新型柔性三維力觸覺傳感器的設計與研究*

秦 沖

（1.河南科技大學 應用工程學院，河南 三門峽 472000；2.三門峽職業(yè)技術學院汽車學院，河南 三門峽 472000）

0 引 言

目前，對于仿人靈巧手的研究吸引了較多的關注，通過手勢的模仿來完成特定的操作，有助于降低控制難度［1］。盡管市場中已經(jīng)出現(xiàn)了一些仿人靈巧手，然而也存在不足問題，缺乏觸覺感知能力，難以達到更高的交互要求。

人體皮膚除了對外部刺激做出響應之外，同時可以對剪切力以及正向力進行識別，在此基礎上做出一定的反饋［2］。根據(jù)上述原理，針對仿人靈巧手進行改進設計，利用特定的傳感器進行手勢調(diào)整，提高了物品抓取的精度和效率。所以有必要對觸覺傳感器進行深入研究，提升其對外部信息的感知能力，從而改善靈巧手的交互性，使其在實際交互和控制場景中發(fā)揮更佳的作用［3］。當前該類型的觸覺傳感器在多個領域中凸顯出實用價值，例如在假肢設計［4］、康復治療［5］、手術機器人［6］等場景中具有良好的應用前景。

隨著研究的深入，已經(jīng)形成了多種類型的產(chǎn)品，常用的可以劃分為電容式［7］、電阻式［8］、光學式［9］、電磁式［10］和壓電式［11］等。各種類型的傳感器在原理以及適用性等方面存在顯著的差異性。電阻式柔性壓力傳感器在應用中顯示出一定的優(yōu)勢，例如結構復雜度較低，顯示出良好的靈敏度等，更重要的是能夠同步感知剪切力與正向力［12］。很多學者在此領域進行了研究，其中，Wang Y C等人［13］在設計的觸覺傳感器采用了導電橡膠，并將其運用到了機械臂中，在各個方向的靈敏度不同，對于x，y，z 軸的靈敏度分別是0.471，0.466，0.201，單位均為V／N。Zhang J 等人［14］在研究中成功設計出一種靈敏度較高的柔性觸覺傳感器，在該產(chǎn)品中利用了還原氧化石墨烯（reduced graphene oxide，rGO）薄膜和聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）陣列。受到rGO／PDMS 變形的影響，使得rGO 薄膜、電極的接觸面積發(fā)生變化，由此提升了檢測的靈敏度，壓力處于0 ～225 Pa時基本可以達到1.71 kPa-1的靈敏度。

柔性三維力傳感器在靈敏度以及量程上往往存在一定的矛盾問題，二者難以同時達到較高的要求，例如在傳感器的靈敏度較高時，則量程往往較低。正是由于存在該問題，導致其應用受到了一定的限制。

在本文研究中針對上述問題進行了分析，并設計了一種新型的壓阻式傳感器，在設計過程中利用了多壁碳納米管（multi-walled carbon nanotubes，MWCNTs）以及PDMS納米材料，在各個方向的靈敏度較高，同時測量范圍較大。在靈巧手中集成該傳感器的應用效果較好，可以實現(xiàn)自適應抓取的功能，同時比較柔和、安全，應用的潛力較大。

1 柔性三維力傳感器

1.1 傳感器的工作原理

針對柔性三維力傳感器的基本原理進行分析，具體結構如圖1所示。

圖1 柔性三維力傳感器的結構和工作原理

根據(jù)圖1（a）可知，整個傳感器可以劃分為5 層，包括頂部PDMS凸起層、上下層敏感單元、上下層PET 襯底柔性電極。其中，PDMS凸起層主要用于實現(xiàn)對外力的傳輸，由此改變傳感單元的電阻，本質上一個預制的四棱臺，邊長6 mm。傳感器中含有4 個傳感單元，通過上下層PDMS／MWCNTs薄膜形成，各個單元的邊長均為2 mm，對應的阻值依次是R1，R2，R3，R4。如圖1（b）所示，其中，RT，RB分別代表上、下敏感層的電阻，而二者之間的接觸電阻表示為RC，這3部分提供了傳感單元的電阻，阻值會受到壓力的影響，二者呈負相關，即隨著壓力的增加而減小。結合上述分析可知，在壓力較小的情況下，RC決定對于傳感器電阻的影響較大，由此可以提升其靈敏度。但是在壓力較大時，RC難以形成顯著的變化，此時RT與RB決定共同影響傳感器的電阻，從而有效提升了檢測的范圍。如果只是將正向力施加在凸起層，則傳感層會受到一定均勻力，具體如圖1（b）。受到正向力（Fz）的影響，傳感單元的電阻會出現(xiàn)變化，二者呈負相關，各個單元的輸出變化趨勢基本是一致的。如果在凸起層表面施加x 軸切向力（Fx），則各個電阻的變化趨勢不同，根據(jù)圖1（c）可知，F(xiàn)x形成的扭矩對于各個電阻的影響不同，導致R1和R2降低，R3和R4增大。另外，y軸切向力相對于x軸在原理上基本是一致的。

1.2 傳感器的工藝流程

圖2為傳感器的工藝流程以及對應的實物。其中，在圖2（a）中展示的是一種絲網(wǎng)印刷工藝，由此可以形成陣列化的單元，使得傳感器具備了較好的一致性［15］。在工藝中需要先制作柔性電極，主要是在PET襯底設置導電銀漿絲網(wǎng)，通過這種方式得到的電極滿足了柔韌性的要求。在上述工藝結束之后，分別在電極底部和頂部位置印刷PDMS／MWCNTs納米復合溶液。然后，針對上、下兩部分進行有效的粘合，在此基礎上安裝PDMS凸起層，從而達到封裝的相關要求。

圖2 傳感器的工藝流程和實物

1.3 傳感器的性能表征

針對傳感器的性能進行表征，基于電阻分壓式測試電路，在描述電阻變化時利用電壓變化量。在本文研究中的電壓（V）、電阻（R）以及初始電阻（R0）存在一定的相關性，具體為：V ＝（R-1-R0-1）／R0-1。圖3（a）主要描述各個電阻的輸出電壓（V1～V4）和z軸受力的相關性。根據(jù)圖中的信息可知，處于0 ～3 N 之間時，接觸力的變化導致電阻輸出電壓改變，二者呈正相關，靈敏度為3.1 V／N。圖3（b）為遲滯曲線，根據(jù)圖中的信息驗證了在遲滯性上可以達到的效果。結合圖3（c）、（d）中的信息可知，如果將切向力施加在x，y軸中，則各個單元的輸出電壓變化不同，增大和減小的均為2個。根據(jù)圖3（c）可知，如果正向力為1 N，則Fy增大時，導致各個電阻的輸出電壓變化不同，即與R1、R2的輸出電壓呈正相關，與R3、R4則呈負相關。根據(jù)上述結果可知，該傳感器的靈敏度較高，價格相對較小，應用到靈巧手中具有一定的實用性。

圖3 傳感器的三維力感知性能

2 人機交互演示實驗

2.1 三維力解耦實驗

結合之前的分析，將不同的作用力施加在傳感器中會導致傳感單元輸出電壓的改變，并且變化趨勢有所不同。其中，施加x，y軸力時，則有2 個單元的輸出電壓變化，另外2個無變化；而在施加正向力時，則各個單元均變小。三軸力導致的總電壓改變表示為Vz，Vx，Vy，與輸出電壓V1，V2，V3，V4之間依然具有一定的關系，具體公式如下所示

基于上述分析可以得到Vz，Vx，Vy，即為各個軸的輸出電壓。根據(jù)上述結果可知，受到外力影響時，三軸力的輸出電壓靈敏度較高，可以通過擬合線的斜率進行表示。進一步針對各個方向的靈敏度進行檢測，發(fā)現(xiàn)在x，y 軸方向是基本是一致的，即為1.8 V／N，而對于z 軸在0 ～3 N 內(nèi)為3.1 V／N。結合上述分析可知，本文設計的柔性三維力傳感器在靈敏度上具備了一定的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在切向力（0 ～0.4 N）、正向力（0 ～3 N）感知上，如圖4所示。

圖4 傳感器的三維力解耦

圖5為三維力的標定平臺。需要在三軸移動平臺中設置ATI NANO 17，量程與分辨率依次是0 ～15 N、0.003 15 N?？紤]到傳感單元的要求，需要將ATI NANO 17 與長方形樹脂（長30 mm）進行連接。在設置完成之后開始進行實驗，并測定外力大小以及輸出電壓。

圖5 三維力標定平臺

2.2 安全抓取實驗

在本文研究中進行了安全抓取實驗，通過觸覺傳感器對靈巧手的抓握力進行有效控制，使其運行過程中保持安全和穩(wěn)定，抓取過程如圖6。其中，圖6（a）為抓取力由小到大的變化過程。根據(jù)圖可知，在抓取力為0.9 N時，抓取的紙杯基本未出現(xiàn)顯著的變化，形狀依然穩(wěn)定。然后逐步提高抓取力，在達到1.9 N 的情況下，紙杯開始出現(xiàn)形變，但變化幅度總體較小。繼續(xù)增大抓取力，在達到2.7 N時，紙杯形變幅度顯著增大，已經(jīng)無法恢復，可能會損壞被抓取的物品。圖6（b）為整個過程中的抓取信號，根據(jù)圖可知，整個三維力傳感器可以達到較高的靈敏度要求。結合上述分析可知，設計的靈巧手在觸覺傳感上的能力較強，靈敏度較高，抓取的過程比較柔和，即使是抓取易變形的物品也能夠保持較高的穩(wěn)定性。

圖6 仿人靈巧手安全抓取過程和抓取信號示意

2.3 自適應抓取實驗

在實驗過程中需要先搭建基本的實驗裝置，此次實驗中利用了傳感器、水瓶以及靈巧手，具體如圖7 所示。圖7（a）為施加切向力的信號，由此可以確定人手的動作趨勢，即需要接到杯子，然后可以將杯子方可來完成對應的操作。圖7（b）為向下切向力的檢測信號，檢測到該信號后并確定該力和重力的方向是相同的。此時通過控制來提高抓握力，避免杯子掉落。根據(jù)圖可知，在檢測到z 軸力變大時，增大抓取力，防止滑落。

圖7 仿人靈巧手自適應抓取過程及信號示意

3 結 論

在本文研究中設計了一種新型的柔性三維力觸覺傳感器，利用PDMS／MWCNTs材料，將其應用到了靈巧手中可以對切向力以及法向力進行有效地檢測，從而實現(xiàn)控制的目標。通過實驗驗證了該傳感器的應用效果，能夠對紙杯與水瓶進行有效地抓取，具備了自適應抓取的能力，因此該傳感器具有一定的實用價值，適合于應用到工業(yè)以及醫(yī)療機器人設計等領域中。