仿壁虎微米粘附陣列制備及柔性觸覺(jué)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、壁虎具有粘附力大、對(duì)形貌和材質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)物體表面無(wú)損傷、自潔、穩(wěn)定、反復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。仿壁虎粘附陣列在爬壁機(jī)器人粘附爬行機(jī)構(gòu)中具有重要的應(yīng)用前景，為了對(duì)爬壁機(jī)器人爬行時(shí)與壁面間的接觸力進(jìn)行有效的控制，需要在機(jī)器人腳掌粘附陣列上集成柔性觸覺(jué)傳感器。 目前關(guān)于仿壁虎粘附陣列的制造還是以模版法制造聚合物單層微米陣列為主。所制作的仿壁虎粘附陣列均不具有觸覺(jué)功能，對(duì)粘附和脫離過(guò)程中的粘附力缺乏有效地監(jiān)控，不能感知接觸狀態(tài)。而壁虎腳掌是可能

2、存在感受機(jī)械刺激的感受器。因此，本論文以制造集成觸覺(jué)功能的仿壁虎微米粘附陣列為目標(biāo)，分析了模版法制造微米粘附陣列的各種工藝參數(shù)對(duì)剛毛形貌的影響，建立了粘性聚合物圓孔流動(dòng)模型。研究了柔性傳感器的混合集成技術(shù)，利用柔性電路版和倒裝焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三維力傳感器的柔性化。 首先分析了對(duì)粘附陣列的性能要求和各種工藝參數(shù)對(duì)粘附性能的影響。然后針對(duì)目前各種制造工藝，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)，最后確定采用模版法制造聚合物微米粘附陣列，其工藝是采用ICP Bo

3、sch深刻蝕技術(shù)制造微米孔陣列，注入有機(jī)硅，固化脫模，得到了粘附力佳的大面積柔性微米陣列。 然后分析了聚合物微米粘附陣列制造工藝。首先探討了氣泡的形成及運(yùn)動(dòng)模型，得到了氣泡上升終速度的表達(dá)式。然后建立了粘性聚合物圓孔流動(dòng)模型，得到了聚合物流動(dòng)時(shí)間和流動(dòng)長(zhǎng)度的關(guān)系，和流入極限長(zhǎng)度的表達(dá)式。該模型顯示了粘性聚合物在大氣壓的驅(qū)動(dòng)下，深入到微米孔底只需毫秒級(jí)時(shí)間：聚合物的深入效率隨孔徑的增大而增大。給出了適合制造剛毛材料的聚合物選擇準(zhǔn)

4、則。利用鈍化側(cè)壁工藝成功地控制了剛毛頂部形貌。分析了提高脫模效果的各種方法，針對(duì)不能直接脫模的情況，用KOH溶液腐蝕了模版，成功地脫模。 對(duì)聚合物剛毛陣列進(jìn)行了建模仿真和粘附力測(cè)試。首先建立了剛毛陣列和粗糙壁面粘附力模型，然后計(jì)算并仿真了陣列粘附力與間距、壁面粗糙度和剛毛長(zhǎng)度的關(guān)系。然后用設(shè)計(jì)的粘附力測(cè)量裝置，研究了不同條件下陣列的粘附力。對(duì)變化緩慢的大粗糙度表面，測(cè)得的粘附力值大于理論值，為此分析了剛毛靠模模型。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)考

5、察了微米聚合物粘附陣列的穩(wěn)定性。 根據(jù)航天爬壁機(jī)器人應(yīng)用環(huán)境的特點(diǎn)，探索了采用硅材料制造剛毛的工藝，結(jié)合ICP Bosch深刻蝕工藝和SF<,6>各向同性刻蝕工藝，得到了高寬比大、尖端尖銳的硅剛毛陣列。針對(duì)粘附陣列對(duì)觸覺(jué)感知的需求，研究了柔性傳感器的混合集成技術(shù)，最后采用柔性電路版和倒裝焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三維力傳感器的柔性化。建立了E型膜片的力學(xué)模型，進(jìn)行了有限元和輸出信號(hào)分析，得出了E型膜片對(duì)三維力的響應(yīng)。然后進(jìn)行了傳感器單元的工藝