壓阻式觸覺傳感器對法向力和剪切力的檢測

許玉杰, 孫 英, 尹澤楠

(河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室 河北工業(yè)大學(xué)，天津 300130)

0 引 言

“機(jī)器人柔性敏感皮膚”已成為智能機(jī)器人觸覺傳感器技術(shù)領(lǐng)域的一個研究熱點[1]。所謂“柔性”是指觸覺傳感器具有類似于人類皮膚一樣的特性，可以覆蓋在任意的載體表面測量受力信息，從而感知目標(biāo)對象的性質(zhì)特征[2]。類似于人類皮膚，機(jī)器人敏感皮膚或者人工假肢是面積大并且具有數(shù)據(jù)處理能力的柔性微型傳感器陣列[3]。由于外部環(huán)境的復(fù)雜性，要求觸覺傳感器能夠檢測外部的多個物理量以滿足需求。目前，導(dǎo)電橡膠廣泛應(yīng)用于觸覺傳感器，可使電阻式傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)時間短，頻率響應(yīng)特性好[4]。

壓阻觸覺傳感器利用彈性體材料的電阻率隨壓力大小的變化而變化的性質(zhì)制成，并將接觸面上的壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號[5]。壓阻式觸覺傳感器可伸展、增強(qiáng)抓取質(zhì)量、測量不同范圍力,國內(nèi)學(xué)者對力敏導(dǎo)電橡膠進(jìn)行了理論研究[6]，增加觸覺的靈敏度和靈活性已成為提高觸覺傳感器性能的主要研究點[7]。壓阻式觸覺傳感器采用導(dǎo)電聚合物的彈性空心球結(jié)構(gòu)，可以提高傳感器的靈敏度和靈活度[8～10]。使用壓阻式觸覺傳感器辨別力的大小和方向時，可實現(xiàn)進(jìn)一步的解耦分析[11]。文獻(xiàn)[12]將法向力和剪切力作用在傳感器單元的同一表面，通過對傳感器進(jìn)行法向力和剪切力特性測試及動態(tài)響應(yīng)與恢復(fù)特性測試，表明該傳感器可以作為仿生皮膚實現(xiàn)觸覺感知功能。

本文采用不同元件測量法向力和剪切力，提高了傳感器效率。

1 工作原理

觸覺傳感器為基于導(dǎo)電橡膠的壓阻式觸覺傳感器，由5只傳感元件組成，各傳感元件表面附著復(fù)合薄膜，如圖1(a)所示，薄膜表面有微球體凸起以增強(qiáng)靈敏度，復(fù)合薄膜由碳納米管(carbon nanotube,CNT)和聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)的混合材料所制。導(dǎo)電橡膠具有良好的壓阻特性，壓力越大，電阻值越小[13]。

傳感器的工作部分可以分為中心部分和4個側(cè)壁結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示，中心芯由在底部殼體上堆疊的兩個長方體塊組成，底端外殼為PDMS材料，在X-Y平面上受到剪切力時，相比于Z方向，中心芯在X和Y方向的移動范圍更大。中間部分由導(dǎo)電聚合物制成并且呈現(xiàn)長方體形狀，可用作所有感測元件的參考電極。CNT/PDMS復(fù)合材料薄膜附著于中心長方體的5個表面，長方體底面直接接觸底部PDMS殼體，4個長方體側(cè)壁表面積足夠大，并在其表面附著有測量剪切力的傳感元件，頂蓋部分僅用于測量法向力，因此，其厚度遠(yuǎn)小于中心芯的整體厚度。將觸覺傳感器置于PDMS殼體中，PDMS殼體對感測元件提供保護(hù)，同時確保傳感器的靈活性。受力時，力信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過外部電路采集。

圖1 觸覺傳感器結(jié)構(gòu)

2 實驗結(jié)果分析

傳感器具有3種不同的測量方式：1)對法向力的測量，在頂部PDMS外殼上施加法向力，測量出中間部分和頂蓋部分之間的電阻值變化得到施加的法向力；2)對剪切力的測量，在頂部PDMS外殼上施加剪切力，監(jiān)測中間部分與任意側(cè)壁結(jié)構(gòu)中間的電阻值變化得到剪切力大小，力的施加如圖2所示；3)能夠定性觀察法向力和剪切力傳感元件之間的干擾。

圖2 觸覺傳感器受力

測量施加法向力時觸覺傳感器的響應(yīng)，在傳感器的頂部外殼上施加法向力，大小為0～50 kPa，增量為5 kPa，圖3(a)給出了施加法向力時感測元件的電阻值隨著所施加力的變化趨勢。縮小施加力的增量為100 Pa，得出可測得的最小力為600 Pa，最大力為65 kPa。同理，測量施加剪切力時觸覺傳感器的響應(yīng)，施加力大小為0～10 kPa，增量為1 kPa，圖3(b)給出了施加剪切力時感測元件電阻值的變化。縮小施加力的增量為100 Pa，可測量的最小剪切力為900 Pa。

圖3 觸覺傳感器測試響應(yīng)

該觸覺傳感器的特性是能夠降低法向力感測元件與剪切力感測元件之間的干擾，提高測量的準(zhǔn)確性，圖4(a)和圖4(b)分別為施加法向力和剪切力時法向力感測元件阻值的變化。由圖可知，當(dāng)力增加到一定程度時，法向力感測元件的阻值發(fā)生劇烈變化，之后阻值變化同樣劇烈，與此同時，法向力增大時，剪切力感測元件的阻值幾乎無變化。因此，施加法向力時僅對法向力感測元件的阻值產(chǎn)生影響，而對剪切力感測元件阻值的影響非常小，觸覺傳感器法向力感測元件與剪切力感測元件之間幾乎無干擾。

圖4 2種感測元件中的電阻值變化

3 結(jié) 論

觸覺傳感器可以通過不同的感測元件測量施加的法向力和剪切力，所測力的范圍足夠大，并且法向力感測元件和剪切力感測元件互不影響，不需采用感測模塊測量三維力，提高了傳感器的工作效率。經(jīng)過仿真實驗知觸覺傳感器感測力的范圍足夠大。該傳感器可用于機(jī)器人手臂和人工假肢上，能夠較快識別法向力和剪切力，提高其靈敏度和靈活性。但由于此種結(jié)構(gòu)設(shè)計感測元件多，模塊較多，使得傳感器體積較大，需要進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計。

[1] 郝傳光.三維柔性觸覺傳感器的信息提取與分析[D]．合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010．

[2] 徐 菲.用于檢測三維力的柔性觸覺傳感器結(jié)構(gòu)及解耦方法研究[D]．合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2011．

[3] 黃 英,陸 偉，趙小文，等.用于機(jī)器人皮膚的柔性多功能觸覺傳感器設(shè)計與實驗[J].機(jī)器人,2011,33(3)：347-359.

[4] 王 鈺,李 斌.柔性觸覺傳感器主要技術(shù)[J].傳感器與微系統(tǒng),2012,31(12)：1-4.

[5] 黃 英,明小惠,向 蓓，等.一種新型機(jī)器人三維力柔性觸覺傳感器的設(shè)計[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2008,21(10):1695-1699.

[6] 付朝陽．導(dǎo)電橡膠力敏傳感器研究進(jìn)展[J]．傳感器與微系統(tǒng),2013,32(6):1-4．

[7] Stassi S,Cauda,V,Canavese G,et al.Flexible tactile sensing based on piezoresistive composites[J].A Review Sensors,2014,14:5296-5332.

[8] Takashima S，Horie T，Mukai K，et al．Piezoelectric properties of vinylidene fluoride oligomer for use in medical tactile sensor applications[J]．Sensors and Actuators A:Physical，2008，144(1):90-96．

[9] De Maria G,Natale C,Pirozzi S.Force/tactile sensor for robotic applications[J].Sensors and Actuators A:Physics,2012,175:60-72.

[10] Assaf T,Roke C,Rossiter J,et al.Seeing by touch:Evaluation of a soft biologically-inspired artificial fingertip in real-time active touch[J].Sensors,2014,14:2561-2577.

[11] 張景柱,郭 凱,徐 誠.六維力傳感器靜態(tài)解耦算法應(yīng)用研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2007,26(12):58-59.

[12] 許德成,高永慧,郭小輝.一種全柔性電容式觸覺傳感器設(shè)計與試驗[J].江蘇大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2015,36(3):

337-342.

[13] 王東升,秦 嵐.導(dǎo)電橡膠觸覺傳感器陣列的標(biāo)定實驗研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2008,27(12):21-23.