盧思彤， 李柏晨， 閻吉雅， 李 強(qiáng)

（北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144）

1 引言

近年來， 科研人員一直在試圖使用柔性材料替代剛性結(jié)構(gòu)來創(chuàng)造越來越真實(shí)和先進(jìn)的仿生肢體和人型機(jī)器人， 例如仿生手［1-4］。盡管柔性材料可以使其具有與自由度和紋理等相關(guān)的優(yōu)勢(shì)，然而截至目前，像人類收集物體觸覺和位姿信息功能的復(fù)雜生物機(jī)制仍然充滿了挑戰(zhàn)， 普遍存在缺乏有效感知問題［4-5］。傳統(tǒng)傳感技術(shù)（如編碼器、電位計(jì)等）和商用柔性傳感器（如Bend Sensor，StretchSense等）由于存在順應(yīng)性差（順從結(jié)構(gòu)的大變形行為）、易干擾機(jī)器人本體力學(xué)響應(yīng)等問題， 難以在柔性結(jié)構(gòu)中得到良好應(yīng)用。因此，研究適合用于柔性手指的觸覺力/角度感知方法，是當(dāng)前柔性以及軟體機(jī)器人感知問題的主要解決策略之一［1］。

近年來，得益于柔性材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探索，柔性感知技術(shù)得到迅速發(fā)展，為柔性機(jī)器人感知提供了多種潛在解決方法。研究表明， 將順應(yīng)性好的柔性感知單元集成到柔性大變形機(jī)器人的研究可以追溯到2007年，并從2014年開始迅速發(fā)展［5］。柔性傳感器按照感測(cè)機(jī)制可分為電阻式、電容式、壓電式和光波導(dǎo)等不同傳感技術(shù)［6-15］。目前成熟的剛性傳感器雖然可以對(duì)柔性機(jī)器人的姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，但剛性傳感器的嵌入不可避免地會(huì)造成柔性機(jī)器人柔性能力下降，進(jìn)而影響機(jī)器人的整體性能。本文通過在可變形的柔性仿生手指結(jié)構(gòu)中直接嵌入可力感知和關(guān)節(jié)角度感知的液態(tài)導(dǎo)體金屬傳感器［10-12，15］，為手指的感知模塊設(shè)計(jì)和制造打開了新的途徑，實(shí)現(xiàn)手指的彎曲和觸覺感知。

本文提出了一種基于導(dǎo)電液態(tài)金屬的低成本且高可靠性的柔性感知方法，獲取了其電阻與力和角度的精確對(duì)應(yīng)關(guān)系，以柔性仿生手指為應(yīng)用載體，實(shí)現(xiàn)對(duì)手指的指尖觸覺力感知和關(guān)節(jié)角度變化感知性能，展示了其作為柔性感知單元， 可應(yīng)用在更多類型的柔性或軟體應(yīng)用載體的巨大潛力。

2 柔性傳感纖維

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液態(tài)導(dǎo)電金屬是一種在室溫下仍處于液相態(tài)的金屬，主要以合金形式表現(xiàn)，包括鎵等元素，如共晶鎵銦（EGaIn）［16-17］。液態(tài)導(dǎo)電合金由于其液相性質(zhì)，可以與任意形狀的物體很好地接觸，并能在柔性管狀基體或封裝層變形時(shí)仍保持優(yōu)異的導(dǎo)電性能。用液態(tài)導(dǎo)電金屬代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高分子復(fù)合材料或金屬作為柔彈性傳感器的敏感層，可以實(shí)現(xiàn)器件的高柔彈性和可擴(kuò)展性［11-12，18-20］，以及在變形/受力工況下的高穩(wěn)定性和可靠性。因此，在成型微腔道中注入液態(tài)導(dǎo)電金屬對(duì)于柔彈性傳感器領(lǐng)域有著巨大的研究?jī)r(jià)值［21-25］。

目前基于導(dǎo)電合金的傳感器研究普遍采用多層疊加思想，通過3D打印模具成型出單層彈性體后，再通過粘接疊加的方式，將各個(gè)形狀的單層體整合為一個(gè)整體，層間的間隙即為內(nèi)部微型通道的形狀，這類設(shè)計(jì)方法可以成型絕大多數(shù)較為復(fù)雜的微流腔道。但在此類思想的成型過程中，難免因操作不當(dāng)而出現(xiàn)微孔壁厚不均勻甚至堵塞微孔的狀況，且在沉積液態(tài)金屬敏感元件時(shí)，易在層間沾有金屬殘留液，導(dǎo)致其材料粘接面間粘接不可靠，粘和的密封性不好［26-28］，最終體現(xiàn)在不良的耐受性能，長(zhǎng)期使用下不可避免地會(huì)出現(xiàn)層間開裂現(xiàn)象。本課題組通過大量調(diào)研以及前期多次試驗(yàn)，認(rèn)為成型微流腔道可以用預(yù)制的硅膠軟管代替，其中硅膠軟管（Sani-Tech-STHT-C-020-0）的柔彈性能力極為突出，軸向應(yīng)變能達(dá)到300%～400%而不損壞，參考圖1，以此作為感知單元基本結(jié)構(gòu)體。該硅膠管橫截面是圓形，這使得傳感器更不容易在外力負(fù)載下發(fā)生通道阻斷。使用管道是不同于傳統(tǒng)的傳感器制造技術(shù)，將兩層粘合成一個(gè)通道，因此在極大簡(jiǎn)化了傳感器制造工藝的同時(shí)成功率也顯著提高，注入銦鎵合金的硅膠軟管需根據(jù)載體的形狀靈活布局，但同時(shí)也需載體具備固定硅膠管布局的支撐結(jié)構(gòu)。

將銦鎵合金注入預(yù)制的硅膠軟管中形成傳感纖維的原理是：當(dāng)微流腔道中填充EGaIn時(shí)發(fā)生變形，無論是軸向拉伸還是有接觸外力，電阻的大小會(huì)隨著軟管長(zhǎng)度的增加或橫截面積的增大，或兩者兼而有之而變大。具體可參考圖1，當(dāng)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的硅膠軟管中注入EGaIn形成感知單元處于初始狀態(tài)時(shí)，電阻大小可由公式（1）給出；當(dāng)有軸向應(yīng)變時(shí)，電阻大小可由公式（2）給出；當(dāng)有接觸外力時(shí)，電阻大小可由公式（3）給出。當(dāng)有軸向應(yīng)變時(shí)，長(zhǎng)度變長(zhǎng)，橫截面積變小，顯然電阻變大，同理當(dāng)有接觸外力時(shí)長(zhǎng)度基本不變，橫截面積部分變小，電阻同樣變大，因此注入EGaIn的硅膠軟管在有軸向應(yīng)變和接觸外力時(shí)，電阻都會(huì)變大，且與應(yīng)變長(zhǎng)度和接觸外力都呈正相。

圖1 柔性傳感纖維軸向應(yīng)變和接觸外力工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of axial strain and contact force of flexible sensing fiber tube

初始狀態(tài)：

軸向應(yīng)變：

接觸外力：

其中：ρ為液態(tài)導(dǎo)電合金-共晶鎵銦（EGaIn）的電導(dǎo)率，L0表示傳感纖維的軸向有效導(dǎo)電長(zhǎng)度，S0表示傳感纖維的充滿EGaIn的橫截面面積，即硅膠軟管內(nèi)徑，R0為初始電阻值；L1和S1表示當(dāng)傳感纖維存在軸向應(yīng)變時(shí)的有效導(dǎo)電長(zhǎng)度和橫截面積；表示傳感纖維的充滿EGaIn的橫截面積，S2為當(dāng)傳感纖維存在側(cè)向壓力時(shí)，受壓段的有效導(dǎo)電橫截面面積。

2.2 制作工藝

如圖2所示，將一定長(zhǎng)度的硅膠軟管（Sani-Tech STHT-C020）盡量伸直放在一平面上，該硅膠管內(nèi)徑為0.508 mm，然后準(zhǔn)備一個(gè)1 mm的注射器和一個(gè)空注射器針頭（注射器針管直徑為0.45 mm），注射器充滿銦鎵合金后插入硅膠軟管的一端（圖2（a）），空注射器針頭插入硅膠軟管的另一端，前者用來注入EGaIn（圖2（b）），后者用來提取硅膠管中的空氣，當(dāng)另一端有EGaIn少量流出即停止注入，在此過程中一定要注意充滿EGaIn的注射器內(nèi)不能留有空氣，否則會(huì)出現(xiàn)在硅膠軟管內(nèi)EGaIn導(dǎo)致的“接觸不良”甚至是“斷流”現(xiàn)象。將直徑為0.6～0.7 mm的高純銀絲粘上少許UHU強(qiáng)力膠水，插入有EGaIn的硅膠軟管兩端，銀絲頭不能有膠水，否則同樣會(huì)出現(xiàn)“接觸不良”或“斷流”現(xiàn)象。銀絲上的膠水固化大概需要10～30 min。硅膠軟管的密封同時(shí)可依靠直徑0.6～0.7 mm的銀絲與內(nèi)徑0.508 mm的硅膠管的過盈值，裝配后可以獲得更緊固的聯(lián)接。和膠水的雙重工藝會(huì)使得感知纖維制作的失敗率顯著下降。其中，圖2（c）為不同長(zhǎng)度的成型柔性傳感纖維。圖2（d）～2（f）所示為傳感纖維在一定應(yīng)變和觸覺力載荷下的電阻變化值，初始電阻為135.75 mΩ（圖2（d）），當(dāng)有一定應(yīng)變時(shí)，電阻變化為457.80 mΩ（圖2（e）），當(dāng)拇指和食指對(duì)捏施加一定壓力時(shí)，電阻則變?yōu)? 604 mΩ（圖2（f））?？梢姡疚乃岢龅幕谝簯B(tài)導(dǎo)電合金的傳感纖維兼具備觸覺力和應(yīng)變感知功能。

圖2 制作工藝的主要步驟、實(shí)物圖及在力和軸向應(yīng)變負(fù)載下的電阻變化（a）注射銦鎵合金前 （b） 注射銦鎵合金后 （c） 不同長(zhǎng)度的成型柔性感知管（d-f）初始狀態(tài)、在應(yīng)變和接觸力負(fù)載下感知管電阻變化Fig.2 Main steps of fabrication process， physical image and resistance change under force and axial strain loading（a） before injection of indium gallium alloy （b） after injection of indium gallium alloy （c） formed flexible sensing tubes of different lengths （d-f ） initial state， sensing tube resistance changes under strain and contact force loads

2.3 柔性手指感知單元集成

對(duì)于感知單元的集成裝配，圖3顯示了單個(gè)柔性仿生手指的配置。柔性部件由可折疊片狀安全氣囊組成，安全氣囊的支撐結(jié)構(gòu)為剛性3D打印結(jié)構(gòu)。氣囊在充氣后產(chǎn)生橫向位移。由于氣囊底部的伸長(zhǎng)受到限制，在氣囊的驅(qū)動(dòng)下，整個(gè)結(jié)構(gòu)將沿限制伸長(zhǎng)的方向彎曲，該結(jié)構(gòu)可為喪失一定功能的患手關(guān)節(jié)進(jìn)行主動(dòng)彎曲行為，圖中患手關(guān)節(jié)為白色3D打印結(jié)構(gòu)。機(jī)構(gòu)外側(cè)放置的感知管可測(cè)量位移變化，而患手關(guān)節(jié)的內(nèi)側(cè)通過魔術(shù)貼安裝感知管檢測(cè)與物體接觸的力變化，氣囊在不同輸入氣壓的情況下彎曲效果如圖4所示， 表明該柔性手指關(guān)節(jié)存在較大變形。

圖3 柔性手指關(guān)節(jié)感知單元集成Fig.3 Flexible finger joint perception unit integration

圖4 不同的輸入氣壓下的彎曲幅度Fig.4 Bending effect under different input air pressures

2.4 測(cè)量實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

圖5為手指指尖力感知單元測(cè)試平臺(tái)。針對(duì)所使用的應(yīng)變（手指關(guān)節(jié)角度變化本質(zhì)上是兩個(gè)定點(diǎn)指尖的距離變化， 即可通過應(yīng)變感知單元測(cè)量關(guān)節(jié)角度）和觸覺感知單元，構(gòu)建信號(hào)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件包含arduino uno R3單片機(jī)、MCP4725數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、smc電子調(diào)壓閥和氣泵等。在測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，指尖垂直于直面的位置與手指的角度一一對(duì)應(yīng)，如果將指尖的位置設(shè)置為Z值，則可以通過標(biāo)定數(shù)據(jù)獲得Z值與手指彎曲角度之間的關(guān)系曲線，進(jìn)而得到運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解公式。Z值的初始值為10 mm。通過校準(zhǔn)數(shù)據(jù)獲得Z坐標(biāo)和角度之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。交換橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，得到運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解z曲線。通過多項(xiàng)式擬合，橫坐標(biāo)為彎曲角度，縱坐標(biāo)為Z坐標(biāo)的關(guān)系曲線，有效避免了建立柔體機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

圖5 手指指尖力感知單元測(cè)試平臺(tái)Fig.5 Fingertip force sensing unit test platform

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6和圖7所示，分別為手指彎曲角度以及垂直施加外力和電阻值之間的關(guān)系曲線?？紤]到氣壓與電阻、電阻與角度兩次轉(zhuǎn)換過程中可能會(huì)存在的線性轉(zhuǎn)換、滯后及補(bǔ)償?shù)葐栴}，所以在獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，通過測(cè)力計(jì)和視頻圖像處理等方法獲取手指彎曲角度以及垂直施加外力和電阻值之間的關(guān)系曲線。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其擬合曲線看可以驗(yàn)證集成感知單元具備可以感知仿生柔性手指關(guān)節(jié)的觸覺力/角度功能。通過施加不同的輸入氣壓來驅(qū)動(dòng)手指壓力可達(dá)到3 N左右，每組重復(fù)測(cè)量3次，最大標(biāo)準(zhǔn)差6.7%。施加力與傳感纖維的接觸面積大約為1.82 mm2（0.91 mm×2 mm），根據(jù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，最大可測(cè)量的壓強(qiáng)約為1 600 kPa。對(duì)于手指關(guān)節(jié)角度測(cè)量，由于采用的柔性手指的彎曲限制，本文提出的柔性傳感纖維可實(shí)現(xiàn)大約0°～60°角度變化的追蹤。

圖6 手指彎曲角度與電阻變化關(guān)系Fig.6 Relationship between finger bending Angle and resistance change

圖7 指尖垂直施加外力與電阻變化關(guān)系Fig.7 Relationship between vertical external force applied by fingertips and resistance change

另外，針對(duì)柔性手指角度和力兩種傳感信號(hào)，本文也進(jìn)行了基于感知信息反饋的閉環(huán)控制研究，以此得到相對(duì)準(zhǔn)確的預(yù)期響應(yīng)。在力和位置的精確控制方面，目前主要有兩種思路可參考，一是力/位混合控制，二是阻抗控制?？紤]到阻抗控制相對(duì)于力/位混合控制，可將兩個(gè)不同物理量（角度和力）綜合考慮，即力控制和位置控制融為一體，用相同的控制策略實(shí)現(xiàn)手指彎曲角度和接觸力的同時(shí)控制。理想情況下，在輸入一個(gè)期望力和角度后，柔性手指的接觸壓力與彎曲角度輸出接近期望值。本文將期望角度30°，期望接觸力5 N的輸入信號(hào)，當(dāng)輸入期望信號(hào)為恒定值信號(hào)時(shí)，基于位置的阻抗控制力響應(yīng)曲線與位置響應(yīng)曲線如圖8所示。力誤差曲線與位置誤差曲線如圖9所示?？梢钥闯?，所設(shè)計(jì)的阻抗控制器可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)于期望力和位置信號(hào)的跟蹤。在位置響應(yīng)曲線中，t=4 s時(shí)基本上實(shí)現(xiàn)了對(duì)于位置的穩(wěn)定跟蹤。在力響應(yīng)曲線中，可以看出在最開始的一段時(shí)間內(nèi)，力響應(yīng)的輸出約等于0。這是因?yàn)槭种改┒嗽O(shè)置的初始位置為Z=10 mm，而環(huán)境的初始設(shè)置為Z=6 mm，在與環(huán)境接觸以前不會(huì)產(chǎn)生接觸力，所以力應(yīng)輸出為0。對(duì)于接觸力響應(yīng)來說，在2 s左右時(shí)，接觸力達(dá)到峰值，2.5 s后力跟蹤誤差穩(wěn)定在0.3 N以內(nèi)。對(duì)于角度響應(yīng)來說，在3.5 s時(shí)，角度達(dá)到峰值37°左右，4.5 s后角度跟蹤誤差穩(wěn)定在2°以內(nèi)。但對(duì)于角度控制來說，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，可通過調(diào)整控制器參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。以上實(shí)驗(yàn)對(duì)于利用EGaIn的柔性感知纖維的反饋信息可開發(fā)閉環(huán)控制器解決柔性手指指尖力和關(guān)節(jié)角度的實(shí)時(shí)控制， 提供了可行性。

圖8 力與角度響應(yīng)曲線Fig.8 Force and angle simulation curves

圖9 力和角度跟蹤誤差曲線Fig.9 Force and angle tracking error curves

3 結(jié)論

本文對(duì)一種基于液體導(dǎo)電金屬的柔性感知方法進(jìn)行研究。通過其制造、表征并集成到一種柔性仿生手指實(shí)現(xiàn)手指指尖觸覺力和關(guān)節(jié)角度測(cè)量。液態(tài)導(dǎo)電金屬由于其室溫下呈液態(tài)，可通過彈性基底材料封裝構(gòu)成微流腔道以此制成全柔性傳感器，因此使其可承受應(yīng)用載體大變形的同時(shí)保持良好的感知性能?；诖怂悸废?，本文提出感知技術(shù)是傳感器由柔軟硅膠管為微流腔道，液態(tài)金屬EGaIn為注入腔道的敏感材料為設(shè)計(jì)理念，通過低成本、高可靠性的預(yù)制硅膠成型工藝，在完全可貼合柔性仿生手指同時(shí)不改變其動(dòng)力學(xué)功能，的前提下，實(shí)現(xiàn)手指指尖觸覺力約1 600 kPa和不超過60°關(guān)節(jié)角度測(cè)量（柔性手指彎曲幅度限制）和特定力和角度的準(zhǔn)確跟蹤。

盡管這種柔性仿生手指在本文中只是一種應(yīng)用載體，但卻突顯了基于液體導(dǎo)電金屬的柔性感知方法可作為柔性傳感器的巨大潛力。此外，由于基于液態(tài)導(dǎo)電金屬的傳感器與柔性驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)基本材料庫(kù)（硅晶、硅橡膠等）可一致，因此可使得本文提出的傳感器技術(shù)均可被嵌入或集成于柔性或軟體驅(qū)動(dòng)器，以此實(shí)現(xiàn)更多類型的柔性或軟體應(yīng)用載體的感知功能。