具有纹理识别功能的压电驻极体复合薄膜电子皮肤

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电子皮肤是一种能够模拟甚至超越人体表皮功能的传感器,通过材料与结构的设计实现对应力、温度、磁场和气体等诸多外界刺激信号响应,是未来人机交互的重要媒介。通过触摸感知判断纹理是电子皮肤模拟人体表皮的最基本但也是最重要的功能之一。其中,手指皮肤作为人体最敏感的触觉区域,通过表皮四种机械刺激感受器的协同工作,能够将与物体表面接触按压及滑动摩擦时产生的静态应力及动态振动转换为一系列生物电信号,传输给大脑进行物体表面纹理的解析判断。为了模拟这一功能,传统的力学传感材料,如刚性压电陶瓷及压阻橡胶,由于贴合性不足或对高频振动响应能力较差而在实际应用中受到很大的限制。因此,设计能够同时实现静态压力感知又能响应快速振动的柔性触觉传感器,对于具有纹理识别能力的电子皮肤设计与发展具有重要意义。为了解决以上问题,本文将兼具轻、薄、柔性的压电驻极体复合薄膜作为触觉传感器引入电子皮肤,可以贴合在弯曲表面上赋予其触觉感知能力。该薄膜器件不仅具有较好的准静态的压力响应性能,同时也呈现稳定一致、高灵敏度的动态力响应特性。结合信号处理,可以感知分辨多种具有不同表面粗糙度和纹理的物体。该研究为更智能的人机交互界面的开发提供了一种可行的途径。本文主要研究内容和意义如下:(1)设计了基于静电组装的压电驻极体复合薄膜的电子皮肤。无孔洞的三明治结构具有优良的透过率,并抑制了湿度导致的驻极电荷流失问题,在湿度为80%的环境中放置30天后,其压电特性仍保持稳定。该柔性压电驻极体复合薄膜具有高灵敏度(8.75m V/μm)与动态感知能力,能够实现高度Ra为0.8μm,间隔500μm的表面纹理的识别。(2)搭建了压电驻极体复合薄膜电子皮肤的触觉测试系统,实现了电子皮肤对表面纹理信号的有效采集,并通过平滑曲线、统一基线、信号提取等信号分析手段进行预处理,再结合峰值均值、傅里叶变换等方法提取并转换为表面纹理信息,研究了纹理高度、间隔、摩擦压力、滑动速度等参数对触觉信号的影响。(3)展示了利用压电驻极体复合薄膜电子皮肤感知多种不同纹理的物体,根据获得的触觉信号能够建立表面纹理信息库,从而可以通过触摸分析判断材质,实现对未知物体的识别,可以提高工业加工、智能机器人和医用探入式检测等领域设备的交互能力。
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