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）

0 引 言

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。

1 柔性三維力傳感器

1.1 傳感器的工作原理

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。

1.2 傳感器的工藝流程

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

1.3 傳感器的性能表征

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

2 人機(jī)交互演示實(shí)驗(yàn)

2.1 三維力解耦實(shí)驗(yàn)

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)

2.2 安全抓取實(shí)驗(yàn)

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

2.3 自適應(yīng)抓取實(shí)驗(yàn)

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

3 結(jié) 論

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。