劉會(huì)聰 楊夢(mèng)柯 袁 鑫 孫立寧 金國(guó)慶

1.蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，蘇州，215000 2.江蘇省先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘇州，215000

0 引言

軟體機(jī)器人是近年來(lái)機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)[1]。軟體機(jī)器人高度柔軟和多自由度的特性[2]使其具有非常好的環(huán)境適應(yīng)性和安全性[3]，在工業(yè)抓取[4]、仿生生物[5]和醫(yī)療康復(fù)[6]等領(lǐng)域具有巨大的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。軟體機(jī)械手是一種常見(jiàn)的軟體機(jī)器人形式，相較于傳統(tǒng)的剛性機(jī)械手，與人類肢體的相似性更高，在柔性抓取、人機(jī)交互方面更具安全性和適應(yīng)性[7]。

人機(jī)交互機(jī)械手可以通過(guò)肢體映射、肌電控制、腦波控制[8-9]等方式幫助人類在相對(duì)危險(xiǎn)和難以到達(dá)的地方從事活動(dòng)，如危險(xiǎn)物品的抓取、高危作業(yè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等[10]。因此，采用人機(jī)交互的方式對(duì)軟體機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制可以擴(kuò)大軟體機(jī)械手的應(yīng)用范圍，提高軟體機(jī)械手的操控能力。

軟體機(jī)械手常采用氣動(dòng)[11]的驅(qū)動(dòng)方式，但軟體機(jī)械手自由度多，在抓握物體的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生被動(dòng)的變形，難以對(duì)其進(jìn)行精確建模，這增加了軟體手的交互控制難度[12]，因此可以在軟體手上集成柔性傳感器對(duì)其進(jìn)行變形檢測(cè)，繼而進(jìn)行反饋控制。

軟體機(jī)器人的大變形特點(diǎn)要求柔性傳感器具有非常好的柔順性和拉伸性，為保證柔性傳感器在運(yùn)動(dòng)變形時(shí)不易受耦合變形因素的影響，柔性傳感器還要具有較好的魯棒性和穩(wěn)定性?；谝簯B(tài)金屬的電阻式傳感器具有拉伸性好、滯后性低、重復(fù)性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，滿足軟體機(jī)器人的傳感需求。FARROW等[13]在軟體機(jī)器人背部嵌入液態(tài)金屬，通過(guò)檢測(cè)背部拉伸變形時(shí)應(yīng)變傳感器的應(yīng)變量測(cè)得軟體機(jī)器人的彎曲變形。BILODEAU 等[14]通過(guò)3D打印的方式直接將液態(tài)金屬注入軟體機(jī)器人的微流道腔內(nèi)，制作了能檢測(cè)彎曲變形的軟體機(jī)械抓手。該機(jī)械抓手能檢測(cè)每一個(gè)軟體指的彎曲變化，相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了充氣壓力與彎曲變形之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。目前的研究大多只涉及機(jī)器人的變形檢測(cè)，沒(méi)有對(duì)軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制做進(jìn)一步的研究。

筆者通過(guò)建立傳感手套與集成柔性傳感器的軟體機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了人體傳感手套對(duì)軟體機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)和姿勢(shì)的控制。本文所使用的傳感手套和集成至軟體手的柔性傳感器均采用液態(tài)金屬電阻式傳感原理，由3D打印微流道工藝制備而成。通過(guò)微流道的不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變傳感和彎曲傳感，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行軟體手的運(yùn)動(dòng)變形反饋控制和主從手的手勢(shì)控制實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證方案的可行性。

1 液態(tài)金屬柔性傳感器

1.1 應(yīng)變傳感器

1.1.1設(shè)計(jì)原理

用于軟體機(jī)械手和人體傳感手套的柔性應(yīng)變傳感器將聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為超彈性基底材料，將液態(tài)金屬作為敏感元件封裝在PDMS內(nèi)的應(yīng)變柵結(jié)構(gòu)中。PDMS是一種強(qiáng)度可調(diào)節(jié)的透明彈性體材料[15]，可承受100%的拉伸變形。集成封裝于超彈性基底中的液態(tài)金屬表現(xiàn)出超好的可拉伸性和導(dǎo)電性。本文所選用的液態(tài)金屬材料為鎵銦錫合金(GaInSn)[16]，其熔點(diǎn)為5℃，電導(dǎo)率為2.96×10-6Ω·m。

如圖1a所示，應(yīng)變傳感器為3層結(jié)構(gòu)，底層為微流道層，中層為液態(tài)金屬層，頂層為封裝層。應(yīng)變傳感器內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)如圖1b所示，根據(jù)工藝條件和傳感器的應(yīng)用要求，應(yīng)變柵流道的設(shè)計(jì)邊長(zhǎng)l=20 mm，6條柵道總長(zhǎng)為120 mm。受光固化3D打印機(jī)精度的限制，微流道的截面尺寸a=b=0.2 mm。為保證液態(tài)金屬封裝的可靠性，避免微流道之間的串流，各柵道間的距離d=1 mm。在微流道接口處設(shè)計(jì)了2個(gè)邊長(zhǎng)c=0.4 mm的凹槽結(jié)構(gòu)，分別作為液態(tài)金屬的注射口和導(dǎo)線接口，以保證應(yīng)變傳感器與外部連接的可靠性。

液態(tài)金屬應(yīng)變傳感器是一種電阻式傳感器，其工作原理如圖1c所示。受到拉伸變形時(shí)，傳感器微流道的截面A-A受到四周彈性體的擠壓變?yōu)锳′-A′。應(yīng)變傳感器電阻變化率與拉伸應(yīng)變量之間的關(guān)系確定過(guò)程如下。

(a)應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)(b)應(yīng)變傳感器微流道結(jié)構(gòu)

應(yīng)變傳感器的電阻變化率

(1)

式中，R0為傳感器的初始電阻，R0=ρL0/A0；R1為變形后的傳感器電阻，R1=ρL1/A1；ρ為液態(tài)金屬的電阻率；A0、A1分別為初始截面面積和變形后的截面面積；L0、L1分別為初始長(zhǎng)度和變形后的長(zhǎng)度。

液態(tài)金屬的體積在拉伸前后基本保持不變，則有A0L0=A1L1。傳感器的拉伸變形用應(yīng)變量ε=(L1-L0)/L0表示，那么液態(tài)金屬柔性傳感器電阻變化率與拉伸應(yīng)變量之間的關(guān)系為

ΔR/R0=ε2+2ε

(2)

1.1.2傳感器的制備

液態(tài)金屬應(yīng)變傳感器的制作過(guò)程如圖2a所示。首先利用高精度光固化3D打印機(jī)打印微流道模具，然后將PDMS與固化劑以15∶1的質(zhì)量比混合，充分?jǐn)嚢韬蠓湃胝婵崭稍锵湔婵仗幚?0 min，以減少固化過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡。將處理好的PDMS倒入模具，放在加熱板上80 ℃加熱1 h，形成應(yīng)變傳感器微流道層。用勻膠機(jī)以200 r/min轉(zhuǎn)速旋涂30 s制作一層PDMS封裝薄膜，同樣將薄膜放在熱板上加熱，形成應(yīng)變傳感器的封裝。薄膜和微流道結(jié)構(gòu)全部固化成形后，將封裝層和微流道層從模具中剝離，再用氧等離子清洗機(jī)進(jìn)行表面改性處理，將處理后的表面黏合，并放在熱板上再次加熱30 min，保證上下封裝層和微流道層的完全密封。最后注入液態(tài)金屬，在接口處插入導(dǎo)線，并用道康寧734膠密封。制作完成的應(yīng)變傳感器在反復(fù)拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎折后其傳感性能保持穩(wěn)定，如圖2b所示。

(a)液態(tài)金屬應(yīng)變傳感器的制作工藝

1.1.3靜態(tài)特性

將液態(tài)金屬柔性應(yīng)變傳感器放在拉伸測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行傳感器特性測(cè)試，并用LCR數(shù)字電橋測(cè)量?jī)x記錄傳感器的電阻變化，結(jié)果如圖3所示。圖3a所示為拉伸應(yīng)變量0～60%時(shí)應(yīng)變傳感器的電阻變化率和應(yīng)變量之間的關(guān)系，將實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行線性擬合得到ΔR/R0=1.63ε-0.06。由此可知應(yīng)變傳感器在應(yīng)變范圍0～60%內(nèi)的靈敏度為1.63，線性度為4.68%。遲滯性表現(xiàn)為傳感器在加載和卸載時(shí)電阻變化率的不一致程度。如圖3b所示，該應(yīng)變傳感器的遲滯較小，僅為1.91%。重復(fù)性為傳感器在輸入量按同一方向做全量程多次測(cè)試時(shí)所得特性曲線不一致的程度。柔性應(yīng)變傳感器反復(fù)拉伸過(guò)程中，應(yīng)變-電阻變化率特性曲線如圖3c所示，液態(tài)金屬柔性傳感器的最大不重復(fù)性為0.99%。圖3d為液態(tài)金屬應(yīng)變傳感器放置1周后，再分別循環(huán)拉伸10%、20%、30%、40%、50%、60%的應(yīng)變-電阻變化率特性曲線，該曲線與之前所測(cè)的特性曲線基本一致，表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性。由此可見(jiàn)，液態(tài)金屬柔性應(yīng)變傳感器具有良好的拉伸性、靈敏度和線性度，且遲滯性低，重復(fù)性和穩(wěn)定性良好，非常適用于軟體機(jī)器人的應(yīng)變感知檢測(cè)。

(a)靈敏度

1.2 彎曲傳感器

1.2.1設(shè)計(jì)原理

彎曲是軟體機(jī)器人的主要變形方式之一，為實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的彎曲變形檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)控制，設(shè)計(jì)制作了液態(tài)金屬?gòu)澢鷤鞲衅鳌澢鷤鞲衅髋c應(yīng)變傳感器相似，都采用了液態(tài)金屬微流道結(jié)構(gòu)，其4層結(jié)構(gòu)分別為約束層、微流道層、液態(tài)金屬層、彎曲集中層，如圖4a所示。液態(tài)金屬微流道采用縱向應(yīng)變柵結(jié)構(gòu)，如圖4b所示。液態(tài)金屬縱向流道的邊長(zhǎng)為5 mm， 截面尺寸為0.1 mm×0.1 mm，橫向流道的截面尺寸為1 mm×0.1 mm， 15條縱向流道的總長(zhǎng)度為75 mm，縱向微流道是影響彎曲傳感器電阻變化的主要因素。

彎曲傳感器的原理圖如圖4c所示，傳感器在彎曲變形時(shí)，由于頂端約束層的限制，約束層下面的結(jié)構(gòu)受到壓縮，使縱向流道的截面面積發(fā)生變化，因此彎曲傳感器的電阻發(fā)生改變，彎曲傳感器的實(shí)物如圖4d所示。

(a)彎曲傳感器結(jié)構(gòu)(b)微流道結(jié)構(gòu)

液態(tài)金屬?gòu)澢鷤鞲衅鞯碾娮枳兓蕿?/p>

(3)

式中，R2為傳感器的初始電阻，R2=ρL2/A2；R3為變形后的傳感器的電阻，R3=ρL3/A3；A2、A3分別為初始截面面積和變形后的截面面積；L2、L3分別為初始長(zhǎng)度和變形后的長(zhǎng)度。

彎曲傳感器變形前后流道的長(zhǎng)度保持不變即L2=L3，那么液態(tài)金屬?gòu)澢鷤鞲衅鞯碾娮枳兓士梢员硎緸?/p>

(4)

液態(tài)金屬縱向流道初始橫截面積A2=m0n。彎曲變形后的橫截面面積

(5)

式中，m0、n分別為縱向微流道截面的長(zhǎng)度和寬度；h為流道截面最上端與約束層的距離；s為彎曲傳感器彎曲的曲率半徑。

A3根據(jù)幾何變形計(jì)算得出。將A2和A3代入式(4)可得

(6)

令N=m0(n2+2nh)/2，曲率k=1/s，那么式(6)變?yōu)?/p>

(7)

由此得到彎曲傳感器的電阻變化率和彎曲曲率的關(guān)系。

1.2.2靜態(tài)特性

彎曲傳感器的特性見(jiàn)圖5。圖5a為彎曲傳感器每彎曲5°檢測(cè)到的電阻變化率曲線，隨著彎曲角度變大，電阻變化率逐漸增大。0°～70°范圍內(nèi)，線性擬合得到的彎曲傳感器靈敏度為0.0037，線性度為23.25%。圖5b為彎曲傳感器的遲滯性曲線圖，通過(guò)加載和卸載實(shí)驗(yàn)可知彎曲傳感器的遲滯性相對(duì)較小，約為2.17%，這種遲滯性是由彈性體材料固有特性導(dǎo)致的。圖5c所示為彎曲傳感器反復(fù)彎曲多次后的3組傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和平均值的誤差，可以看出，彎曲傳感器彎曲角度0°～70°時(shí)，具有很好的重復(fù)性；彎曲角度大于70°時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，最大不重復(fù)誤差Ex=7.6%。由圖5d可知，彎曲傳感器在15°、45°、70°反復(fù)彎折時(shí)，傳感器在15°和45°都表現(xiàn)出非常好的穩(wěn)定性，彎曲角度接近70°時(shí)最大值會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，但從整體來(lái)說(shuō)，彎曲傳感器表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。因此，本文設(shè)計(jì)的液態(tài)金屬柔性彎曲傳感器表現(xiàn)出良好的重復(fù)性、穩(wěn)定性和低滯后性，可與軟體機(jī)械手集成，檢測(cè)彎曲角度的變化。

(a)靈敏度

1.3 傳感器抗壓實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中，手指的握緊動(dòng)作會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生一定的擠壓，擠壓力過(guò)大可能會(huì)造成液態(tài)金屬滲漏，因此使用測(cè)壓儀測(cè)量手指可以提供壓力范圍內(nèi)的傳感器耐受性。以液態(tài)金屬應(yīng)變傳感器為例，如圖6所示，將傳感器放在測(cè)壓儀的測(cè)量下平臺(tái)上，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)測(cè)壓儀的調(diào)節(jié)旋鈕，精調(diào)下平臺(tái)的高度使下壓力不斷增大，即使下壓力增大到測(cè)壓儀最大值100 N，傳感器依舊沒(méi)有發(fā)生滲漏，這遠(yuǎn)超實(shí)際的擠壓力，因此傳感器在實(shí)驗(yàn)中大概率不會(huì)發(fā)生滲漏。

圖6 傳感器可承受壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)

2 人機(jī)交互軟體機(jī)械手的功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 軟體機(jī)械手的設(shè)計(jì)

用于人機(jī)交互的軟體機(jī)械手由5根軟體致動(dòng)手指集成至硅膠手掌構(gòu)成。單個(gè)軟體致動(dòng)手指如圖7a所示。彎曲制動(dòng)手指采用多氣囊式氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[17]，氣囊之間保持連通狀態(tài)，如圖7b所示，下端是限制拉伸的約束層。當(dāng)氣動(dòng)軟體機(jī)器人充入氣體時(shí)，軟體機(jī)器人發(fā)生膨脹變形，底部約束層限制了整體的橫向拉伸，導(dǎo)致氣動(dòng)結(jié)構(gòu)向約束層方向產(chǎn)生彎曲變形，如圖7c所示。

(a)軟體致動(dòng)手指的整體結(jié)構(gòu)

圖8所示為軟體機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)。手掌含有鏤空結(jié)構(gòu)，使氣動(dòng)導(dǎo)管和傳感器導(dǎo)線穿過(guò)，防止導(dǎo)線纏繞。每個(gè)手指的約束層位置貼附柔性彎曲傳感器，可通過(guò)彎曲傳感器來(lái)檢測(cè)和控制軟體手的彎曲變形。

圖8 軟體機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu) Fig.8 Overall structure of soft robot hand

2.2 軟體機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)控制

圖9所示為氣動(dòng)彎曲致動(dòng)手指的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，主要包含12 V直流電源、微型氣泵、控制板(Arduino)、兩位三通微型電磁閥和多路光耦隔離繼電器。通過(guò)串聯(lián)2個(gè)兩位三通電磁閥，實(shí)現(xiàn)彎曲軟體致動(dòng)器的3種狀態(tài)：充氣彎曲、保持狀態(tài)和放氣伸展。為避免電磁閥狀態(tài)轉(zhuǎn)換瞬間造成的氣體回流，在2個(gè)電磁閥之間串聯(lián)1個(gè)單向閥。為實(shí)現(xiàn)整個(gè)軟體機(jī)械手的交互控制，需要5組軟體致動(dòng)手指的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。

圖9 彎曲致動(dòng)手指的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

2.3 傳感檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

人機(jī)交互傳感手套是將5個(gè)應(yīng)變傳感器貼附在橡膠手套上制備而成的。手指彎曲變形，帶動(dòng)手套上表面拉伸變形，通過(guò)應(yīng)變傳感器的拉伸量來(lái)衡量手指的彎曲程度。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于橡膠手套的延展性與靈活性好，在不發(fā)生傳感器內(nèi)液態(tài)金屬滲漏的情況下，人機(jī)交互傳感手套表現(xiàn)出與單個(gè)彎曲傳感器相似的線性度、遲滯和重復(fù)性特性。圖10a所示為傳感手套，為較為準(zhǔn)確地衡量手指的彎曲，傳感器需安置在第二指關(guān)節(jié)彎曲處。

為將液態(tài)金屬柔性傳感器應(yīng)用于軟體機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制，需要將傳感器的電阻信號(hào)通過(guò)檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換為控制板能夠處理的電壓信號(hào)。液態(tài)金屬傳感器的電阻過(guò)小，一般在1 Ω左右，常規(guī)分壓法電路并不適用。 此外，外導(dǎo)線的電阻會(huì)對(duì)液態(tài)金屬傳感器產(chǎn)生干擾，同時(shí)，流經(jīng)傳感器的電流過(guò)大，會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱，改變液態(tài)金屬的電阻影響其性能。因此，本文設(shè)計(jì)制作了基于恒流源法的電阻檢測(cè)電路，如圖10b所示。液態(tài)金屬微流道電阻式傳感器的傳感電路可以分為電源模塊、恒流模塊、傳感器和放大模塊。由E0505s芯片制成的電源模塊為電路提供穩(wěn)壓5 V的直流電； LM317芯片制作的恒流源模塊用于產(chǎn)生10 mA的恒定電流；信號(hào)放大芯片AD620將傳感器兩端的電壓放大100倍。傳感檢測(cè)電路采用恒流源法將液態(tài)金屬傳感器的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，供控制板識(shí)別和控制。

(a)集成應(yīng)變傳感器的傳感手套

3 柔性感知軟體機(jī)械手的人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)

3.1 人機(jī)交互機(jī)械手的整體方案設(shè)計(jì)

圖11a為軟體機(jī)械手與感知手套的人機(jī)交互控制結(jié)構(gòu)框圖。傳感手套隨著人手動(dòng)作產(chǎn)生拉伸變形時(shí)，傳感手套的液態(tài)金屬應(yīng)變傳感器的電阻發(fā)生變化，電阻通過(guò)傳感檢測(cè)電路輸入控制板。同時(shí)，軟體手的彎曲傳感器電阻也實(shí)時(shí)傳入控制板，最終，傳感手套的拉伸應(yīng)變量與軟體機(jī)械手的彎曲變化量形成映射關(guān)系。

若手套的輸入電阻大于軟體手的輸入電阻，則控制板輸出高電平信號(hào)，使軟體手充氣彎曲，軟體手指與手套的彎曲程度一致后，軟體手停止充氣。若手套輸入電阻小于軟體手輸入電阻，則控制板輸出低電平信號(hào)，使軟體手放氣伸展，直至手套輸入電阻和軟體手的輸入電阻保持在一定誤差范圍內(nèi)，軟體手停止放氣。通過(guò)軟體手指不斷充放氣的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)手勢(shì)控制軟體機(jī)械手運(yùn)動(dòng)。根據(jù)該控制框圖，搭建出人機(jī)交互軟體機(jī)械手平臺(tái)，如圖11b所示。

(a)人機(jī)交互軟體手控制邏輯圖

3.2 軟體手的姿勢(shì)控制

首先驗(yàn)證軟體機(jī)械手對(duì)自身彎曲變形進(jìn)行姿勢(shì)控制。通過(guò)Arduino控制板輸入不同的手勢(shì)命令，控制各個(gè)軟體驅(qū)動(dòng)手指做出相應(yīng)的彎曲動(dòng)作。Arduino控制板模擬輸入的電壓檢測(cè)范圍是0～5 V，而每個(gè)手指上彎曲傳感器由開(kāi)始伸展至最大彎曲變形的電壓變化幅值為0.3 V。

各手指?jìng)鞲心M輸入值的初始值分別設(shè)置為1.0 V、1.5 V、2.0 V、2.5 V、3.0 V，穩(wěn)定時(shí)的數(shù)值誤差范圍在±0.01 V之間。超過(guò)設(shè)置的電壓時(shí)，軟體驅(qū)動(dòng)手指放氣，不足預(yù)設(shè)值時(shí)充氣，使彎曲傳感器的數(shù)值保持在預(yù)設(shè)值的誤差范圍內(nèi)。軟體機(jī)械手能根據(jù)控制板的預(yù)設(shè)程序，在1s內(nèi)迅速做出相應(yīng)的動(dòng)作并且保持穩(wěn)定狀態(tài)。設(shè)置食指微彎、小拇指大幅彎曲(手勢(shì)一)，中指和無(wú)名指大幅彎曲(手勢(shì)二)，四指彎曲抓取(手勢(shì)三)三種手勢(shì)狀態(tài)，如圖12所示。

(a)手勢(shì)一

3.3 傳感手套與軟體機(jī)械手的交互手勢(shì)控制

首先以單個(gè)手指的彎曲實(shí)現(xiàn)人與軟體機(jī)械手的人機(jī)交互控制。應(yīng)變傳感器與彎曲傳感器的特性曲線并不一致，但2種傳感器在檢測(cè)范圍內(nèi)均表現(xiàn)出較好的線性度，設(shè)置1.0 V為傳感器的基準(zhǔn)值，建立傳感手套與軟體機(jī)械手的映射關(guān)系。當(dāng)手指彎曲0°～90°時(shí)，傳感手套上應(yīng)變傳感器的電壓變化范圍為1.0～1.5 V。軟體驅(qū)動(dòng)手指由伸展彎曲至最大變形時(shí)，彎曲傳感器的變化數(shù)值為1.0～1.3 V。編程時(shí)采用map函數(shù)y=map(x,1.0,1.3,1.0,1.5)，將彎曲傳感器與應(yīng)變傳感器的數(shù)值形成映射。

圖13所示為單根手指控制軟體致動(dòng)器過(guò)程中，應(yīng)變傳感器和彎曲傳感器的實(shí)測(cè)電壓。通過(guò)手指彎曲變形的程度控制軟體致動(dòng)器的彎曲程度，手指伸展時(shí)，軟體致動(dòng)器也伸展，隨后手指逐漸彎曲，軟體致動(dòng)器也逐漸彎曲。但彎曲傳感器的電壓變化略微滯后于手指的應(yīng)變傳感器的電壓變化，因?yàn)檐涹w致動(dòng)器在保持穩(wěn)定的過(guò)程中，需要不間斷地充氣放氣，而軟體致動(dòng)器的控制器件響應(yīng)需要時(shí)間。

圖13 單根手指控制單根致動(dòng)器

將單根軟體致動(dòng)手指的控制擴(kuò)展到5根手指就形成了人機(jī)交互軟體機(jī)械手系統(tǒng)，通過(guò)佩戴傳感手套就能控制軟體機(jī)械手做出相應(yīng)的動(dòng)作。如圖14所示，人手分別做出食指彎曲、中指微彎的姿勢(shì)以及食指、中指、無(wú)名指彎曲的手勢(shì)后，軟體手會(huì)緊隨著傳感手套的變形而做出相應(yīng)的手勢(shì)，并且軟體手狀態(tài)保持穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了肢體映射控制軟體機(jī)械手。

圖14 手勢(shì)控制軟體機(jī)械手

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)制作了基于液態(tài)金屬微流道結(jié)構(gòu)的電阻式應(yīng)變傳感器和彎曲傳感器，該傳感器具有線性度好、遲滯性低、重復(fù)性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，非常適合軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)感知和控制。同時(shí)，基于這兩種傳感器制作了人機(jī)交互軟體機(jī)械手。將應(yīng)變傳感器集成至手套中制成傳感手套，用于采集人的手勢(shì)信息；將彎曲傳感器集成至軟體機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟體機(jī)械手的姿勢(shì)檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)控制。在應(yīng)變傳感器和彎曲傳感器間形成映射關(guān)系后，通過(guò)傳感手套對(duì)軟體機(jī)械手進(jìn)行姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能。將來(lái)工作需要對(duì)集成了多個(gè)柔性傳感器的傳感手套和軟體機(jī)械手形成更為精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)映射關(guān)系，同時(shí)將對(duì)二者更加穩(wěn)定快速的控制方法進(jìn)行進(jìn)一步的研究。