曲挠度变化测试验证了所研发传感器的有效性,与激光位移传感器的测量结果对比表明,该柔性压力传感器可准确检测弛张筛筛板弯曲挠度的变化。     

碳黑基高灵敏度弹性应变传感器的制备与性能研究

提出一种使用碳黑(carbon black, CB)作为敏感材料,硅橡胶(silicon rubber, SR)作为弹性基底,并使用MEMS工艺制作的柔性电极制备而成的CB/SR弹性应变传感器。主要介绍了CB/SR弹性应变传感器的制备工艺,并标定了应变传感器和对传感器进行了循环拉伸耐久度测试,最终使用该传感器测试了人体运动及生理信号。测试结果表明该传感器最大拉伸范围为100%,应变灵敏度系数(gauge factor, GF)达到了143.14,响应时间仅为73 ms,可承受3 000次循环拉伸,能够用于监测关节运动和脉搏等人体活动,在可穿戴设备、康复设备等领域具有广阔的应用前景。     

一种柔性PVDF压电薄膜传感器的制备方案

利用性能优异的PVDF压电薄膜制备的新型柔性传感器柔性好、适应性强,可适应复杂曲面,其应用前景十分广阔。首先设计了具有柔性基底的PVDF压电薄膜传感器结构;其次,按照实验设计利用PVDF粉末制备了性能良好的PVDF压电薄膜,提出了一种柔性PVDF薄膜传感器的制备方案;最后总结了该传感器实验制备的主要工艺步骤,可为柔性PVDF传感器设计制备提供参考。     

基于弹性体材料仿生手的设计、制造及其控制

软体机器人是近年来的研究热点,涉及信号检测、控制、致动等多个方面。基于弹性体材料设计制备了一种符合人体手指运动规律的弯曲致动器及其仿生手和电容式可拉伸传感器。仿生手总共设计有14个弯曲关节,且每个弯曲关节都由外部管道独立控制,当外部气压达到50 k Pa时,手指关节能够实现90o的弯曲变形,最大指尖压力为210m N。可拉伸应变传感器在200%应变下表现出良好的稳定性和可逆性,将传感器贴在手指关节上具有监测手指运动的功能。最后,将传感器贴于手套上作为可穿戴器件,通过单片机控制系统采集手套上传感器由于手指弯曲产生的信号,信号经蓝牙传输,实现对气动回路的有效控制,最终完成对仿生手的远程实时操控。研究结果可应用于远程交互、生命科学等领域。     

双向主动弯曲气动柔性关节力学特性分析

该文采用所开发的伸长型气动人工肌肉,研制了一种具有双向主动弯曲功能的气动柔性关节.针对该柔性关节进行了轴向变形和弯曲变形理论分析,获得了输入气体压力与关节变形之间的数学公式,并进行了关节变形实验研究,为该类柔性关节下一步动力学分析和运动精度控制打下了基础.     

弯曲半径对柔性电子器件层间分离的影响

根据欧拉梁理论建立了多层柔性电子器件变形弯曲下能量释放率的数学计算模型,得到了给定条件下能量释放率与半径的关系式,并利用虚拟裂纹闭合法对理论模型进行了验证,进一步分析了弯曲半径对给定器件粘结层分离的影响。该研究为防止器件失效提供了理论参考,对柔性电子器件制造及应用具有参考意义。     

线圈弯曲角度对柔性涡流传感器缺陷检测能力的影响

采用有限元仿真和实验方法分析了圆形线圈处于不同弯曲角度时,柔性涡流传感器对模拟裂纹缺陷方向角及深度的检测能力变化规律。结果表明:圆形线圈弯曲导致各向均匀涡流场朝单向涡流场转变,无论是工作于自感还是互感检测模式下,柔性涡流传感器对不同方向裂纹缺陷的检测灵敏度均降低。对于90°裂纹,当线圈弯曲角度为30°时,自感和互感模式的检测灵敏度分别下降约7%和45%。线圈弯曲导致传感器对裂纹方向、深度的识别能力随线圈弯曲角度增大而单调下降。相比自感模式,互感模式下柔性涡流传感器对裂纹方向及深度的识别能力更佳。线圈与曲面贴合造成的弯曲对传感器性能的影响不可忽略,在设计柔性涡流传感器时应合理选择弯曲角度范围。     

板弹簧柔性手指关节弯曲的模型研究

提出一种波壳伸缩的手指关节,多关节的手指可组合成操作机械手。此关节采用板弹簧为柔性骨架,波壳弹性体受气压后轴向膨胀作为肌肉动力,关节的弯曲角度与弹性体内腔的气体压力有关。给出了关节的结构,介绍了手指关节的气动原理与控制方法,并分析了关节弯曲变形的静态模型。由此得出在受一大小变化的力偶和一大小、方向不断变化的切向力的共同作用下,悬臂梁大挠度变形的数学模型与数值解。     

一种新型PZT压薄膜应力传感器的设计仿真

针对目前应力传感器不能兼顾柔性、动态测量及无法测量曲面接触应力特征信息等难题,设计了一种新型的PZT压电薄膜柔性应力传感器。主要有由PZT压电薄膜、导线、特殊的压敏涂层等构成。传感器的受力信息可以通过检测PZT压电薄膜传感器的电荷变化来获取,可应用于测量各种接触面之间的应力。为研究测量轮胎路面等具有复杂曲面接触结构的应力分布提供了新的思路和方法,分析了压电传式感器的工作原理,压电薄膜的传感特性,建立有限元分析模型,进行仿真分析,结果表明该传感器结构简单、体积小,相对于传统测量方法更加可靠,适用于曲面应力的测量。     

气动空间弯曲柔性关节运动功能实验研究

介绍了一种自主研发的气动空间弯曲柔性关节。该关节相当于三个独立的人工肌肉并联而成,具有三个自由度,能实现空间弯曲和轴向伸长。重点研究了该关节的结构功能和工作原理。搭建了实验系统,对关节的空间弯曲角度和方向进行了实验研究,得到了关节的变形特性,为以后的进一步研究与应用奠定了基础。     

柔性软体机械手的设计及变形研究

针对目前柔性软体机械手国内外研究现状,总结了其关键技术难题与不足。以柔性软体机械手为研究对象,设计并验证了柔性软体机械手的弯曲变形特性及压力响应特性。首先设计了柔性软体机械手结构,由单向弯曲驱动器、滑移平板以及连接装置组成,建立了柔性软体机械手指理论数学模型;其次利用有限元分析软件ABAQUS基于Yeoh模型建立了柔性软体机械手指硅胶材料的本构模型;同时,利用3D打印技术制备带有腔体的单向弯曲驱动器的浇注模具,注入混合好的液态硅胶,获得硅胶材料的柔性软体机械手指;最后开展了单向弯曲驱动器弯曲变形仿真及实验,验证了柔性软体机械手指的弯曲变形特性及压力响应特性,并验证了理论数学模型的准确性。