PVDF薄膜驱动的三维触觉/热觉传感器设计与仿真

在现代智能机器人领域，触觉传感器扮演着至关重要的角色，因为它们提供了机器人与环境交互的三维感知能力。本文主要探讨的是柔性敏感触觉手指技术，特别是基于PDMS（聚二甲基硅氧烷）和FBG（光纤布拉格光栅）的两种传感器设计。 首先，美国明尼苏达大学的Hyung-Kew Lee团队研发的电容式触觉传感器使用了PDMS作为敏感材料，这种材料因其高分辨率、高可靠性及模拟人类皮肤般的柔软性而受到青睐。然而，它们仅限于单维力检测，限制了传感器的多功能性和应用场景。另一方面，Jin-Seok Heo等人开发的柔性阵列式触觉传感器采用FBG技术，虽然具有很好的柔韧性和大面积覆盖优势，但制作成本高昂。 为了克服这些局限，文章关注了三维触觉传感器的发展，如基于PVDF（聚偏氟乙烯）薄膜的设计。作者深入研究了国内外触觉/热觉传感器的现状，分析了各类传感器的工作原理、性能特点和不足，如压阻效应、电容变化、磁致伸缩效应、光变化和压电效应，强调了压电效应在提高传感器性能方面的潜力。 PVDF压电薄膜作为一种关键材料，其优越的性能被详细讨论，包括其传感原理和测量电路设计。通过ANSYS这样的有限元分析软件，作者对不同形状的PVDF薄膜进行了仿真分析，特别关注了曲率和拱高对其灵敏度的影响，这为后续设计出基于曲面PVDF薄膜的三维触觉/热觉传感器奠定了坚实的基础。 此外，文章还深入探讨了热释电效应和热释电材料，特别是PVDF薄膜的这一特性，阐述了其在热释电传感中的作用。这些研究旨在突破现有技术的局限，开发出更加灵活、多功能且成本效益高的三维触觉传感器，以满足智能机器人对触觉感知的多元化需求。 本文围绕柔性敏感触觉手指技术，特别是在PVDF薄膜上的创新应用，旨在推动三维触觉传感器的发展，以提升智能机器人在复杂环境中的感知能力和适应性。通过对比分析和仿真研究，作者为未来的触觉传感器设计提供了有价值的理论和技术支持。