毕业设计论文基于敏感阵列的触觉传感器结构设计及仿真分析.doc

安徽工程大学毕业设计（论文）基于敏感阵列的触觉传感器结构设计及仿真分析摘 要触觉是生物体感知外部环境的重要手段，是仿生机器人研究的一个重要内容。相比于视觉、听觉等其他感知形式，触觉能感知更多信息量，如接触力的大小、柔软性、硬度、弹性、粗糙度、温度和湿度等。三维力触觉传感器，将在体育运动、医疗康复、机器人等领域发挥重要的作用。本论文利用材料力学、有限元仿真、模式识别等学科的研究成果，从传感器结构设计的角度出发，研究了基于导电橡胶的三维力柔性触觉传感器的若干理论和技术问题，提出了一种新的三维力柔性触觉传感器模型。本论文的主要研究内容如下： (1)利用有限元仿真技术，对基于二层双面节点对称交叉分布的柔性触觉阵列传感器结构进行仿真，建立传感器的三维力一电阻仿真数字模型。 (2)提出基于一种新的柔性触觉传感器N型微结构，建立相应的三维力-电阻数学模型，并利用有限元仿真进行模拟和结构优化。该新型结构首先从结构上对三维力进行了优化，降低了原来高维、多参数传感器信号在实时、精确解耦方面的难度。关键词：柔性触觉传感器;三维力结构设计; ANSYS仿真分析IDesign of The Structure Design and Simulation Analysis of Tactile Sensor Based on Sensitive ArrayAbstract Tactile is an important sensing for the robots to perceive the external information，in particular，its an important research content of bionic robotCornered to the visual，auditory and other perceived forms，tactile reception can get more information：surface roughness，temperature flexibility and shape etcFlexible three-dimensional force tactile sensor play an important role in sports，medical，rehabilitation，robotics and other study fields This paper made full use of the scientific achievements in the fields of pattern recognition，material mechanics，finite element simulationIn the sensor structure design point of view，we studied some key theoretical and technical problems of the 3D flexible tactile sensor based on the conductive rubberand present a new 3D force flexible tactile sensor modelThe main research contents and innovations are as follows： (1)With finite element simulation，we simulated the structure of flexible tactile sensor array of two layers in symmetric cross distribution，established a 3D stressresistance simulation model of the sensor (2)Present a new flexible tactile sensor based on the Ntype micro structure，established the 3D stressresistance mathematical model，and simulated and optimized with finite element simulationThe method decoupling the 3D stress from the structure，reduce the difficulty in decoupling of the high dimensional，multi parameter sensor signalsKeywords：Flexible tactile sensor ;3D force Structure；ANSYS SimulationI目录引言- 1 -第1章 绪论- 2 -1.1论文研究背景- 2 -1.1.1研究背景- 2 -1.1.2基于敏感阵列的触觉传感器的发展趋势- 4 -1.2 论文研究的主要内容- 5 -1.3 论文研究的意义- 5 -第2章 有限元理论及超弹性模型- 6 -2.1 ANSYS有限元概述- 6 -2.1.1几何模型和网络划分- 6 -2.1.2多物理场- 6 -2.1.3流体动力学- 6 -2.1.4 ANSYS工程应用- 6 -2.2超弹性理论- 7 -2.2.1超弹性理论模型- 7 -2.3 传感器力学仿真方法- 8 -第3章 数学模型理论分析- 9 -3.1 导电橡胶的导电机理- 9 -3.2 并联电阻模型结构和原理- 10 -3.2.1 模型结构- 10 - 3.3敏感单元分析- 11 -3.3.1微结构- 11 -3.3.2 阵列- 12 -第4章 ANSYS分析与结论- 15 - 4.1 静力学仿真.-15- 4.1.1建模.-15- 4.1.2ANSYS 有限元网格划分- 15- 4.1.3 采用表面印记功能.-16- 4.1.4 施加约束.- 16- 4.2仿真结果与分析.-17-总结与展望.-20-致 谢- 22 -参考文献- 23 -附录B英文文献及其译文.-30-附录B 主要参考文献的题录及摘要.-51-III插图清单图1-1 传感器测试电路图.2图1-2 传感器示意图.3图1-3 装有传感器的机器手.4图 3-1 电阻率随炭黑含量的变化图.9图 3-2 传感器行列电阻示图.10图 3-3 阵列的俯视图.11图3-3 微结构示意图.12图3-4 阵列示意图.12图4-1 有限元模型.15图4-2 网格划分.15图4-3 采用表面印记功能.16图4-4 用fix support 约束表面.16图4-5 X向受力载荷的形变图.17图4-6 Y向受力载荷的形变图.18图4-7 Z向受力载荷的形变图.19V插表清单表2-1 材料的样品库清单 .12表4-1 X向力受力情况对比表.22表4-2 Y向力受力情况对比表.23表4-3 Z向力受力情况对比表.24V引言触觉是指用分布于皮肤上的神经细胞感受来自外界的温度、湿度、压力、振动等感觉。多数动物的触觉器是遍布全身的。对人而言，触觉是一种非常重要的信息获取形式，特别对于丧失视觉的盲人，触觉可以称得上是他们的另一双眼睛；触觉一般也是动物重要的定位手段，如猫的胡须等。对于智能机器人而言，触觉和其他感知方式一样，也是一种非常重要的感知手段。随着智能机器人在真实世界中越来越多的应用，这些活动的有效性更加依赖于各种形式，如视觉、听觉、触觉等的反馈。尤其在机械抓手和周围环境互动时，利用触觉要比利用视觉传感器更加直接和有效。从这个层面来讲，发展分布式的触觉传感器不仅给类人机器人提供更好的与外面世界的交互，而且也能够实现机器人实时动态整体动作控制。大多数没有触觉传感器的类人机器，在实际活动中是要受到很大的限制的。实际上这些机器人甚至不能做任何正常的动作，因为没有触觉传感器它们不能控制其施加的力，可能会对受力物体造成损坏。能够检测三维力的触觉传感器，由于能够提供更多维信息，这对机器人本身决策是非常有利的因素。从仿生的角度，触觉传感器具有柔性，能够使其适应不同的表面状态，完成更加复杂的信息检测。因此，柔性三维力“人工皮肤”触觉传感器的研制具有广泛的前景。研究具有柔性的三维力触觉传感器显得非常重要，具有柔性的多维力检测的触觉传感器在机器人技术、医疗康复等研究领域都具有重要意义。第1章 绪论1.1论文研究背景1.1.1研究背景机器人触觉传感器的研究历史近半个世纪，该领域的科学家不断运用不同的敏感材料和敏感机理来模拟触觉。特别是从80年代开始，各国都开始对触觉传感器进行系统的研究，随着材料科学和计算机技术的发展，形成了百花齐放的局面，研制出了种类繁多的传感器，从原理上就有压电式，电容式，压阻式，电磁式，光电式等区分。同时随着MEMS技术的飞速发展，触觉传感器逐渐向微型化发展，多种高分子聚合复合敏感材料，如压敏导电橡胶和聚偏二氟乙烯等已经被广泛应用与传感器领域中。同时触觉传感器的多维化和柔软化也逐渐成为研究的重点。（1）压电式触觉传感器压电效应是电介质材料中机械能和电能互换的现象，1880年皮埃尔·居里和雅克·居里兄弟发现电气石具有压电效应。次年，他们通过实验验证了逆压电效应，并得出了正逆压电常数。当对压电材料施加外压力载荷时，材料表面会产生电荷，这种由形变产生电极化的现象称为“正压电效应”，正压电效应是机械能转化为电能的过程。触觉传感器正是利用这一特性。2002年，印度的GMurali Krishna$'J用压力的变化导致压电共振频率变化制作了一种压电式触觉传感器。利用PZT材料的压电共振形成了传感器的敏感区域。结果表明这种触觉传感器不仅能够提供所加外力的信息，同时也能显示出施力物体的轮廓，如图1-1所示。 图1-1传感器测试电路图 自从聚偏二氟乙烯(PVDF)被发现具有压电效应以来，PVDF越来越多的被用于制作压电式触觉传感器。PVDF是一种有机压电材料，又称压电聚合物。具有材质柔韧、低阻抗、低密度、高压电电压常数、灵敏度高、线性好、频带宽等优点。同时，其良好的柔性适合于制作大规模柔性触觉传感器，使“人工皮肤”制备成为可能。2012年，土耳其的KocIM利用PVDF材料制作了微型柱体结构的触觉传感器，是从壁虎的爪子，蜘蛛等其他昆虫得到灵感，设计出了纤维状结构的触觉传感器，这些垂直纤维阵列模仿了动物的触觉方式，具有极高的分辨率，在检测力的同时也能检测出力的分布。这种传感器在受动态载荷时，其优势更加明显，如图1-3和图1-4所示。受益于压电材料的性质，压电式触觉传感器都有材质柔韧、灵敏度高、可靠性强，频带宽等优点，但是其信号处理的电路相对复杂。（2）电容式触觉传感器电容式传感器是通过将外力变化转化为电容的变化，由电容的定义公式： (1.1)可知，一般电容式传感器是通过改变面积S来形成外力和电容的映射关系的。此外，改变电容的相对面积能够获得角位移或线位移，或者测量介电常数的变化也能够测定湿度，温度等性质。2007年，上海微系统所的肖素艳等设计了基于PI衬底的柔性MEMS电容式触觉传感器。该传感器采用多层薄膜组成，能够实现高曲率物体表面力的测量。并且其具有结构轻薄，可挠性好，精度高，响应快等优点。传感器采用MEMS工艺加工多层无机和有机材料组成的薄膜。2011年，美国斯坦福大学的副教授鲍哲楠研究小组研制出能够感知微小压力的人造皮肤，该皮肤传感器采用了聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料制作敏感器件。测试表明，该传感器能够迅速且清晰感知一只蝴蝶停留所造成的压力变化。这种“人工电子皮肤”具有极好的柔性，能够广泛应用在机器人，假肢，触摸屏，医疗器械等方面。有研究人员表示，该电子皮肤的研制是机器人科学的进步，同时对人类皮肤移植术也具有很大的促进作用，如图1-2所示。电容式传感器具有造价低，结构简单，动态响应好及灵敏度高等优点，尤其在恶劣的工作环境，如高温、辐射等条件下的稳定性好。但是该传感器的精度和灵敏度易受寄生电容和分布电容的影响。随着电路集成技术的发展，减少了分布电容的影响，电容式传感器有潜力成为用途极广的传感器，也是闲着传感器研究的热门方向。（3）压阻式触觉传感器压阻效应是指一些材料受到应力作用时，内部结构或外部形态发生变化，使材料的电阻产生相应变化的现象。由CS史密斯在1954年对硅和锗的电阻率与应力变化实验发现的。由此研究者开始广泛利用硅材料研制压力传感器。 图1-2 传感器示意图 2004年，日本的Makoto Shimojo基于导电橡胶设计了一种整体结构的柔性触觉传感器，采用将导线交叉穿插在导电橡胶的上下表面，上下层导线之间形成电阻，这种传感器柔性高，如图1-3所示。 2006年，日本的Yoshiyuki Ohmura等人提出了一种模块化可扩展的触觉传感器，该传感器系统包括微小的压敏元件，和一个用于连接的串行通信总线，通过添加或者删除压敏元件，可以控制其覆盖的面积。因此实际上具有很强的扩展性。当然这些传感器模块也可以安装在弯曲的表面上，具有一定的柔性。随着材料科学的发展，具有良好压阻特性的导电橡胶材料越来越受到研究者的重视，已经成为制作柔性化触觉传感器的一个非常好的材料，本课题所研究的传感器正是基于导电橡胶的，文章会对导电橡胶的特性做出详尽的介绍。1.1.2基于敏感阵列的触觉传感器的发展趋势 在过去的40年的发展过程中，不论是从敏感材料的研发、传感器结构的设计、还是工作机理的研究，触觉传感器都有了长足的进步，综合来看，触觉传感器的研究表现为如下几个方面的发展趋势。 图1-3 装有传感器的机器手(1)柔性化传感器能够具有类似皮肤的柔性，可以附着在不同形状的曲面上，也能检测出施力物体的形状等。目前实现柔性主要有两种方法。第一种方法是利用柔性材料做敏感材料，如压敏导电橡胶或者聚偏二氟乙烯(PVDF)等材料。由徐菲等提出并联电阻模型正是采用压敏导电橡胶为敏感材料设计出了一体浇灌成型的触觉传感器，可检三维力信息7。受到外力时，传感器检测橡胶的阻值变化来反推所受到的力。第二种方法是将微型敏感单元安置在柔性衬底内部。柔性材料起保护和传递力的作用。本文所提到的新型的柔性触觉传感器采用的是微结构的传感器，不同的是微结构也是采用柔性的导电橡胶制成，使得传感器整体具有柔性。(2)多维力检测目前的触觉传感器主要还是检测法向的压力信息来完成其各项功能，实际应用中，若是传感器能够提供额外的二维力信息，使得触觉传感器系统能够更加准确和全面的获取目标的各项参数。因此，三维力检测成为触觉传感器研究的重要方向之一。(3)微型化及多功能化随着传感技术的发展，传感器得到了广泛的应用，同时对传感器的外形也有了更高的要求，微型化和多功能化也成为传感器研究的重要内容。1.2 论文研究的主要内容本论文由以下五章构成：第1章绪论，概述了触觉传感器的概念，介绍了传感器的研究现状，讨论了触觉传感器的发展趋势以及存在的问题。最后介绍研究课题的来源、主要研究内容以及论文的构成。第2章有限元理论及超弹性模型，介绍了ANSYS有限元方法和橡胶在有限元中的基本模型。第3章数学模型理论分析，对其导电性及导电机理进行了探讨；分析了导电橡胶的力敏特性；并联电阻的模型解说，以及微结构和阵列的阐述。第4章ANSYS分析及仿真结果，对本文所建模型进行ANSYS受力分析，并得出计算值和仿真值的对比，通过对误差的分析，得出所建模型是可以的。通过观察看出所建模型受各向力的最优区间，使传感器到实用更近一步。1.3 论文研究的意义由触觉传感器的发展趋势我们可以看出，对于真正的“人工皮肤”传感器，除了具有一定的柔性以外，还必须具备多维力检测的能力，在保证速度和精度的同时，传感器还必须具有微型化、多功能化等优点。目前传感器研究中最大的问题为多维力检测和柔性的兼容。通过分析，多数传感器只能检测单维力，无法满足仿生机器人的工作要求，同时还存在制备工艺复杂，成本高等缺陷，难以投入实际应用和商业化应用。本论文以材料科学，传感技术和仿真科学为基础，研究了并联电阻柔性三维力触觉传感器，并提出来柔性微结构的三维力触觉传感器，很好的解决了以上问题。第2章 有限元理论及超弹性模型2.1 ANSYS有限元概述有限元法全称是有限单元法，是求解数学物理问题的一种数值计算方法。在力学领域，有限元的思想早在20世纪40年代已经提出，在20世纪50年代开始用于飞机设计。此后，该方法得到发展并被广泛应用于结构分析、流体力学、电磁场计算等物理和工程问题之中。有限元分析(CAE)是用简单的问题代替复杂问题后再求解。将求解域划分成称为有限元的互联子域，通过推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的近似解。因此实际问题被简单问题所替代，由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，且能求解各种复杂状况，因而成为行之有效的工程分析手段。作为一个大型的CAE分析软件，ANSYS从诞生以来，随着计算机和有限元理论的发展，在各个领域得到了高度的评价和广泛的应用。自ANSYS70以来，ANSYS公司推出了ANSYS经典版和ANSYS WORKBENCH平台版。新版增加了软件的几何处理、网络划分和后处理等能力，同时引入了各主要物理学科，在仿真驱动产品的道路上又向前迈进。2.1.1几何模型和网络划分ANSYS融合了丰富的几何和网格划分技术，整合后的几何和网格划分解决方案使不同分析类型的仿真能够共享。其自动网格划分解决方案在流体力学中也取得了很好的结果。ANSYS Workbench融合了高级尺寸函数、棱柱及四面体网络及其他网络划分技术。改进了网络平滑度、网络质量、划分速度、曲率近似功能捕捉，边界分层捕捉等功能。应用这些功能来进行结构分析，我们能够得到自动化和高质量的网格。2.1.2多物理场ANSYS Workbench可以处理直接耦合和顺序耦合的多物理场问题，而且它将各种求解器整合在统一的仿真环境中，为多场求解提供更有效的工作流程。如其相关的耦合场单元能直接支持热电耦合。另外，在单元、材料、接触、求解性能、线性动力学、刚体动力学及柔性动力学上也有了很大的改进。2.1.3流体动力学ANSYS将流体仿真完全整合进Workbench平台中，在该环境下能直接进行仿真流程。研究者可以先采用ANSYS CFX或者ANSYS FLUENT来创建、连接等来完成自动化的仿真参数分析，然后再进行多物理层无缝对接仿真。ANSYS FLUENT通过显式松弛增加了密度基隐式求解器的稳健性，还采用递推映射方法选项来提高稳定性(耦合压力基求解器)，这极大的增强了求解器性能。2.1.4 ANSYS工程应用ANSYS Workbench的环境为CAD系统和用户的仿真提供了全新的集成平台，其工作平台拥有各种不同的工程应用功能。例如：Mechanical：用于结构或热分析(包括结构网格的划分)。Fluid Flow(CFX)：用CFX进行流体动力学分析。Fluid Flow(FLUENT)：用FLUENT进行流体动力学分析。Design Modeler：用来简历几何模型。Engineering Data：用来确定仿真所用材料特性。Meshing Application：用来产生CFD及显式动力学分析用的网络。Design Exploration：用于优化分析。Finite Element Modeler：用于把NASTRAN和ABAQUS的网络转化到ANSYS中。Blade Gen：用于建立旋转机械中叶片的几何模型。Explicit Dynamics：用于显式动力学分析。2.2超弹性理论2.2.1超弹性理论模型橡胶又称为弹性体，是无定形的高聚物。橡胶是一种超弹性材料，具有良好的伸缩性和复原性。橡胶的特性错综复杂。超弹性材料的非线性是很严重的，体现在：非常大的应变(可达到百分之几百)：材料的应力应变呈高度的非线性关系；材料近似或完全不可压缩；很强的温度相关性。通常并不单独存在，而是与金属等其它显著不一样的材料之间有很大的相互作用。因此基于橡胶各向同性和体积近似不可压缩的假设，用一个统一的物理量对橡胶进行表征具有重要意义，这个物理量就叫应变能密度函数(W)，该函数是一个应变或形变张量的标量函数，它对应变分量的导数就是相应应力分量。 ( 2. 1 ) 其中： 一第二类Piola-Kirchhoff应力张量； W一单位体积的应变能函数； ELagrange应变张量 应变能函数：W=()或者W=(，) 根据不可压缩的假定，有，那么.2.2.2 ANSYS中非线性超弹性模型ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。在有限元单元技术、材料本构模型、接触算法和装配分析、针对大型复杂非线性问题的有效解算算法、良好的应用程序组织结构(易用性和可靠性)等技术领域有着完美的解决方案，ANSYS具有强大的非线性分析能力。本文采用ANSYS经典界面和ANSYS WORKBENCH来进行仿真求解。ANSYS中超弹性材料模型有很多种，ANSYS WORKBENCH中自带超弹性材料样品库，如表2-1所示。 表2-1 材料的样品库AB1Density1000Kg /2Coefficient of Thermal Expansion0.00067c3Reference Temperature224Youngs Modulus6.1e+06pa5Poissons Ratio0.496Bulk Modulus1.0167E+08pa7Shear Modulus2.047E+068Tensile Yield Strength1.38E+07pa9Comprehensive Yield Strength9.24E+06pa 其中Density是所用材料密度，Coefficient of Thermal Expansion是热膨胀系数，Reference Temperature参考温度是22摄氏度，Youngs Modulus是杨氏模量，Poissons Ratio是泊松比，Bulk Modulus是体积弹性模量，Shear Modulus是剪切模量，Tensile Yield Strength是拉伸屈服强度，Comprehensive Yield Strength是综合屈服强度。Gent和Yeoh指出，高次应变能函数的应用价值很小，因为类橡胶材料的重现性是不足够的，不允许对大量的参数进行精确的估计。因此，附加项是用来修正实验误差。 本文采用的是2参数的MooneyRivlin模型。 2.3 传感器力学仿真方法ANSYS通常建模的顺序是先绘制实体模型，并对材料属性进行定义。然后再对定义好的实体进行有限元划分，与此同时可手动调节节点个数，单元大小和类型等。再进行施加载荷，并进行分析。最后通过后处理器进行仿真结果的观察。ANSYS中提供两种工作模式，即人机交互(GUI方式)和命令流输入方式(BATCH方式)。ANSYS最大的一个优点就是可以使用参数化的命令流，使用命令流。一方面，可以大大提高解决问题的效率，另一方面，也能更方便和人交互。 ANSYS有限元典型分析大致分为3个步骤：(1)建立有限元模型；(2)加载和求解；(3)结果后处理和结果查看。第3章 数学模型理论分析3.1 导电橡胶的导电机理导电橡胶现在被广泛应用于医学、航天，航空，电子工程、机器人等领域中，用作传感器、电子仪器仪表和系统的电屏蔽和防静电材料，与金属材料相比，导电橡胶具有良好的柔韧性、高弹性、电导率范围宽、加工性好等优点。本文中提到的导电橡胶是通过将炭黑颗粒混合分散在橡胶材料中制成的。使其既具有橡胶的弹性，又具有导体的导电性。同时导电填料的参入浓度决定了导电橡胶的导电率。本文中采用的敏感元件是掺杂炭黑导电填料的导电橡胶。导电橡胶的导电性质与炭黑的含量密切相关，如图3-1所示。 以ShengP等人的量子隧道导电理论为基础，分析炭黑填充型导电复合材料的导电机理，为其在柔性触觉传感器领域的应用提供了理论依据和计算方法。假设导电粒子间隙统计平均值为u，宏观电流密度和u的关系为： (3.1) 式中，为无外力时间隙中的场强，为加外力时间隙中的场强，m为电子质量，h为约化普朗克常量，为有效隧道势垒。 图3-1 电阻率随炭黑含量的变化图 设橡胶体初始长度为，初始电阻为风，横截面积为S，施加的力为F，在理想条件下，橡胶材料在变形过程中S近似保持不变，且满足胡克定律，为弹性系数，L为橡胶体变形后的长度。则在弹性范围内有： (3.2)同时，假设u与l成正比关系，比例系数为如，即： (3.3)间隙场强在其他条件不变时与w成反比： (3.4)将式(3.1) - (3.4)带入电阻表达式，即可推导出电阻随应力的变化关系式为： (3.5)32 并联电阻模型结构和原理3.2.1 模型结构 传感器敏感单元是传感器的核心，敏感单元采用双层行列结构。上层节点通过导线横向连接，下层节点通过导线纵向连接。传感单元的下表面依附在固定平面上，可以认为下层节点位置固定，上层节点则是受力点，感受形变。通过扫描上层行导线与下层列导线之间的电阻分析橡胶的形变，从而获得传感器的受力信息。我们将上述电阻值称为”行列阻值”。3.2.2 敏感单元原理 如文献15所述，从传感器的结构可以看出，由于敏感材料的导电性，不同层之间存在电阻，可以称之为”节点电阻”。如RAcRA9表示上层点到下层点的测量电阻。同时文章的敏感单元结构可知，不同节点之间的电阻是与他们之间的距离紧密联系的，所以有外力加载时，电阻发生变化，行列电阻等效为多个节点电阻并联。所以有：(3.6) 当上表面受到压力时，节点间的距离发生变化，同时行列之间的电阻，发生变化。 图3-2 传感器行列电