秦 沖
(1.河南科技大學(xué) 應(yīng)用工程學(xué)院,河南 三門(mén)峽 472000;2.三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)學(xué)院,河南 三門(mén)峽 472000)
目前,對(duì)于仿人靈巧手的研究吸引了較多的關(guān)注,通過(guò)手勢(shì)的模仿來(lái)完成特定的操作,有助于降低控制難度[1]。盡管市場(chǎng)中已經(jīng)出現(xiàn)了一些仿人靈巧手,然而也存在不足問(wèn)題,缺乏觸覺(jué)感知能力,難以達(dá)到更高的交互要求。
人體皮膚除了對(duì)外部刺激做出響應(yīng)之外,同時(shí)可以對(duì)剪切力以及正向力進(jìn)行識(shí)別,在此基礎(chǔ)上做出一定的反饋[2]。根據(jù)上述原理,針對(duì)仿人靈巧手進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),利用特定的傳感器進(jìn)行手勢(shì)調(diào)整,提高了物品抓取的精度和效率。所以有必要對(duì)觸覺(jué)傳感器進(jìn)行深入研究,提升其對(duì)外部信息的感知能力,從而改善靈巧手的交互性,使其在實(shí)際交互和控制場(chǎng)景中發(fā)揮更佳的作用[3]。當(dāng)前該類(lèi)型的觸覺(jué)傳感器在多個(gè)領(lǐng)域中凸顯出實(shí)用價(jià)值,例如在假肢設(shè)計(jì)[4]、康復(fù)治療[5]、手術(shù)機(jī)器人[6]等場(chǎng)景中具有良好的應(yīng)用前景。
隨著研究的深入,已經(jīng)形成了多種類(lèi)型的產(chǎn)品,常用的可以劃分為電容式[7]、電阻式[8]、光學(xué)式[9]、電磁式[10]和壓電式[11]等。各種類(lèi)型的傳感器在原理以及適用性等方面存在顯著的差異性。電阻式柔性壓力傳感器在應(yīng)用中顯示出一定的優(yōu)勢(shì),例如結(jié)構(gòu)復(fù)雜度較低,顯示出良好的靈敏度等,更重要的是能夠同步感知剪切力與正向力[12]。很多學(xué)者在此領(lǐng)域進(jìn)行了研究,其中,Wang Y C等人[13]在設(shè)計(jì)的觸覺(jué)傳感器采用了導(dǎo)電橡膠,并將其運(yùn)用到了機(jī)械臂中,在各個(gè)方向的靈敏度不同,對(duì)于x,y,z 軸的靈敏度分別是0.471,0.466,0.201,單位均為V/N。Zhang J 等人[14]在研究中成功設(shè)計(jì)出一種靈敏度較高的柔性觸覺(jué)傳感器,在該產(chǎn)品中利用了還原氧化石墨烯(reduced graphene oxide,rGO)薄膜和聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)陣列。受到rGO/PDMS 變形的影響,使得rGO 薄膜、電極的接觸面積發(fā)生變化,由此提升了檢測(cè)的靈敏度,壓力處于0 ~225 Pa時(shí)基本可以達(dá)到1.71 kPa-1的靈敏度。
柔性三維力傳感器在靈敏度以及量程上往往存在一定的矛盾問(wèn)題,二者難以同時(shí)達(dá)到較高的要求,例如在傳感器的靈敏度較高時(shí),則量程往往較低。正是由于存在該問(wèn)題,導(dǎo)致其應(yīng)用受到了一定的限制。
在本文研究中針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了分析,并設(shè)計(jì)了一種新型的壓阻式傳感器,在設(shè)計(jì)過(guò)程中利用了多壁碳納米管(multi-walled carbon nanotubes,MWCNTs)以及PDMS納米材料,在各個(gè)方向的靈敏度較高,同時(shí)測(cè)量范圍較大。在靈巧手中集成該傳感器的應(yīng)用效果較好,可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)抓取的功能,同時(shí)比較柔和、安全,應(yīng)用的潛力較大。
針對(duì)柔性三維力傳感器的基本原理進(jìn)行分析,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 柔性三維力傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理
根據(jù)圖1(a)可知,整個(gè)傳感器可以劃分為5 層,包括頂部PDMS凸起層、上下層敏感單元、上下層PET 襯底柔性電極。其中,PDMS凸起層主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)外力的傳輸,由此改變傳感單元的電阻,本質(zhì)上一個(gè)預(yù)制的四棱臺(tái),邊長(zhǎng)6 mm。傳感器中含有4 個(gè)傳感單元,通過(guò)上下層PDMS/MWCNTs薄膜形成,各個(gè)單元的邊長(zhǎng)均為2 mm,對(duì)應(yīng)的阻值依次是R1,R2,R3,R4。如圖1(b)所示,其中,RT,RB分別代表上、下敏感層的電阻,而二者之間的接觸電阻表示為RC,這3部分提供了傳感單元的電阻,阻值會(huì)受到壓力的影響,二者呈負(fù)相關(guān),即隨著壓力的增加而減小。結(jié)合上述分析可知,在壓力較小的情況下,RC決定對(duì)于傳感器電阻的影響較大,由此可以提升其靈敏度。但是在壓力較大時(shí),RC難以形成顯著的變化,此時(shí)RT與RB決定共同影響傳感器的電阻,從而有效提升了檢測(cè)的范圍。如果只是將正向力施加在凸起層,則傳感層會(huì)受到一定均勻力,具體如圖1(b)。受到正向力(Fz)的影響,傳感單元的電阻會(huì)出現(xiàn)變化,二者呈負(fù)相關(guān),各個(gè)單元的輸出變化趨勢(shì)基本是一致的。如果在凸起層表面施加x 軸切向力(Fx),則各個(gè)電阻的變化趨勢(shì)不同,根據(jù)圖1(c)可知,F(xiàn)x形成的扭矩對(duì)于各個(gè)電阻的影響不同,導(dǎo)致R1和R2降低,R3和R4增大。另外,y軸切向力相對(duì)于x軸在原理上基本是一致的。
圖2為傳感器的工藝流程以及對(duì)應(yīng)的實(shí)物。其中,在圖2(a)中展示的是一種絲網(wǎng)印刷工藝,由此可以形成陣列化的單元,使得傳感器具備了較好的一致性[15]。在工藝中需要先制作柔性電極,主要是在PET襯底設(shè)置導(dǎo)電銀漿絲網(wǎng),通過(guò)這種方式得到的電極滿(mǎn)足了柔韌性的要求。在上述工藝結(jié)束之后,分別在電極底部和頂部位置印刷PDMS/MWCNTs納米復(fù)合溶液。然后,針對(duì)上、下兩部分進(jìn)行有效的粘合,在此基礎(chǔ)上安裝PDMS凸起層,從而達(dá)到封裝的相關(guān)要求。
圖2 傳感器的工藝流程和實(shí)物
針對(duì)傳感器的性能進(jìn)行表征,基于電阻分壓式測(cè)試電路,在描述電阻變化時(shí)利用電壓變化量。在本文研究中的電壓(V)、電阻(R)以及初始電阻(R0)存在一定的相關(guān)性,具體為:V =(R-1-R0-1)/R0-1。圖3(a)主要描述各個(gè)電阻的輸出電壓(V1~V4)和z軸受力的相關(guān)性。根據(jù)圖中的信息可知,處于0 ~3 N 之間時(shí),接觸力的變化導(dǎo)致電阻輸出電壓改變,二者呈正相關(guān),靈敏度為3.1 V/N。圖3(b)為遲滯曲線,根據(jù)圖中的信息驗(yàn)證了在遲滯性上可以達(dá)到的效果。結(jié)合圖3(c)、(d)中的信息可知,如果將切向力施加在x,y軸中,則各個(gè)單元的輸出電壓變化不同,增大和減小的均為2個(gè)。根據(jù)圖3(c)可知,如果正向力為1 N,則Fy增大時(shí),導(dǎo)致各個(gè)電阻的輸出電壓變化不同,即與R1、R2的輸出電壓呈正相關(guān),與R3、R4則呈負(fù)相關(guān)。根據(jù)上述結(jié)果可知,該傳感器的靈敏度較高,價(jià)格相對(duì)較小,應(yīng)用到靈巧手中具有一定的實(shí)用性。
圖3 傳感器的三維力感知性能
結(jié)合之前的分析,將不同的作用力施加在傳感器中會(huì)導(dǎo)致傳感單元輸出電壓的改變,并且變化趨勢(shì)有所不同。其中,施加x,y軸力時(shí),則有2 個(gè)單元的輸出電壓變化,另外2個(gè)無(wú)變化;而在施加正向力時(shí),則各個(gè)單元均變小。三軸力導(dǎo)致的總電壓改變表示為Vz,Vx,Vy,與輸出電壓V1,V2,V3,V4之間依然具有一定的關(guān)系,具體公式如下所示
基于上述分析可以得到Vz,Vx,Vy,即為各個(gè)軸的輸出電壓。根據(jù)上述結(jié)果可知,受到外力影響時(shí),三軸力的輸出電壓靈敏度較高,可以通過(guò)擬合線的斜率進(jìn)行表示。進(jìn)一步針對(duì)各個(gè)方向的靈敏度進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)在x,y 軸方向是基本是一致的,即為1.8 V/N,而對(duì)于z 軸在0 ~3 N 內(nèi)為3.1 V/N。結(jié)合上述分析可知,本文設(shè)計(jì)的柔性三維力傳感器在靈敏度上具備了一定的優(yōu)勢(shì),主要體現(xiàn)在切向力(0 ~0.4 N)、正向力(0 ~3 N)感知上,如圖4所示。
圖4 傳感器的三維力解耦
圖5為三維力的標(biāo)定平臺(tái)。需要在三軸移動(dòng)平臺(tái)中設(shè)置ATI NANO 17,量程與分辨率依次是0 ~15 N、0.003 15 N??紤]到傳感單元的要求,需要將ATI NANO 17 與長(zhǎng)方形樹(shù)脂(長(zhǎng)30 mm)進(jìn)行連接。在設(shè)置完成之后開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并測(cè)定外力大小以及輸出電壓。
圖5 三維力標(biāo)定平臺(tái)
在本文研究中進(jìn)行了安全抓取實(shí)驗(yàn),通過(guò)觸覺(jué)傳感器對(duì)靈巧手的抓握力進(jìn)行有效控制,使其運(yùn)行過(guò)程中保持安全和穩(wěn)定,抓取過(guò)程如圖6。其中,圖6(a)為抓取力由小到大的變化過(guò)程。根據(jù)圖可知,在抓取力為0.9 N時(shí),抓取的紙杯基本未出現(xiàn)顯著的變化,形狀依然穩(wěn)定。然后逐步提高抓取力,在達(dá)到1.9 N 的情況下,紙杯開(kāi)始出現(xiàn)形變,但變化幅度總體較小。繼續(xù)增大抓取力,在達(dá)到2.7 N時(shí),紙杯形變幅度顯著增大,已經(jīng)無(wú)法恢復(fù),可能會(huì)損壞被抓取的物品。圖6(b)為整個(gè)過(guò)程中的抓取信號(hào),根據(jù)圖可知,整個(gè)三維力傳感器可以達(dá)到較高的靈敏度要求。結(jié)合上述分析可知,設(shè)計(jì)的靈巧手在觸覺(jué)傳感上的能力較強(qiáng),靈敏度較高,抓取的過(guò)程比較柔和,即使是抓取易變形的物品也能夠保持較高的穩(wěn)定性。
圖6 仿人靈巧手安全抓取過(guò)程和抓取信號(hào)示意
在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要先搭建基本的實(shí)驗(yàn)裝置,此次實(shí)驗(yàn)中利用了傳感器、水瓶以及靈巧手,具體如圖7 所示。圖7(a)為施加切向力的信號(hào),由此可以確定人手的動(dòng)作趨勢(shì),即需要接到杯子,然后可以將杯子方可來(lái)完成對(duì)應(yīng)的操作。圖7(b)為向下切向力的檢測(cè)信號(hào),檢測(cè)到該信號(hào)后并確定該力和重力的方向是相同的。此時(shí)通過(guò)控制來(lái)提高抓握力,避免杯子掉落。根據(jù)圖可知,在檢測(cè)到z 軸力變大時(shí),增大抓取力,防止滑落。
圖7 仿人靈巧手自適應(yīng)抓取過(guò)程及信號(hào)示意
在本文研究中設(shè)計(jì)了一種新型的柔性三維力觸覺(jué)傳感器,利用PDMS/MWCNTs材料,將其應(yīng)用到了靈巧手中可以對(duì)切向力以及法向力進(jìn)行有效地檢測(cè),從而實(shí)現(xiàn)控制的目標(biāo)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該傳感器的應(yīng)用效果,能夠?qū)埍c水瓶進(jìn)行有效地抓取,具備了自適應(yīng)抓取的能力,因此該傳感器具有一定的實(shí)用價(jià)值,適合于應(yīng)用到工業(yè)以及醫(yī)療機(jī)器人設(shè)計(jì)等領(lǐng)域中。