基于凝膠材料的分布式柔性觸覺(jué)感知測(cè)試電路

武尚卿+苑婷婷+劉可+何斌

摘 要 本文設(shè)計(jì)并研制了一種新型柔性分布式觸覺(jué)感知系統(tǒng)。其基于離子水凝膠為基本材料，建立觸覺(jué)傳感器模型的理論與機(jī)理，設(shè)計(jì)并制作的感知層與定位層，分別可以感知力的大小與方向，由此實(shí)現(xiàn)柔性皮膚觸覺(jué)感知。這種感知系統(tǒng)可用作構(gòu)建軟體機(jī)器人，對(duì)復(fù)雜環(huán)境下具有較高的適應(yīng)性，在救援、軍事行動(dòng)、生物、醫(yī)療研究等領(lǐng)域具極強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】觸覺(jué)感知 柔性 離子凝膠 軟體機(jī)器人

1 引言

隨著微機(jī)電技術(shù)特別是微型仿生機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的氣缸、電機(jī)等剛性驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)不能滿足仿生機(jī)器人系統(tǒng)高靈活性、高冗余度和高負(fù)載/體重比的應(yīng)用需求，學(xué)者們研制出了多種新型活性軟質(zhì)材料，并對(duì)其在柔性驅(qū)動(dòng)器方面的應(yīng)用進(jìn)行了一系列探索。其難點(diǎn)在于人類觸覺(jué)感知過(guò)程很難被模仿并且制作材料缺乏并且制作工藝有限。

2 凝膠作為感知模型的制備

2.1 感知層制備

感知層分為三部分材料，其中離子凝膠層位于中間，活性炭層覆蓋離子凝膠兩側(cè)，激流體鋁箔覆蓋最外層，其中離子凝膠仿生人體皮膚，同時(shí)為感知凝膠提供離子電荷，活性炭層用于物理吸附離子液體中的陰陽(yáng)離子，鋁箔導(dǎo)出電荷，同時(shí)表面抗折疊按壓。如圖1所示。

底層離子膠體層文選用的離子液體為1-丁基-3- 甲基咪唑四氟硼酸鹽，底層離子凝膠載體材料為N，N-二甲基丙烯酰胺?；瘜W(xué)性質(zhì)比較活潑，因而易于與各種單體發(fā)生共聚或均聚反應(yīng)。如圖2所示。

碳極與炭黑是制備電級(jí)的材料，其作用在于活性炭是具有極大比表面積及很強(qiáng)吸附，炭黑材料牢固地吸附著一些氣態(tài)碳?xì)浠衔锖推渌镔|(zhì)，二者混合物活性物質(zhì)吸附膠體的離子，因而使膠體形成電壓差，可吸附離子電荷，通過(guò)60%的分散液聚四氟乙烯（PTFE）形成吸附碳電極。

其制作過(guò)程為按比例加取8質(zhì)量的的活性炭與1質(zhì)量的炭黑，攪拌均勻，與1質(zhì)量的PTFE分散液相互混合，形成混合固液，同時(shí)加入20質(zhì)量ml的水與20質(zhì)量的乙醇，混合攪拌至凝固狀態(tài)，用玻璃棒反復(fù)搟壓，形成薄餅狀態(tài)，厚度約為0.5mm，同時(shí)放入120度烘箱中，設(shè)置烘烤12小時(shí)，制成碳極活性物質(zhì)層。

集流體可以把碳極材料所吸附的電子導(dǎo)出，并傳輸至外圍電路。裁切集流體金屬鋁箔與碳極板相同大小兩片，同時(shí)與碳極活性物質(zhì)粘連后貼在離子膠體層的兩側(cè)制備成可用的離子凝膠感知層。在集流體外圍接引導(dǎo)電刷，感知層膠體制備完成。如圖4所示。

2.2 定位層制備

定位層由單層離子凝膠構(gòu)成，由一層可以導(dǎo)電離子凝膠構(gòu)成，其優(yōu)點(diǎn)在于低電壓條件下，即可完成定位感知功能。

此種膠體主要由丙烯酰胺與氯化鋰制成導(dǎo)電膠。丙烯酰胺通常為無(wú)色透明片狀晶體，分子量其分子結(jié)構(gòu)示意圖如下，易溶于水，在酸堿環(huán)境中可水解成丙烯酸。LIcl為白色立方結(jié)晶或粉末，在基底層提供導(dǎo)電離子。

取14wt%的丙烯酰胺單體溶于水，加入交聯(lián)劑N，N—亞甲基雙丙烯酰胺（MBAA），熱引發(fā)劑（過(guò)硫酸鉀，APS）和催化劑（N，N，N′，N′四甲基乙二胺，TEMED），分別以摩爾比0.028mol%，0.031mol%和0.152mol%，溶解于丙烯酰胺溶液中，形成凝膠混合液，取2mol/L的氯化鋰溶液份，根據(jù)凝膠多少調(diào)整用量，混合于丙烯酰胺混合液中，攪拌均勻后，置于長(zhǎng)100mm，寬100mm的封閉容器內(nèi)，其中膠體內(nèi)四個(gè)定點(diǎn)是為膠體定位系統(tǒng)預(yù)留空間，50℃靜置3個(gè)小時(shí)候即可成膠。如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)電路

3.1 感知層電路

感知層導(dǎo)電可以歸納為離子電流、位移電流、電子電流的綜合作用，等效為電容與電阻路混連，其可以等效為RC等效電路模型，當(dāng)按壓力使得感知層發(fā)生形變，電容也隨即發(fā)生改變，由此可以按照測(cè)量電容變化，擬合得到力的大小變化。如圖6所示。

其中Re1，Re2表示上下兩極板電阻，R1表示驅(qū)動(dòng)器活性炭層與離子液體聚合物凝膠層的直流等效總電阻，R2表示表示驅(qū)動(dòng)器動(dòng)態(tài)等效電阻，C表示表示驅(qū)動(dòng)器電容。選用振蕩法測(cè)電容的充放電時(shí)間，硬件選型555振蕩發(fā)生器，如圖7所示。

通過(guò)555多諧振蕩器與外部電路與待測(cè)感知層電容相連，產(chǎn)生定時(shí)中斷被MCU即51單片機(jī)接受，此時(shí)該數(shù)據(jù)產(chǎn)生串口通訊由計(jì)算機(jī)接受，完成數(shù)據(jù)讀取。

感知層電路選用如圖8電路設(shè)計(jì)。

其計(jì)算原理在于

tpl=R2CxIn2

tph=（R1+R2）CxIn2

可推知

Cx=1.44/（R1+2R2）f

其中tpl555振蕩器低電平振蕩時(shí)間，tph為其高電平振蕩時(shí)間，R1、R2為并聯(lián)在555兩側(cè)的電阻，Cx為待測(cè)感知層電容值

由555定時(shí)器與外部元件R1、R2與待測(cè)電容構(gòu)成多諧振蕩器，觸發(fā)其引腳tri與thr值，這時(shí)電路沒(méi)有穩(wěn)態(tài)，電路僅通過(guò)R1、R2向待測(cè)電容Cx充電， 同時(shí)Cx接地進(jìn)行放電，從而使電路產(chǎn)生振蕩。根據(jù)充放電時(shí)間可以算出待測(cè)電容值。

3.2 定位層電路

定位層感知功能是通過(guò)在固定設(shè)置在對(duì)角線上等位點(diǎn)的四電極，此四電極并聯(lián)接入同一電流源，初始值為等電位電路，當(dāng)手指按壓觸碰時(shí)，形成完整回路，通過(guò)定義四個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)為（0 0）（0 1）（1 0）（1 1），當(dāng)觸摸不同位置時(shí)，四支路電流不同，按電流比例求取該定點(diǎn)位置。如圖9所示。

定位層膠體中離子電阻較大，各支路，電路中此時(shí)需搭建極微弱電流放大器電路，主要芯片用OPA129芯片，偏置電流低，放大器輸入電容小，噪聲較小，適合搭載微弱信號(hào)放大器。如圖10所示。

定位層設(shè)計(jì)電路圖如圖11所示。

整個(gè)電路放大倍數(shù)由opa129與輸入端并聯(lián)電阻有關(guān)，Vout=10|R|·Iin，通過(guò)MCU讀取opa129輸出電壓，可知其流經(jīng)該支路的輸入電流。

括感知力層與定位層上下結(jié)構(gòu)連接，中間通過(guò)VHB膠帶固定，有設(shè)計(jì)的電路部分可以感知力大小與力的方位。由此完成觸覺(jué)感知測(cè)試。

4 總結(jié)

隨著材料、化學(xué)等學(xué)科的快速發(fā)展，針對(duì)微型仿生機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用需求，學(xué)者們研制出了多種新型活性軟質(zhì)材料，并對(duì)其在柔性驅(qū)動(dòng)器方面的應(yīng)用進(jìn)行了一系列探索。本文針對(duì)柔性材料的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了分布式柔性觸覺(jué)感知系統(tǒng)，可感知力的大小與力的位置。在科學(xué)與工程領(lǐng)域具有實(shí)用意義，非常適合用作仿生柔性體機(jī)器人感知功能實(shí)現(xiàn)。

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作者簡(jiǎn)介

武尚卿（1991-），男，河南省安陽(yáng)市人。碩士學(xué)歷。同濟(jì)大學(xué)電信學(xué)院。軟體機(jī)器人。

作者單位

同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 上海市 201800