触觉传感及识别技术是假肢手智能化过程中不可或缺的,随着智能假肢手技术的发展,触觉传感及识别技术的应用受到了广泛的关注。触觉传感器能为智能假肢手提供接触力信息,结合触觉识别技术,能提高假肢手的操作稳定性和环境感知能力。目前,智能假肢手配备的触觉传感系统以静态力检测为主,动态触觉感知的能力较为缺失,无法很好地满足动态接触事件、滑移、纹理识别的需求。因此,本文在国家重点基础研究发展计划(973计划)课题“分布式机械刺激感知系统设计制造原理”(2011CB013303)的资助下,采用理论分析和实验研究相结合的方式,开展了指尖柔性动态三维触觉传感阵列的设计与制造、触觉传感单元的力学建模与三维力解耦、及触觉纹理识别方面的研究工作。本文首先对所选敏感材料聚偏二氟乙烯(PVDF)的压电效应产生机理及压电方程进行分析,并推导出特殊应用场合下薄膜表面产生的电荷与作用力之间的简化关系模型,为后续的传感器设计提供理论基础;然后,针对指尖小空间内分布式三维力测量的难题,提出一种基于图案化电极与表面四棱台凸起的动态三维力传感新结构,利用该结构设计的触觉传感阵列可有效实现动态三维力测量,且加工过程与平面微加工工艺兼容,便于小型化和阵列化,易于在指尖集成;最后,针对触觉纹理识别过程中识别准确率受滑动速度影响的问题,提出一种基于传感单元间响应时间差和主频率的纹理识别新方法,并进行了实验验证,利用该方法可实现不受滑动速度影响的高准确率纹理识别,使识别操作过程更加拟人化。论文主要研究内容包括:1)基于图案化电极与表面四棱台凸起的动态三维力传感结构研究为了实现假肢指尖动态三维接触力检测,提出一种基于图案化电极与表面四棱台凸起的动态三维力传感结构,在PVDF薄膜上下表面设计图案化电极可以在一个触觉传感单元内形成四个对称布置的压电电容,表面四棱台凸起正压于这四个压电电容上,用于传递正向和切向接触力。基于设计的三维力传感结构,构建3行×2列的触觉传感阵列,以实现动态三维力的多点测量。同时,建立触觉传感单元的力学模型,分析外力作用下四棱台的力传递情况及压电电容表面的应力分布状态,以验证结构设计方案的合理性。2)动态触觉传感单元的三维力解耦模型及验证实验研究针对设计的动态三维力传感结构,基于表面四棱台凸起的力传递特性和压电电容的布置特点,利用四个压电电容响应的组合建立触觉传感单元的三维力解耦模型。为了验证解耦模型的有效性,建立了传感阵列性能测试实验平台,进行动态三维力测量的实验研究,实验结果表明解耦后各轴之间的最大耦合率不超过9.49%,传感单元在x-、y-和z-方向都有良好的线性响应,非线性度分别为2.45%和2.37%和1.74%F.S.,灵敏度分别为14.92pC/N、14.93 pC/N和6.62pC/N,整个阵列的平均测量误差为10.68%± 6.84%,且能有效响应5～400Hz范围内的正向力和切向力。3)柔性动态触觉传感阵列的微制造与集成封装工艺研究针对柔性动态触觉传感阵列制造过程复杂、上下电极对准困难的问题,提出先直接在双面金属化的PVDF薄膜表面双面刻蚀图案化电极再与表面凸起层和基底层进行集成封装的工艺方法,在双面光刻过程中实现上下电极层的精确对准,对各层制备和集成封装中的关键工艺步骤进行设计和分析,并最终完成样机的制备与封装。4)基于传感单元间响应时间差和主频率的纹理识别方法研究为了消除滑动速度对纹理识别准确率的影响,提出一种以传感单元间响应时间差和主频率乘积为特征参数进行纹理识别的新方法,该方法利用传感单元间响应时间差只受滑动速度影响与纹理特征无关的特性来消除特征参数中的滑动速度因子。为了验证该方法,设计纹理样品、完成柔性动态触觉传感阵列在假肢手指尖的集成,基于此二者搭建纹理识别实验平台。利用搭建的实验平台,进行一系列纹理识别实验,对纹理间距在300～1000μm范围内的不同纹理施加10～150mm/s范围内的不同滑动速度以研究纹理间距、滑动速度、传感单元间响应时间差和主频率四者之间的关系,证明通过引入传感单元间响应时间差来消除滑动速度对纹理识别结果影响的可行性,实验结果表明利用提出的新方法,可实现变滑动速度下的纹理识别,识别准确率高达99.93%。