基于介电型电活性聚合物(DEAP)的电子皮肤研究

Tactile is an important iteraction between robot and external enviroment. With the rapid development of intelligent robot, flexibility and multi-mensional force detection are required for tactile sensing system. In order to meet this requirement, a new electronic skin tactile system that integrates function of actuator and sensor based on dielectric electroactive polymer (DEAP) is developed in this project. Investigation on electromechanical coupling characteristics of DEAP is performed on the fundamental of basic mechanical behavior and electricity feature of DEAP and constitutive relation of DEAP is proposed. Then, the failure mechanism of DEAP is analyzed and the criterion of failure is determined. And then, the structure of multilayer tactile sensor array is designed and the mathematical model to detect multi-mensional force is established. The algorithm that can be used for sensing information decoupling of DEAP electronic skin. Finally, the active tactile of DEAP electronic skin is explored.With the physical informatin of touched object transmited by electronic skin, the manipulator can touch the object.For some brittle object, the actuation function of DEAP electronic skin can precisely adjust the clamping force to avoid damage the object. Research on this project has a widely application prospect, which will favor the development of novel DEAP electronic skin in new areas including robotics, biomedical engineering and MEMS.

触觉是机器人获取外界信息的重要手段，智能机器人的快速发展对触觉电子皮肤提出了柔性化和多维力检测的要求。针对这一新问题，本项目利用介电型电活性聚合物研究一种集传感、驱动功能于一体的新型电子皮肤触觉系统。从介电型电活性聚合物的基本力学、电学特性着手，研究其机电耦合特性，建立机电耦合本构关系。在此基础上，对其失效行为进行研究，提出介电型电活性聚合物失效方式的评判标准。进而设计一种多层电子皮肤阵列结构，建立电子皮肤的多维力觉模型，并对其进行解耦算法研究。最终，对电子皮肤的主动触觉功能进行研究，通过电子皮肤配合机械手对目标物体进行抓取试验，利用电子皮肤传感功能向机械手反馈目标物体的物理信息，让机械手尽可能接近目标物体。对于一些容易损坏的目标物体，则同时利用电子皮肤的驱动特性实现夹持力微调，避免损坏目标物体。本项目的研究，可以促进新型电子皮肤在机器人、生物医学、微机电系统等领域的应用。

作为智能机器人的主要标志，触觉传感技术是机器人感知外部环境的一种重要途径，在机器人的工作过程中起十分重要的作用。而介电型电活性聚合物作为一种新兴智能材料，具有能量密度高、效率高、应变大等优点，在机器人领域具有潜在的应用前景。.项目主要研究了介电型电活性聚合物的基本力学与电学特性，对基于介电型电活性聚合物的触觉电子皮肤进行了探索性研究。讨论了机电耦合机理，分析介电型电活性聚合物在电场环境中的受力情况，利用非线性弹性理论和Maxwell应力张量方法推导了机电耦合本构方程。提出介电型电活性聚合物换能器失效的评判标准，分析了几种失效模式：机械强度失效、介电击穿、pull-in现象(机电不稳定性)、起皱失效、系统不稳定性。确定各种失效模式的发生条件，并给出理想条件下DEAP工作时的安全区域。可以用于不同构型的换能器工作特性分析，对换能器的工作行为起到预测作用。建立介电型电活性聚合物的机—电能量转换模型，测试相关模型参数和漏电流。通过工作过程中机电能量的试验研究，分析能量转换效率，发现在高电压驱动时，漏电流是影响驱动器驱动效率的重要因素。设计了介电型电活性聚合物触觉电子皮肤、位置传感器，构建了基于单片机和电容测试芯片的传感器信号采集系统，试验研究表明研制的触觉电子皮肤可以较好地测试物体的压力分布、轮廓形状和位置信息。研究工作为今后柔性电子皮肤研究的深入和软材料驱动传感一体化打下基础。