新型柔性三维力触觉传感器的设计与研究*

秦 冲

（1.河南科技大学 应用工程学院，河南 三门峡 472000；2.三门峡职业技术学院汽车学院，河南 三门峡 472000）

0 引 言

目前，对于仿人灵巧手的研究吸引了较多的关注，通过手势的模仿来完成特定的操作，有助于降低控制难度［1］。尽管市场中已经出现了一些仿人灵巧手，然而也存在不足问题，缺乏触觉感知能力，难以达到更高的交互要求。

人体皮肤除了对外部刺激做出响应之外，同时可以对剪切力以及正向力进行识别，在此基础上做出一定的反馈［2］。根据上述原理，针对仿人灵巧手进行改进设计，利用特定的传感器进行手势调整，提高了物品抓取的精度和效率。所以有必要对触觉传感器进行深入研究，提升其对外部信息的感知能力，从而改善灵巧手的交互性，使其在实际交互和控制场景中发挥更佳的作用［3］。当前该类型的触觉传感器在多个领域中凸显出实用价值，例如在假肢设计［4］、康复治疗［5］、手术机器人［6］等场景中具有良好的应用前景。

随着研究的深入，已经形成了多种类型的产品，常用的可以划分为电容式［7］、电阻式［8］、光学式［9］、电磁式［10］和压电式［11］等。各种类型的传感器在原理以及适用性等方面存在显著的差异性。电阻式柔性压力传感器在应用中显示出一定的优势，例如结构复杂度较低，显示出良好的灵敏度等，更重要的是能够同步感知剪切力与正向力［12］。很多学者在此领域进行了研究，其中，Wang Y C等人［13］在设计的触觉传感器采用了导电橡胶，并将其运用到了机械臂中，在各个方向的灵敏度不同，对于x，y，z 轴的灵敏度分别是0.471，0.466，0.201，单位均为V／N。Zhang J 等人［14］在研究中成功设计出一种灵敏度较高的柔性触觉传感器，在该产品中利用了还原氧化石墨烯（reduced graphene oxide，rGO）薄膜和聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）阵列。受到rGO／PDMS 变形的影响，使得rGO 薄膜、电极的接触面积发生变化，由此提升了检测的灵敏度，压力处于0 ～225 Pa时基本可以达到1.71 kPa-1的灵敏度。

柔性三维力传感器在灵敏度以及量程上往往存在一定的矛盾问题，二者难以同时达到较高的要求，例如在传感器的灵敏度较高时，则量程往往较低。正是由于存在该问题，导致其应用受到了一定的限制。

在本文研究中针对上述问题进行了分析，并设计了一种新型的压阻式传感器，在设计过程中利用了多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotubes，MWCNTs）以及PDMS纳米材料，在各个方向的灵敏度较高，同时测量范围较大。在灵巧手中集成该传感器的应用效果较好，可以实现自适应抓取的功能，同时比较柔和、安全，应用的潜力较大。

1 柔性三维力传感器

1.1 传感器的工作原理

针对柔性三维力传感器的基本原理进行分析，具体结构如图1所示。

图1 柔性三维力传感器的结构和工作原理

根据图1（a）可知，整个传感器可以划分为5 层，包括顶部PDMS凸起层、上下层敏感单元、上下层PET 衬底柔性电极。其中，PDMS凸起层主要用于实现对外力的传输，由此改变传感单元的电阻，本质上一个预制的四棱台，边长6 mm。传感器中含有4 个传感单元，通过上下层PDMS／MWCNTs薄膜形成，各个单元的边长均为2 mm，对应的阻值依次是R1，R2，R3，R4。如图1（b）所示，其中，RT，RB分别代表上、下敏感层的电阻，而二者之间的接触电阻表示为RC，这3部分提供了传感单元的电阻，阻值会受到压力的影响，二者呈负相关，即随着压力的增加而减小。结合上述分析可知，在压力较小的情况下，RC决定对于传感器电阻的影响较大，由此可以提升其灵敏度。但是在压力较大时，RC难以形成显著的变化，此时RT与RB决定共同影响传感器的电阻，从而有效提升了检测的范围。如果只是将正向力施加在凸起层，则传感层会受到一定均匀力，具体如图1（b）。受到正向力（Fz）的影响，传感单元的电阻会出现变化，二者呈负相关，各个单元的输出变化趋势基本是一致的。如果在凸起层表面施加x 轴切向力（Fx），则各个电阻的变化趋势不同，根据图1（c）可知，Fx形成的扭矩对于各个电阻的影响不同，导致R1和R2降低，R3和R4增大。另外，y轴切向力相对于x轴在原理上基本是一致的。

1.2 传感器的工艺流程

图2为传感器的工艺流程以及对应的实物。其中，在图2（a）中展示的是一种丝网印刷工艺，由此可以形成阵列化的单元，使得传感器具备了较好的一致性［15］。在工艺中需要先制作柔性电极，主要是在PET衬底设置导电银浆丝网，通过这种方式得到的电极满足了柔韧性的要求。在上述工艺结束之后，分别在电极底部和顶部位置印刷PDMS／MWCNTs纳米复合溶液。然后，针对上、下两部分进行有效的粘合，在此基础上安装PDMS凸起层，从而达到封装的相关要求。

图2 传感器的工艺流程和实物

1.3 传感器的性能表征

针对传感器的性能进行表征，基于电阻分压式测试电路，在描述电阻变化时利用电压变化量。在本文研究中的电压（V）、电阻（R）以及初始电阻（R0）存在一定的相关性，具体为：V ＝（R-1-R0-1）／R0-1。图3（a）主要描述各个电阻的输出电压（V1～V4）和z轴受力的相关性。根据图中的信息可知，处于0 ～3 N 之间时，接触力的变化导致电阻输出电压改变，二者呈正相关，灵敏度为3.1 V／N。图3（b）为迟滞曲线，根据图中的信息验证了在迟滞性上可以达到的效果。结合图3（c）、（d）中的信息可知，如果将切向力施加在x，y轴中，则各个单元的输出电压变化不同，增大和减小的均为2个。根据图3（c）可知，如果正向力为1 N，则Fy增大时，导致各个电阻的输出电压变化不同，即与R1、R2的输出电压呈正相关，与R3、R4则呈负相关。根据上述结果可知，该传感器的灵敏度较高，价格相对较小，应用到灵巧手中具有一定的实用性。

图3 传感器的三维力感知性能

2 人机交互演示实验

2.1 三维力解耦实验

结合之前的分析，将不同的作用力施加在传感器中会导致传感单元输出电压的改变，并且变化趋势有所不同。其中，施加x，y轴力时，则有2 个单元的输出电压变化，另外2个无变化；而在施加正向力时，则各个单元均变小。三轴力导致的总电压改变表示为Vz，Vx，Vy，与输出电压V1，V2，V3，V4之间依然具有一定的关系，具体公式如下所示

基于上述分析可以得到Vz，Vx，Vy，即为各个轴的输出电压。根据上述结果可知，受到外力影响时，三轴力的输出电压灵敏度较高，可以通过拟合线的斜率进行表示。进一步针对各个方向的灵敏度进行检测，发现在x，y 轴方向是基本是一致的，即为1.8 V／N，而对于z 轴在0 ～3 N 内为3.1 V／N。结合上述分析可知，本文设计的柔性三维力传感器在灵敏度上具备了一定的优势，主要体现在切向力（0 ～0.4 N）、正向力（0 ～3 N）感知上，如图4所示。

图4 传感器的三维力解耦

图5为三维力的标定平台。需要在三轴移动平台中设置ATI NANO 17，量程与分辨率依次是0 ～15 N、0.003 15 N。考虑到传感单元的要求，需要将ATI NANO 17 与长方形树脂（长30 mm）进行连接。在设置完成之后开始进行实验，并测定外力大小以及输出电压。

图5 三维力标定平台

2.2 安全抓取实验

在本文研究中进行了安全抓取实验，通过触觉传感器对灵巧手的抓握力进行有效控制，使其运行过程中保持安全和稳定，抓取过程如图6。其中，图6（a）为抓取力由小到大的变化过程。根据图可知，在抓取力为0.9 N时，抓取的纸杯基本未出现显著的变化，形状依然稳定。然后逐步提高抓取力，在达到1.9 N 的情况下，纸杯开始出现形变，但变化幅度总体较小。继续增大抓取力，在达到2.7 N时，纸杯形变幅度显著增大，已经无法恢复，可能会损坏被抓取的物品。图6（b）为整个过程中的抓取信号，根据图可知，整个三维力传感器可以达到较高的灵敏度要求。结合上述分析可知，设计的灵巧手在触觉传感上的能力较强，灵敏度较高，抓取的过程比较柔和，即使是抓取易变形的物品也能够保持较高的稳定性。

图6 仿人灵巧手安全抓取过程和抓取信号示意

2.3 自适应抓取实验

在实验过程中需要先搭建基本的实验装置，此次实验中利用了传感器、水瓶以及灵巧手，具体如图7 所示。图7（a）为施加切向力的信号，由此可以确定人手的动作趋势，即需要接到杯子，然后可以将杯子方可来完成对应的操作。图7（b）为向下切向力的检测信号，检测到该信号后并确定该力和重力的方向是相同的。此时通过控制来提高抓握力，避免杯子掉落。根据图可知，在检测到z 轴力变大时，增大抓取力，防止滑落。

图7 仿人灵巧手自适应抓取过程及信号示意

3 结 论

在本文研究中设计了一种新型的柔性三维力触觉传感器，利用PDMS／MWCNTs材料，将其应用到了灵巧手中可以对切向力以及法向力进行有效地检测，从而实现控制的目标。通过实验验证了该传感器的应用效果，能够对纸杯与水瓶进行有效地抓取，具备了自适应抓取的能力，因此该传感器具有一定的实用价值，适合于应用到工业以及医疗机器人设计等领域中。