荀元皓，張 壯，范煒程，陳根良，王 皓

(1.上海交通大學(xué)復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)數(shù)字化制造重點實驗室，上海 200240；2.上海交通大學(xué)，機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海 200240)

0 引言

近年來，人機協(xié)作已經(jīng)成為機器人行業(yè)發(fā)展的大趨勢。軟體機器人由于其出色的人機共融性，在人機交互領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā)展[1-4]。軟體機器人在運動時會產(chǎn)生自身的大撓度彎曲變形，傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器難以在軟體機器人上得到實際應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器，柔性傳感器通常以硅膠、介電彈性體、PDMS[5-6]等柔性材料為基底制成，因此自身往往能夠產(chǎn)生大幅度的變形以適應(yīng)被測物體的變形需求，已在軟體機器人、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[7-9]。因此，開發(fā)能夠檢測大撓度彎曲變形的柔性傳感器對實現(xiàn)軟體機器人的本體感知能力具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者已對具有大撓度彎曲變形檢測能力的柔性傳感器進行了大量的研究?；诠庠趥鞑r能量不斷衰減的原理，多芯光纖傳感器[10-11]在檢測大撓度彎曲變形時表現(xiàn)出了優(yōu)異的線性度與穩(wěn)定性。但是，此類傳感器在使用時往往需要配備昂貴且體積巨大的成套檢測設(shè)備，難以提高系統(tǒng)集成度，極大限制了其在軟體機器人中的應(yīng)用。文獻[12-13]通過成本低廉的硅膠開發(fā)并制作了具有檢測大幅度拉伸、彎曲和擠壓能力的柔性光纖傳感器；文獻[14]基于金箔出色的光反射能力，利用柔性光纖變形時金箔撕裂產(chǎn)生的縫隙提高光強損失率，開發(fā)了對拉伸和彎曲敏感的可拉伸柔性光纖傳感器。上述柔性光纖傳感器雖然具有感知大撓度彎曲變形的能力，但是為了提高光能的衰減率，此類光纖傳感器的尺寸均較長，難以具備檢測局部彎曲變形的能力。文獻[15]基于介電彈性體開發(fā)了能夠檢測物體局部彎曲的柔性傳感器，并在可穿戴設(shè)備上實現(xiàn)了運用。但是，由于介電彈性體的材料物理特性，導(dǎo)致所開發(fā)的柔性彎曲傳感器遲滯現(xiàn)象嚴重，限制了傳感器的響應(yīng)速度與實際應(yīng)用。

近年來，得益于優(yōu)異的導(dǎo)電性以及低熔點特性，液態(tài)金屬[16]已在柔性傳感器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，目前學(xué)者們提出的大多數(shù)液態(tài)金屬傳感器只對拉伸和擠壓敏感，也有少數(shù)學(xué)者基于液態(tài)金屬，開發(fā)了能夠檢測彎曲變形的柔性傳感器。文獻[17]應(yīng)用雙材料3D打印技術(shù)，將液態(tài)金屬與硅膠一體打印成型，開發(fā)了可檢測拉伸與彎曲變形的柔性傳感器；文獻[18]在硅膠上設(shè)計微結(jié)構(gòu)，利用彎曲時產(chǎn)生的局部應(yīng)力改變微流道形狀，開發(fā)了體積較小的液態(tài)金屬彎曲傳感器。但是，目前所提出的基于液態(tài)金屬且能夠檢測大撓度彎曲變形的柔性傳感器往往加工制造難度較大，難以具備優(yōu)異的穩(wěn)定性與重復(fù)性，在對穩(wěn)定性有較高要求的工況上難以得到實際應(yīng)用。

本文基于液態(tài)金屬(eGaln)的低熔點與導(dǎo)電特性，利用同心圓弧的放大效應(yīng)，提出了一種新型的柔性彎曲傳感器。所提出的彎曲傳感器加工工藝簡單，彎曲變形適用范圍大，且具有重復(fù)性高、穩(wěn)定性好以及動態(tài)響應(yīng)特性優(yōu)異等優(yōu)點。

1 彎曲傳感器設(shè)計與分析

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，所提出的柔性彎曲傳感器以液態(tài)金屬為傳感介質(zhì)，其結(jié)構(gòu)共由2部分組成，分別為上部的感知層與下部的變形放大層。其中，變形放大層與感知層之間通過粘合劑直接相連；感知層由3層組成，分別為上硅膠層、液態(tài)金屬層與下硅膠層。其中，下硅膠層兩面均為光滑表面，上硅膠層一面光滑，另一面上設(shè)計有微流道，將上硅膠層與下硅膠層通過硅膠粘合后，即可形成細長的硅膠封閉流道以容納液態(tài)金屬。

圖1 彎曲傳感器結(jié)構(gòu)與組成

另一方面，本文將一種可產(chǎn)生大撓度彎曲變形的圓弧放大結(jié)構(gòu)作為彎曲傳感器的核心放大結(jié)構(gòu)。如圖1所示，所提出的變形放大層由2種材料組成，其中白色部分為質(zhì)地堅硬的PLA材料(ePLA-ST，eSun)，灰色部分為易彎曲但不易拉伸的TPE材料(83A，eSun)，通過在柔軟的TPE材料中嵌入剛度較大的PLA材料，可改變變形放大層內(nèi)的局部剛度，從而保證在發(fā)生大撓度彎曲變形時，柱狀結(jié)構(gòu)不會因為外力的作用而產(chǎn)生自身的彎曲變形。

1.2 傳感器工作原理

基于上述結(jié)構(gòu)，本文所提出的彎曲傳感器可實現(xiàn)如圖2所示的彎曲變形，物體在發(fā)生彎曲變形時，與物體貼合的變形放大層會產(chǎn)生相應(yīng)的彎曲變形，隨之帶動變形放大層中柱狀結(jié)構(gòu)展開而使上部的感知層發(fā)生拉伸變形。

圖2 彎曲傳感器變形理論模型

如圖2所示，當傳感器底部隨著物體發(fā)生彎曲變形時，柱狀結(jié)構(gòu)的展開會帶動硅膠層發(fā)生拉伸變形，導(dǎo)致硅膠微流道的長度與截面發(fā)生變化，從而影響內(nèi)部液態(tài)金屬電阻，實現(xiàn)對彎曲變形的感知。硅膠微流道采用應(yīng)變柵結(jié)構(gòu)，使得在相同面積內(nèi)流道的長度能夠最大化，提高靈敏度。由于硅膠優(yōu)秀的拉伸特性以及液態(tài)金屬的低熔點特性，使得該彎曲傳感器的彎曲變形適用范圍更大。

值得注意的是，由于PLA材料與TPE材料之間巨大的剛度差距，傳感器在發(fā)生大撓度彎曲變形時，上層感知層被拉伸而產(chǎn)生的回彈力難以造成變形放大層柱狀結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，可有效減免感知層的回彈力導(dǎo)致感知層拉伸率的降低，從而進一步提升彎曲傳感器的靈敏度。

1.3 傳感器理論模型

所設(shè)計的液態(tài)金屬彎曲傳感器是一種電阻式傳感器，其電阻變化服從歐姆定律。因此，可以建立傳感器電阻變化量與彎曲曲率之間的對應(yīng)關(guān)系，如圖3所示，截面A-A在拉伸作用下會變形為截面A′-A′，因此，可近似建立流道內(nèi)電阻變化關(guān)系。

圖3 感知層變形原理圖

將液態(tài)金屬與硅膠近似看作不可壓縮的材料，液態(tài)金屬的總體積V在拉伸前后認為保持不變，因此可得：

式中：l0與l1分別為拉伸前后的液態(tài)金屬長度；A0與A1分別為拉伸前后的液態(tài)金屬截面積。

如圖3所示，彎曲傳感器發(fā)生彎曲時，微流道內(nèi)液態(tài)金屬電阻的阻值可表示為

式中ρ為液態(tài)金屬的電阻率。

根據(jù)拉伸率的定義ε=(l1-l0)/l0，可得液態(tài)金屬電阻變化率為

因此，可近似認為液態(tài)金屬的電阻變化率與拉伸變形之間呈現(xiàn)二次拋物曲線關(guān)系。

同時，由于TPE材料易彎曲難拉伸的特性，可假設(shè)變形放大層底部在發(fā)生彎曲變形時長度保持不變，感知層的拉伸量完全由柱狀結(jié)構(gòu)展開成的外接圓弧長決定。因此，如圖2所示，基于同心圓理論模型，感知層硅膠的拉伸率ε與傳感器彎曲曲率c之間關(guān)系可由以下公式得出：

式中：L0與L分別為感知層的初始長度與被拉伸后的實際長度；h為感知層的高度。

在忽略其他因素的情況下，可近似建立傳感器彎曲曲率與電阻變化率之間的理論模型：

從上述模型可知，當傳感器高度確定時，液態(tài)金屬電阻變化率與傳感器彎曲曲率呈現(xiàn)二次拋物線關(guān)系。

2 彎曲傳感器制作工藝

本文所提出的液態(tài)金屬彎曲傳感器主要包括變形放大層與感知層2部分。傳感器尺寸可以根據(jù)實際使用場景需求自由設(shè)計。如圖2所示，所提出的傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)為L0、d、h，其中參數(shù)h決定了變形放大層結(jié)構(gòu)的放大倍數(shù)，參數(shù)L0由被檢測區(qū)域的長度確定，參數(shù)d可以在滿足小于被測區(qū)域的寬度條件下自由設(shè)計。因此，在實際設(shè)計過程中，需要根據(jù)實際場景的需求，在確定物體的最大彎曲變形曲率cmax與感知層的最大拉伸率εmax的條件下，通過確定安全系數(shù)k∈(0,1)使傳感器高度h滿足h=kεmax/cmax。再根據(jù)檢測區(qū)域要求，確定參數(shù)L0、d，從而確定傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。在本文中，所制作的彎曲傳感器尺寸參數(shù)分別為L0=38 mm,d=14 mm，h=12 mm。

變形放大層由雙材料3D打印技術(shù)整體成型，在加工變形放大層時，通過可同時打印2種軟材料的3D打印機完成制作。如圖4所示，本文通過一臺熔融沉積式雙材料3D打印機 (Raise3D E2) 實現(xiàn)變形放大層的加工。通過設(shè)置合適的工藝參數(shù)，即可快速且高質(zhì)量地打印變形放大層。

圖4 雙材料3D打印機打印變形放大層

感知層通過硅膠成型工藝制作。由于獨特的材料特性，Ecoflex0030的材質(zhì)相較于TPE更為柔軟，另一方面，相較于Ecoflex0010等更為柔軟的硅膠，Ecoflex0030在產(chǎn)生拉伸變形時不易破損，對環(huán)境適應(yīng)性更高。值得注意的是，由于Ecoflex0030與TPE材料之間巨大的剛度差，使得感知層在被拉伸時產(chǎn)生的回彈力較小，幾乎不會影響變形放大層的變形。因此，考慮各種硅膠的材料性能后，本文選取Ecoflex0030作為感知層的基底材料。感知層的制作工藝可分為以下3步：

(1)通過3D打印的模具分別澆筑上硅膠層與下硅膠層。

(2)通過硅膠粘合上下硅膠層，形成封閉的硅膠微流道。

(3)注射液態(tài)金屬填充流道，插入彈性電極后封閉流道。

最后，通過粘合劑將上部傳感層與變形放大層的柱狀結(jié)構(gòu)相粘合，即可制成如圖5所示的柔性彎曲傳感器。

圖5 液態(tài)金屬柔性彎曲傳感器實物

3 實驗測試及分析

3.1 測量系統(tǒng)

為了測試所提出的彎曲傳感器的實際性能，需要將傳感器的電阻值變化轉(zhuǎn)換為電信號變化，以便計算機讀取分析。液態(tài)金屬傳感器實驗系統(tǒng)的完整框架如圖6所示，通過12.5 mA恒流源 (LM317) 給彎曲傳感器供電，再通過差分放大器 (AD620) 線性放大傳感器兩端的微小模擬電信號后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADS7822) 將傳感器的模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，微處理器讀取此數(shù)字信號后，通過串口通信的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C以便分析與使用。

圖6 傳感器實驗系統(tǒng)框架

3.2 傳感器標定實驗

為了驗證彎曲傳感器的性能，有必要對彎曲傳感器進行標定實驗，通過實驗驗證彎曲傳感器在不同曲率半徑下彎曲曲率與傳感器電阻之間的對應(yīng)關(guān)系。本實驗通過精度為0.1 mΩ的精密電阻儀(JK2511)測量傳感器的電阻阻值，通過光固化3D打印技術(shù)打印出具有不同曲率半徑的標定器件，以驗證傳感器電阻變化率與彎曲曲率之間的關(guān)系。將圖2中的圓心角α(8°～80°)等間距離散成20份，對應(yīng)曲率半徑范圍為36～272 mm。測量并記錄不同曲率半徑下傳感器電阻變化率與彎曲曲率之間的對應(yīng)關(guān)系，并在不同時間段內(nèi)對同一個彎曲傳感器進行多次測量，以測試彎曲傳感器的重復(fù)性與穩(wěn)定性。

實驗在1周內(nèi)隨機挑選3個不同的時間段，在每個時間段內(nèi)對同一個彎曲傳感器測量3次彎曲曲率-電阻變化率特性曲線，標定實驗結(jié)果如圖7所示，擬合的實驗曲線分別為：

圖7 傳感器彎曲曲率-電阻值曲線

從實驗結(jié)果可知，3次標定實驗數(shù)據(jù)擬合得到的曲線基本重合，且隨著彎曲曲率的增大，傳感器電阻變化率也隨之增大，電阻變化率與彎曲曲率之間呈現(xiàn)出二次拋物線關(guān)系。雖然實驗結(jié)果與理論模型之間有一定誤差，但整體變化趨勢相同。模型誤差的主要原因包括硅膠層在拉伸時的不均勻拉伸、應(yīng)變柵橫絲的變形以及實際加工時的制造誤差等。因此可認為所提出的彎曲傳感器具有變形適用范圍大、穩(wěn)定性優(yōu)異等特點。

3.3 傳感器動態(tài)性能實驗

大變形柔性傳感器主要面向的應(yīng)用對象為軟體機器人，大多數(shù)軟體機器人動作緩慢，對傳感器動態(tài)響應(yīng)頻率要求不高，往往5 Hz以內(nèi)就能滿足實際使用需求。因此，為了測試所提出的彎曲傳感器的動態(tài)響應(yīng)性能，本文搭建如圖8所示的傳感器測試平臺。通過電機與滾珠絲杠的配合使用，能夠使彎曲傳感器在彎曲曲率范圍為0～30 m-1的范圍內(nèi)做往復(fù)運動。本文分別在5、2.5、1 Hz 3種不同的頻率下測試了彎曲傳感器的動態(tài)響應(yīng)性能，保持每種頻率下對傳感器重復(fù)彎曲20次以上，并通過信號采樣系統(tǒng)實時測量彎曲傳感器的電壓信號值變化。

圖8 彎曲傳感器性能測試實驗臺搭建

如圖9所示，所提出傳感器在上述3種不同頻率下，均保持著高度的重復(fù)性與穩(wěn)定性，且在不同頻率下，當傳感器彎曲幅度相同時，其反饋電壓信號大小基本相同。由此可見，所制柔性彎曲傳感器在大撓度彎曲變形下幾乎沒有遲滯現(xiàn)象，其動態(tài)響應(yīng)性能基本能夠滿足大多數(shù)軟體機器人使用需求。

3.4 傳感器疲勞測試實驗

由于本文所提出的彎曲傳感器的變形放大層由3D打印技術(shù)制成，而感知層由硅膠制成。因此，需要對彎曲傳感器的疲勞壽命進行測試，本文在圖8所示實驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對彎曲傳感器重復(fù)進行了5 000次以上的彎曲疲勞測試實驗，以測試傳感器的疲勞極限。圖10展示了彎曲傳感器在彎曲次數(shù)分別達到1 000、2 000、3 000、4 000與5 000次時的部分連續(xù)信號數(shù)據(jù)。由實驗數(shù)據(jù)可知，在上述制作工藝下，本文所提出的彎曲傳感器在5 000次以內(nèi)的重復(fù)大撓度彎曲變形下，仍具備優(yōu)異的重復(fù)性與穩(wěn)定性，因此，可認為本文提出的柔性彎曲傳感器具有較高的疲勞壽命，基本能夠滿足實際使用需求。

圖10 彎曲傳感器疲勞測試

4 結(jié)束語

本文基于液態(tài)金屬的低熔點與導(dǎo)電特性，提出了一種面向軟體機器人的可檢測大撓度彎曲變形的柔性傳感器。所提出的柔性傳感器通過圓弧放大結(jié)構(gòu)，可將物體彎曲變形轉(zhuǎn)化為感知層的拉伸變形，進而影響流道內(nèi)液態(tài)金屬的長度與截面積，實現(xiàn)對彎曲變形的檢測。彎曲傳感器在變形時局部應(yīng)力較小，在實驗測試中表現(xiàn)出了變形適用范圍大、穩(wěn)定性高以及動態(tài)響應(yīng)性能優(yōu)異等特點，在軟體機器人彎曲變形檢測方面有著廣泛的應(yīng)用前景。