基于導(dǎo)電織物的應(yīng)變式柔性傳感器

沈宏駿，吳 杰，陳 昕，徐先亮

(南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

近年來，智能機器人技術(shù)蓬勃發(fā)展，其引申出的觸覺傳感器研究也隨之發(fā)展。觸覺傳感器力求模擬人類皮膚性能，將物理信號或無接觸的信號(光信號、熱信號等)轉(zhuǎn)化為電信號，使機器人實現(xiàn)對外部的感知[1-2]?，F(xiàn)如今，觸覺傳感器已經(jīng)有了一定的成果[3]。按照測量方法，觸覺傳感器主要分為電容式、壓阻式以及電感式三種。

電容式觸覺傳感器一般由中間介質(zhì)層以及上下兩個電極層組成，上下電極層分別連接一根導(dǎo)線，用以測量電容變化。當(dāng)電容式傳感器受到外力作用時，中間的介質(zhì)層會發(fā)生形變，使得兩電極層之間的間距以及正對面積發(fā)生變化，進(jìn)而改變傳感器的電容值[4-5]。壓阻式觸覺傳感器是敏感材料受到外力作用時產(chǎn)生壓阻效應(yīng)，使電阻發(fā)生變化，壓阻效應(yīng)是指材料受到應(yīng)力作用時電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象[6]。電感式觸覺傳感器的工作原理是將非電量(壓力、位移等)通過電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)化為電流或電壓的變化量[7-10]。

臺灣國立成功大學(xué)制作出一種三維觸覺傳感器，該傳感器基于硅壓阻效應(yīng)，以四個硅懸臂梁的形變測定出電阻與三維力的變化關(guān)系[11]；法國巴黎綜合理工學(xué)院制備出一種三維電容式傳感器，該傳感器采用上下叉指電極結(jié)構(gòu)，構(gòu)造出四個電容器，通過測定上下極板的有效面積以及間距變化，得到電容與三維力的變化關(guān)系，具有較高的靈敏度[12]；臺灣大學(xué)以巴克紙為敏感元件制作了觸覺傳感陣列，該陣列具有成本低、易制造等優(yōu)點[13]；合肥工業(yè)大學(xué)黃英教授團(tuán)隊制備出一種復(fù)合介質(zhì)層電容傳感器，該傳感器以空氣和PDMS作為介質(zhì)層，當(dāng)受到大小不同的力時，空氣和PDMS占比的變化改變電容大小，下層電極層由5塊電極板組成，用于判斷各個方向力的大小[14]。

本文研究柔性織物電容式傳感器，該傳感器以硅膠材料作為介質(zhì)層，以兩層導(dǎo)電布作為電極層，控制傳感器的拉伸長度與彎曲角度，從而改變傳感器兩電極層的正對面積及間距。該傳感器具有低遲滯、低成本以及高靈敏度等特點。

1 柔性傳感器的原理及設(shè)計

設(shè)計的基于導(dǎo)電織物的柔性電容式傳感器示意圖如圖1所示。

圖1 柔性電容式傳感器示意圖

該電容式傳感器采用三明治結(jié)構(gòu)，上下電極層均采用導(dǎo)電織物，介電層為硅膠(Ecoflex 00-30)，該材料彈性大，易拉伸，柔韌性好。使用導(dǎo)電織物作為電極層具有導(dǎo)電性能好、強度高、不易拉斷、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低等優(yōu)點。電容傳感器上下兩電極層都用同材料的硅膠封裝來保護(hù)內(nèi)部電極，并且在傳感器的兩端各制作了一個固定端(材料為Ecoflex 00-30)。固定端的作用主要是為了拉伸時避免金屬夾具與傳感器電極層直接接觸，進(jìn)而影響傳感器的電容大小。

若忽略電容上下極板的邊緣效應(yīng)，電容計算公式可寫為：

(1)

式中：C為兩極板間的電容；ε0為真空介電常數(shù)，約為8.85×10-12F/m；εr為相對介電常數(shù)；S為兩電極板正對面積；d為兩電極板的間距。

當(dāng)電容傳感器受拉時，上下電極層之間的間距以及正對面積會發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致傳感器的電容發(fā)生改變。因此，通過測量傳感器的電容變化量就可以測得所受拉力的大小。

設(shè)電容的初始值為C0，上下電極層的間距為d0，初始正對面積S0。施加拉力后，傳感器電容變化量為ΔC，上下極板間距變化量為Δd，正對面積變化量為ΔS?？闪谐鋈缦玛P(guān)于電容變化方程式：

(2)

2 柔性傳感器的制備

在進(jìn)行柔性傳感器的制備時，首先將Ecoflex 00-30中A、B兩試劑以1∶1的劑量混合，放在真空攪拌機中攪拌10 min，使其混合充分。將制備好的硅膠混合劑倒入尺寸為100 mm×100 mm×2 mm的模具中，待其固化后取樣。在取出樣品的一側(cè)涂抹同材料的硅膠作黏合劑，并迅速覆蓋一層導(dǎo)電織物。在另一側(cè)進(jìn)行同樣的操作，然后靜置3 h，待導(dǎo)電織物與樣品完全貼合后，裁剪出尺寸為7 cm×1 cm的樣品作為試驗所用傳感器。

前期試驗階段選擇介電層材料時，對硅膠和PDMS都做過測試，發(fā)現(xiàn)Ecolfex 00-30硅膠彈性變形能力遠(yuǎn)高于PDMS，該硅膠材料可拉伸至自身長度2～3倍而不產(chǎn)生塑性變形；而在試驗前PDMS在拉伸至自身長度1.5倍時就常常發(fā)生斷裂。因此取用Ecolfex 00-30作為介質(zhì)層，以提高傳感器的柔韌性。

為了防止拉伸時金屬夾具直接接觸傳感器產(chǎn)生較大的寄生電容進(jìn)而影響試驗的正常進(jìn)行，設(shè)計模具時在傳感器的兩側(cè)增設(shè)了把手部分。傳感器制備流程如圖2所示。

圖2 傳感器制備流程

制備時，先將Ecolfex 00-30中的A、B兩劑以1∶1的劑量混合，放在真空攪拌機中充分?jǐn)嚢?0 min，使其混合充分并抽離其中的氣泡。將少量的混合劑均勻地倒入磨具中，使混合劑高出整個模具底部1 mm，靜置1 h，待硅膠稍微固化后，再順著底板上的孔插入下導(dǎo)線，并放入之前剪裁好的織物傳感器。要注意混合劑不宜倒入太多或太少，以免傳感器導(dǎo)電織物觸碰到模具底部而起不到封裝保護(hù)效果。接著將傳感器放入模具，蓋上上蓋，并順著上蓋中的孔插入上導(dǎo)線。前后兩根導(dǎo)線在放置時必須保證要與傳感器上下電極層接觸，否則會影響后續(xù)試驗的正常進(jìn)行。最后，倒入剩下的硅膠混合劑直至與上蓋齊平，靜置4 h待其完全固化后取出，柔性織物傳感器制備完成。

3 柔性傳感器性能測試

3.1 拉伸試驗

利用LCR-821高精度LCR測試儀對柔性觸覺傳感器進(jìn)行拉伸特性試驗，如圖3所示。

圖3 導(dǎo)電織物傳感器拉伸測試

試驗開始前，為了防止導(dǎo)電織物傳感器過于松弛影響后續(xù)試驗數(shù)據(jù)，對傳感器進(jìn)行了預(yù)拉伸，使導(dǎo)電織物傳感器處于自然伸直長度。首先，將導(dǎo)電織物傳感器硅膠包裹層夾緊在試驗臺上；然后，將導(dǎo)電織物傳感器的兩極與LCR測試儀連接；接著，將導(dǎo)電織物傳感器分別拉伸5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm。測試該傳感器在不同拉伸長度下的電容，記錄試驗數(shù)據(jù)，建立拉伸長度—電容曲線圖，如圖4所示。

圖4 導(dǎo)電織物傳感器拉伸長度—電容變化關(guān)系曲線

由圖4可知，電容隨拉伸長度的增加而變大，電容增加速率逐漸下降直至拉伸至30 mm電容達(dá)到最大值，這表明該傳感器在30 mm時正對面積與電容兩電極板間距之比達(dá)到最大值。當(dāng)拉伸長度超過30 mm時，電容隨拉伸長度的增長不斷減小，且下降速率不斷增加。發(fā)生這種情況可能是由于導(dǎo)電織物開始發(fā)生卷曲，使有效正對面積變小，從而導(dǎo)致傳感器的電容值下降。

3.2 重復(fù)性試驗

利用LCR-821高精度測試儀對柔性觸覺傳感器的重復(fù)性進(jìn)行試驗。拉伸試驗重復(fù)進(jìn)行3次，試驗結(jié)果如圖5所示。在反復(fù)拉伸試驗中，電容最大值相近，穩(wěn)定性好，說明該導(dǎo)電織物傳感器具有較好的重復(fù)性。

圖5 導(dǎo)電織物傳感器重復(fù)性試驗

3.3 遲滯試驗

導(dǎo)電織物傳感器的遲滯性是指導(dǎo)電織物傳感器在施加拉力和卸載拉力過程中，正行程曲線與反行程曲線不重合的程度。在動態(tài)試驗中，為了防止不可逆影響，應(yīng)盡量減少傳感器的遲滯性。硅膠長鏈分子的變形滯后受力，從而產(chǎn)生應(yīng)力弛豫現(xiàn)象[15]，硅膠在拉伸與釋放的過程中電容會出現(xiàn)差異，從而產(chǎn)生遲滯性[16]。導(dǎo)電織物傳感器的遲滯曲線如圖6所示，遲滯最大誤差為0.39，遲滯曲線圖正行程和反行程重合性好，遲滯性較小。

圖6 導(dǎo)電織物傳感器遲滯特性曲線

3.4 彎曲試驗

本試驗研究導(dǎo)電織物傳感器電容與彎曲角度的關(guān)系，彎曲測試特性試驗如圖7所示。首先將導(dǎo)電織物傳感器的兩極與LCR測試儀連接，然后將導(dǎo)電織物傳感器連接到手指上，如圖7(a)所示，通過彎曲手指來測量傳感器的電容變化，彎曲角度從0°到100°，每10°測量一次。重復(fù)試驗20次，取平均值，繪制如圖7(b)所示的電容變化曲線圖。整個函數(shù)圖像近似為一條直線，說明該導(dǎo)電織物傳感器的電容值隨彎曲角度呈線性變化，線性方程為Y=0.02818X+16.648。

圖7 導(dǎo)電織物傳感器彎曲測試特性試驗

4 小結(jié)

提出一種以導(dǎo)電織物作為電極層、硅膠(Ecolfex 00-30)作為介質(zhì)層的導(dǎo)電織物傳感器，該傳感器結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價格低廉。通過研究其拉伸長度與電容關(guān)系以及彎曲特性，發(fā)現(xiàn)該傳感器在一定范圍內(nèi)，其電容大小隨拉伸長度的增加而變大，而當(dāng)傳感器的拉伸長度達(dá)到30 mm時，其電容達(dá)到最大值。同時，該傳感器具有重復(fù)性好、遲滯性小、良好的線性關(guān)系等特點，其最大遲滯誤差為0.39 pF，線性度方程為Y=0.02818X+16.648。

由于導(dǎo)電織物傳感器彎曲時有良好的線性度，可以將其應(yīng)用在機器人關(guān)節(jié)的彎曲控制上。通過檢測電容的大小，實時控制機器人關(guān)節(jié)彎曲角度，使機器人手指、肘關(guān)節(jié)具有更大的靈活性。該傳感器還能用在機器人的末端執(zhí)行器上作為觸覺感知裝置，通過檢測電容的大小來獲取機器人抓取物體的抓取力，改善機器人與外界的交互性。由于該傳感器具有較好的可拉伸性能，可以應(yīng)用到智能服裝領(lǐng)域，該導(dǎo)電織物傳感器有較為廣闊的應(yīng)用前景。