一种高灵敏压阻式柔性应变传感器及其动态特性仿真优化方法

文档序号:31053000发布日期:2022-08-06 08:41阅读:149来源:国知局
1.本发明属于柔性传感器领域,具体涉及一种高灵敏压阻式柔性应变传感器及其动态特性仿真优化方法。
背景技术
::2.软体机器人因其柔顺性好、交互安全,近年来逐渐成为机器人领域研究的热点。然而,受限于非线性、柔顺大变形,基于准静态平衡模型的控制方式难以胜任在复杂、受限环境,尤其是有外界扰动的情况下。为了提髙软体机器人的灵活性和可控性,有必要赋予软体机器人类似于生物的躯体感知能力,以反馈自身和周围环境的信息。3.压阻式柔性应变传感器具有灵敏度高、应变感知范围大的优点,广泛应用于软体机器人本体感知中。灵敏度(gf)是评价传感器性能优劣的重要指标,学者主要从材料和结构两个方面对其进行提高。材料方面,一般选用高电导率、高展弦比的导电填料(如银片、mexene等)以及提高其分散性(如超声辅助振动)。结构方面,主要通过设计一些拓扑微结构,如折纸状、网格状,并进行尺寸参数优化。理论模型可以对传感器的动态特性进行较为准确的预测,但是局限于简单形状。对于复杂形状(如折纸状、网格状),常常借助有限元仿真,以避免繁琐而又重复性的表征实验。然而,目前对于压阻式柔性传感器的仿真模拟局限于静力学分析,而没有实现结构-电学耦合仿真,不能像表征试验一样施加位移载荷后直接得到电阻值,因此无法对压阻式柔性传感器动态特性进行直观、准确预测。其主要原因是非规则结构在外载荷作用下应变非均匀分布,进而引起非均匀的电阻率分布,并在拉伸过程中,这种非均匀电阻率不断变化,增加了结构-电学耦合仿真的难度。技术实现要素:4.本发明提供一种高灵敏压阻式柔性应变传感器及其动态特性仿真优化方法,用以解决无法对压阻式柔性传感器动态特性进行直观、准确预测的问题,优化传感器结构参数。5.本发明通过以下技术方案实现:6.一种高灵敏压阻式柔性应变传感器,所述传感器包括导电部分1、非导电部分2和信号线3,所述导电部分1设置镂空且贯穿的非导电部分2,所述导电部分1内穿过信号线3,所述导电部分1内具有拓扑微结构;7.所述导电部分1包含柔性基底与导电填料层;8.所述导电部分1与非导电部分2模量具有一定梯度,两者在制备过程中通过分子键合无缝连接,所述非导电部分2阵列微单元模量相同或不相同。9.一种高灵敏压阻式柔性应变传感器的动态特性仿真优化方法,所述动态特性仿真优化方法包括以下步骤:10.步骤1:将高灵敏压阻式柔性应变传感器建立等效电路;11.步骤2:基于步骤1的等效电路,通过apdl定义压阻式柔性应变传感器材料相关信息;12.步骤3:通过apdl建立压阻式柔性应变传感器有限元模型;13.步骤4:基于步骤2的材料相关信息和步骤3的有限元模型,建立结构静力学-电学仿真计算参数接口,开展压阻式柔性传感器结构-电学耦合仿真分析。14.一种高灵敏压阻式柔性应变传感器的动态特性仿真优化方法,所述步骤1传感器等效为多个电阻串并联,传感器的整体电阻可表示为:[0015][0016]其中,并联的电阻表示为rij,i,j分别此部分电阻的行列数,串联的电阻表示为rj。[0017]一种高灵敏压阻式柔性应变传感器的动态特性仿真优化方法,所述步骤2的材料相关信息具体包括力学特性、电学特性;[0018]所述材料力学特性的本构方程,采用3阶mooney-rivlin模型:[0019]w=c10(i1-3)+c01(i2-3)+c20(i1-3)2[0020]其中,w为应变能密度,i1、i2为主惯性矩,c10、c01、c20为常数。[0021]所述电学特性的电阻率-应变关系模型采用kraus模型:[0022][0023]其中,ρ为拉伸过程中的动态电阻率,ρ0为初始电阻率,m、εc分别是与分形、屈服应变有关的常数,m、εc是比例指数。[0024]一种高灵敏压阻式柔性应变传感器的动态特性仿真优化方法,所述步骤3导电部分和非导电部分两者接触界面对应节点位置保持一致,再使用nummrg命令对导电部分和非导电部分的有限元模型节点进行合并。[0025]一种高灵敏压阻式柔性应变传感器的动态特性仿真优化方法,所述步骤4进行仿真分析时,使用*do循环进行迭代计算;电学仿真作为主程序,静力学仿真作为子程序,每步迭代过程中,进行静力学仿真时,使用etable命令提取静力学分析获得的导电部分1各单元应变;使用*get命令将其保存至数组参数中;使用parsav保存所有参数;进行电学仿真时,使用upgeomm命令更新传感器有限元模型节点坐标,基于kraus模型更新导电部分1各单元电阻率;静力学与电学均使用预条件共轭梯度迭代求解器pcg进行求解。[0026]一种高灵敏压阻式柔性应变传感器的动态特性仿真优化方法,所述步骤4通过在传感器一端面节点施加0电势,另一端面节点施加1a电流载荷获得传感器两端的电压值,根据欧姆定律,将其等效为电阻值。[0027]一种高灵敏压阻式柔性应变传感器的动态特性仿真优化方法,施加电流载荷的端面节点中,边线顶点节点、边线非顶点节点、非边线节点按4:2:1比例分配1a电流载荷。[0028]本发明的有益效果是:[0029]本发明的柔性应变传感器通过拓扑微结构与材料属性部署实现拉伸过程应变场重塑,兼具高灵敏和高柔顺性,能够与软体机器人无缝集成。[0030]本发明基于apdl的动态特性仿真优化方法能够对拓扑微结构与材料部署进行并行优化,施加轴向位移载荷可直接获得电阻值,可对压阻式柔性应变传感器动态特性进行直观、准确预测,突破现有此类传感器参数仿真优化只能进行静力学模拟的局限。附图说明[0031]图1为本发明的结构示意图。[0032]图2为本发明的传感器等效串并联电阻示意图。[0033]图3为本发明的基于apdl的压阻式柔性应变传感器动态特性仿真优化方法原理图。[0034]图4为本发明的传感器拓扑构型仿真优化结果示意图,其中图4-(a)为优化非导电部分的行列数仿真优化结果图,图4-(b)为优化非导电部分的尺寸图。[0035]图5为本发明的传感器材料属性分布仿真优化结果图。[0036]图6为本发明的传感器动态特性仿真和实验结果对比图。具体实施方式[0037]下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。[0038]一种高灵敏压阻式柔性应变传感器,所述传感器包括导电部分1、非导电部分2和信号线3,所述导电部分1设置镂空且贯穿的非导电部分2,所述导电部分1内穿过信号线3,所述导电部分1内具有拓扑微结构;[0039]所述导电部分1包含柔性基底与导电填料层;[0040]所述导电部分1与非导电部分2模量具有一定梯度,即后者的模量要低于前者模量,两者在制备过程中通过分子键合无缝连接,如导电硅胶与硅胶、水凝胶与硅胶等,所述非导电部分2阵列微单元模量相同或不相同。[0041]一种高灵敏压阻式柔性应变传感器的动态特性仿真优化方法,所述动态特性仿真优化方法包括以下步骤:[0042]步骤1:将高灵敏压阻式柔性应变传感器建立等效电路;[0043]步骤2:基于步骤1的等效电路,通过apdl定义压阻式柔性应变传感器材料相关信息;[0044]步骤3:通过apdl建立压阻式柔性应变传感器有限元模型;[0045]步骤4:基于步骤2的材料相关信息和步骤3的有限元模型,建立结构静力学-电学仿真计算参数接口,开展压阻式柔性传感器结构-电学耦合仿真分析。[0046]一种高灵敏压阻式柔性应变传感器的动态特性仿真优化方法,所述步骤1传感器等效为多个电阻串并联,传感器的整体电阻可表示为:[0047][0048]其中,并联的电阻表示为rij,i,j分别此部分电阻的行列数,串联的电阻表示为rj。[0049]一种高灵敏压阻式柔性应变传感器的动态特性仿真优化方法,所述步骤2的材料相关信息具体包括材料力学特性、电学特性;所述材料力学特性包括密度、本构方程及特征参数;所述电学特性包括初始电阻率、电阻率-应变关系模型及特征参数;[0050]所述材料力学特性的本构方程,采用3阶mooney-rivlin模型:[0051]w=c10(i1-3)+c01(i2-3)+c20(i1-3)2[0052]其中,w为应变能密度,i1、i2为主惯性矩,c10、c01、c20为常数,可通过拉伸拉测试数据拟合获得;[0053]所述电学特性的电阻率-应变关系模型采用kraus模型:[0054][0055]其中,ρ为拉伸过程中的动态电阻率,ρ0为初始电阻率,m、εc分别是与分形、屈服应变有关的常数,m、εc是比例指数。所述ρ0、m、εc、m、εc可通过对无拓扑微结构的试件进行实验标定方式获得。[0056]一种高灵敏压阻式柔性应变传感器的动态特性仿真优化方法,所述步骤2分别建立导电部分和非导电部分二维有限元模型,然后拉伸成三维有限元模型,两者接触界面对应节点位置保持一致,使用aclear命令将面网格清除,再使用nummrg命令对导电部分和非导电部分的有限元模型节点进行合并。[0057]一种高灵敏压阻式柔性应变传感器的动态特性仿真优化方法,所述步骤3进行仿真分析时,使用*do循环进行迭代计算;电学仿真作为主程序,静力学仿真作为子程序,每步迭代过程中,进行静力学仿真时,使用etable命令提取静力学分析获得的导电部分1各单元应变;使用*get命令将其保存至数组参数中;使用parsav保存所有参数,以免电学仿真清除数据库时丢失;进行电学仿真时,使用upgeomm命令更新传感器有限元模型节点坐标,基于kraus模型更新导电部分1各单元电阻率;静力学与电学均使用预条件共轭梯度迭代求解器pcg进行求解。[0058]一种高灵敏压阻式柔性应变传感器的动态特性仿真优化方法,所述步骤3通过在传感器一端面节点施加0电势,另一端面节点施加1a电流载荷获得传感器两端的电压值,根据欧姆定律,将其等效为电阻值。[0059]一种高灵敏压阻式柔性应变传感器的动态特性仿真优化方法,施加电流载荷的端面节点中,边线顶点节点、边线非顶点节点、非边线节点按4:2:1比例分配1a电流载荷。[0060]如图1所示,一种高灵敏压阻式柔性应变传感器,具有拓扑微结构,包括导电部分、非导电部分、信号线。[0061]所述压阻式柔性传感器的外形为方形,边长为l0=10mm,厚度为1.5mm。所述导电部分包含4wt%多壁碳纳米管、8wt%碳纳米纤维丝作为导电填料与硅胶(型号为ecoflex20)作为柔性基底,所述非导电部分为硅胶(型号为hy00),尺寸为3mm×0.3mm,在压阻式柔性传感器中成5×1阵列分布,所述导线为直径0.08mm的漆包线,位于柔性传感器轴线方向两端。[0062]如图2所示,所述的具有拓扑微结构的压阻式柔性应变传感器可以等效为多个电阻串并联,并联的电阻表示为rij(i,j分别此部分电阻的行列数),串联的电阻表示为rj。rij的长度为a,宽度为b。传感器的整体电阻可表示为:[0063][0064]当应变ε=l/l0=0时,所有的并联电阻相等,串联电阻也相等,即r11=r12=…=ri2=rij,r1=r2=…rj=rj+1,当应变ε≠0时,成轴对称的电阻值相等,即(r11=ri1=rij=rij)≠…≠(r21=r(i-1)1=r2j=r2j),(r1=rj+1)≠…≠(r2=rj)。[0065]所述的导电部分与非导电部分模量具有一定梯度(导电部分模量为116kpa,非导电部分模量为39kpa),两者的同材料属性使其能够在制备过程中通过分子键合无缝连接。[0066]如图3所示,所述高灵敏压阻式柔性应变传感器的动态特性仿真优化方法,包括如下步骤:[0067](1)传感器模拟位移量设为8mm(ε=0.8),a0=1mm,b0=1mm,i∈(2,3,4,5),j∈(1,2,3,4),迭代步数为10,开始*do循环;[0068](2)通过apdl定义压阻式传感器模型相关信息,包括材料力学特性(密度、本构方程及特征参数)、电学特性(初始电阻率、电阻率-应变关系模型及特征参数);[0069](3)通过apdl建立压阻式柔性应变传感器有限元模型;[0070](4)通过apdl进行静力学仿真,提取导电部分单元应变值;[0071](5)通过apdl开展电学仿真,读取变形后的有限元模型,更新导电部分单元电阻率,施加电流载荷,求解;[0072](6)结束*do循环[0073]步骤(1)中,位移迭代步长δl=0.8mm。[0074]步骤(2)中,使用mp命令定义材料密度,本构方程采用3阶mooney-rivlin模型:[0075]w=c10(i1-3)+c01(i2-3)+c20(i1-3)2[0076]其中,w为应变能密度,i1、i2为主惯性矩,c10、c01、c20为常数,可由拉伸拉测试数据拟合获得,通过tb与tbdata命令定义。[0077]电阻率-应变关系模型采用kraus模型:[0078][0079]其中,ρ为拉伸过程中的动态电阻率,ρ0为初始电阻率,m、εc分别是与分形、屈服应变有关的常数,m、εc是一个比例指数,ρ0、m、εc、m、εc可通过对无拓扑微结构的试件进行实验标定方式获得,ρ0=5.4ω·m,εc=0.01,m=2.68,nε=0.03。[0080]步骤(3)中,有限元模型采用六面体网格,先分别建立导电部分和非导电部分二维有限元模型,然后拉伸成三维有限元模型,两者接触界面对应节点位置保持一致,使用aclear命令将面网格清除,使用nummrg命令对接触界面节点进行合并。[0081]步骤(4)中,传感器一端节点三个方向的位移全部定义为零,另一端节点x方向的位移定义为δl,其他两个方向位移定义为零,求解时使用nlgeom命令打开大变形开关,使用预条件共轭梯度迭代求解器pcg进行求解。求解结束后,使用etable命令提取导电部分各单元应变,使用*vget命令将导电部分单元节点编号保存至数组参数中,使用etable命令提取单元应变,使用*get将单元应变保存至数组参数中,使用parsav命令保存所有参数,以免电学仿真清除数据库时丢失。[0082]步骤(5)中,使用upgeomm命令读取变形后的传感器有限元模型,基于kraus模型更新导电部分各单元电阻率,求解时,使用f命令在传感器一端面节点施加0电势,另一端面节点施加1a电流载荷获得传感器两端的电压值,根据欧姆定律,将其等效为电阻值。[0083]步骤(5)中,施加电流载荷端面节点中,边线顶点节点、边线非顶点节点、非边线节点按4:2:1比例分配1a电流载荷。[0084]如图4a所示,首先优化参数i、j,重复上述步骤(1)~(6),当i=5,j=1时,传感器的gf最大,为8.98。[0085]如图4a所示,然后优化参数a,b,重复上述步骤(1)~(6),当a=3mm,b=0.1mm时,传感器的gf最大,为19.44,相比于无拓扑微结构(纯填充)传感器gf提高了101.5%。[0086]如图5所示,考虑到现有加工工艺,b的最小值取0.3mm,在此基础上,对非导电部分的模量进行优化,选用hy00(39kpa)、hy05(72kpa)、hy10(106kpa)、cecoflex20(116kpa,仅使用导电部分硅胶的力学属性,将其电导率设为0,即1/ρ=0)四种不同弹性模量的硅胶与无拓扑微结构传感器进行对比。可以看出,非导电部分的模量越低,传感器的灵敏度越高。相比于无拓扑微结构传感器,非导电部分为hy00型硅胶的传感器gf提高了42.5%。[0087]如图6所示,在以上优选参数(i=5,j=1,a=3mm,b=0.3mm)的基础上,对比了具有拓扑微结构试件和无拓扑微结构试件的实验值和仿真。可以看出,仿真值与实验值较为接近,说明了仿真方法的准确性。实验结果中,在0~0.4应变范围内,具有镂空微结构的gf为8.51,无镂空微结构的gf为5,gf相对提高了70.2%;在0.4~0.8范围内,具有镂空微结构的gf为15.9,无镂空微结构的gf为10.9,gf相对提高了45.9%。当前第1页12当前第1页12
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