一种新型机器人三维力柔性触觉传感器的设计.doc

一种新型机器人三维力柔性触觉传感器的设计 第21卷?第10期xx年10月传感技术学报CHINESE JOURNALOF SENSORSAND ACTUATORSVol.21?No.10Oct.xxA NewDesignofFlexibleThree?DimensionForceTactileSensorof Robot*HUANG Ying1,2*,MING Xiao?hui1,XIANGBei1,QI UHuai?li1,GE Yun?j ian21.Departmentof Applied Physics,Hef eiUniversity ofT echnology,Hef ei230009,China;2.Instituteof IntelligenceMachines ChineseAcademyof Sciences,Hef ei230031,ChinaAbstract:This paperdesigns anew robotflexible tactile sensor thatcan measurethree?dimension forcebasedon flexiblepressure?sensitive conductive rubber.It studieson thepiezoresistive effectof pressure?sensitive conductiverubber,illustrates onthe designingthoughts oftactile sensor,and researcheson thetactilesensor?s unitdesign andarray structurerespectively.It obtainsthe mathematicalmodel ofcalculat?ing threedimension forces,and gainsthe verificationof threedimension forceby experiments.T heresultsindicate thatthe designedthree?dimension forceflexible tactilesensor forrobot hasthe advantageof simpledesign,low costsand fineflexibility.Besides,it canbe disposedin arrayto acquirethe informationofthree?dimension forcein medication,physics androbots.Keywords:tactilesensor;conductiverubber;flexible;three?dimension forceEEACC:7320G;7230一种新型机器人三维?柔性触觉传感器的设计*黄?英1,2*,明小慧1,向?蓓1,仇怀利1,葛运建21.合肥工业大学应用物?系,合肥230009;2.中国科学院合肥智能机械研究所,合肥230031基金项目:国家自然科学基金资助 (60672024);国家高技术研究发展计划(863计划)资助(xxAA04Z220):xx?04?20?修改日期:xx?06?22摘?要:基于柔性?敏导电橡胶材?,设计了一种能测?三维?的新型机器人柔性触觉传感器。 研究了?敏导电橡胶材?的压阻效应,阐述了触觉传感器的设计思想,分别进?了触觉传感器单元设计和阵列结构设计和研究。 获得了计算三维?的数学模型,并通过实验进?了三维?的验证。 结果表明,设计的机器人三维?柔性触觉传感器具有设计简单,造价低廉,柔顺性好等优点,而且布置成阵列结构可用于医疗、体育、机器人等领域中检测三维?信息。 关键词:触觉传感器;导电橡胶;柔性;三维?:TP212.1;TP242.61?:A?:1004?1699 (xx)10?1695?05?研究具有高精度、高分辨率、高速响应且任意分布的触觉传感器,是仿人智能机器人研究的关键部分之一,对未来的生物?学和体育训练来说也具有重要意义。 该类传感器,可以帮助机器人识别物体,感知外界环境和自身状态,使机器人能完成?复杂和精细的任务。 目前对于单维触觉传感技术的研究较为成熟,但触觉传感器?能仅停留在对法向?的检测上,这会给触觉传感器的应用带来局限性。 由于智能机器人常常需要检测三维?的触觉传感器1,如,机器人握持物体时,需要感知切向?,同时感知正向压?即握持?。 ?仅如此,还要求能在各种规则和?规则的表面大面积的获取测?信息。 因此研究能检测三维?,且具有类似于皮肤弹性的柔性触觉传感器成为智能机器人传感器进一步发展的重要技术。 目前新型的触觉传感器由于自身制作技术和材?的限1696制,在既能满足三维?检测功能又具有柔顺性方面受到一定的限制。 迄今为止对于触觉传感器的三维?检测研究方面,人们?断尝试从电容、PVDF(聚偏二氟乙烯)、光波导等技术出发来研制机器人三维?触觉传感器,已经取得了一定的成果。 Mami Tanaka等人采用三个电阻应变片布置在橡胶中制成可以感受三维?的传感器2。 Kentaro Noda等利用两个正交直立的压阻式悬臂?嵌入弹性体内检测X、Y切向?3。 荣伟彬等以压阻检测技术为基础利用MEMS技术设计了一种用于微操作的三维?传感器4。 潘英俊,付果元,乔生仁等利用光波导对三向?触觉传感技术进?了一定的研究5。 ?敏导电橡胶是一种特殊的胶体,它是将中高导电粒子以?同的方式和加工工艺均匀分布到绝缘的聚合物基体材?中而构成的功能高分子材?。 田疆等利用?敏导电橡胶的压阻特性,设计并制作了基于?敏导电橡胶的触觉传感器阵列,提出了先进?传感器动态扫描、然后采用位置匹配法!恢复图形的方法6。 ?敏导电橡胶作为一种新型的压?敏感材?,具有?成型,?学性能好,成本低等优点,而且可以任意成型,制作成大面积阵列结构,可作为机器人柔性三维?触觉传感器的良好材?。 传感器性能与结构有着直接的联系,所以在整个传感器系统的设计中,传感器的结构设计尤为重要,能简单方?提取三维?信息的结构可以提高触觉传感器的空间分辨?,对触觉传感系统性能的改进有重要意义。 针对以上情况,本文利用?敏导电橡胶的压阻效应,研究设计了一种新型的三维?检测结构,满足其柔韧性类似于人体的皮肤组织,同时又能满足检测多维?信息的要求。 1?基本?论1.1?体压阻效应?敏导电橡胶的体压阻效应可解释为7,8,?敏导电橡胶在受到?作用后,导电粒子之间的距离发生变化,改变了材?的导电性,并引起体电阻的变化,如图 (1)中R v所示。 根据导电链势垒隧道效应,可以得到复合材?的体电阻R v,用公式可表示为9R v=1pkwt2R mm (1)在公式 (1)中,m为单位面积复合体的导电粒子数目,R m为导电粒子电阻,k为单位面积内导电链数目,t为每个导电链内粒子数目,挤压应?为p。 令q=kt2Rm/wm为压阻系数,则复合体的电阻与挤压应?成倒数关系,即R=q/p。 1.2?界面压阻效应界面压阻效应是指两个接触表面的电阻率随着承载?的变化而变化的现象。 这种效应由法国电子工程师T heodoredu Moncel在19世纪后期第一次发现。 他观察到流过钉子与覆盖煤烟灰的金属板之间的电流可以由声波调制11。 这是由于声波使得金属板与钉子之间的接触压?发生变化,导致电阻率发生变化。 本文利用的界面压阻效应是指当?敏导电橡胶在与导电体接触时,接触表面的电阻率随着承载?的增大而减小。 因为接触表面开始是?完全接触的,随着在?敏导电橡胶上逐渐施加压?,接触表面接触程度变好,导电通?增多,界面接触电阻(如图1中所示R s)变小。 界面接触电阻R s可以使用公式 (2)描述10:R s?FK (2)其中:?为接触表面的电阻率,F为施加在接触面上的正压?,K是接触面材?的硬度和弹性的函数。 图1?压阻效应示意图1.3?验证本文设计的三维?柔性触觉传感器是上述体压阻效应和界面压阻效应的结合,因此在外加压?的作用下?敏导电橡胶的总电阻为R=R v+2R s,如图1中的压阻效应示意图所示。 文献11中,Karsten Weiss等人对此提出了?敏导电橡胶体电阻压阻效应变化比较小,界面压阻效应变化显著且线性度比较好的观点。 为比较体压阻效应和界面压阻效应的差异,设计二组试验:第一组是在把导线布置在?敏导电橡胶内部来测?体电阻的压阻效应。 由于导线固定并粘接在?敏导电橡胶内部,消除了导线的界面压阻效应,测出的数据即为体电阻R v;第二组数据是把?敏导电橡胶置在两个圆形铜板电极之间测?,总的电阻R=R v+2R s。 总的电阻灵敏度为G F=R/F=G Fv+G Fs (3)传?感?技?术?学?报xx年第试验数据如表1所示。 数据表明,在没有界面压阻效应作用时,电阻变化是十分小的,由公式 (3)用最小二乘法拟合表1数据计算得到体电阻的灵敏度G F约为0.029k?/N,而存在界面压阻效应时的界面电阻的灵敏度G F为1.642k?/N。 试验表明了界面压阻效应变化比体压阻效应较为显著,所以在三维?柔性触觉传感器研究中考虑了使界面压阻效应占主导的设计。 表1?敏导电橡胶的体压阻效应与界面压阻效应的比较承载压?/N体电阻R v/k?S面积的界面电阻R s/k?S/2面积的界面电阻R s#/k?25.1544.6555.2342.55.0953.0253.9163.05.0032.1623.2213.54.9441.5962.8794.04.8461.2702.716?再设计第三组实验,把?敏导电橡胶置于面积仅为第二组的一半的两个圆形铜板电极之间测?,以测?同接触表面面积的界面压阻效应。 由公式 (3)根据表1数据计算得到1/2接触表面的界面电阻?灵敏度G F为1.216k?/N,小于接触面积大的界面?灵敏度。 即说明了界面压阻效应与电极的接触面积相关。 因此在设计三维?柔性触觉传感器的结构时,界面压阻效应为主要?论基础,还要考虑尽可能增大接触面积,以提高?敏导电橡胶的灵敏度。 2?传感器设计2.1?传感器的单元设计触觉传感器由于需要大面积精确测?接触面的信息,因此需要将传感器设计成有多个单元组成的阵列结构。 其中每个单元都应可以进?三维?的检测,所以传感器的单元结构的设计尤为重要。 考虑触觉传感器的柔顺性能的需要,采用柔性的印刷电?板设计传感器阵列的电极布线。 传感器单元设计如图2所示,在柔性印刷电?板(PCB)上制作三个扇形的导电区域a、b、c和一个圆形导电区域d。 ?敏导电橡胶为一定厚度的橡胶(a)?单元结构示意图?(b)?传感器的等效电阻图2?传感器单元结构层,用导电银胶紧密粘接在柔性电?板上。 将中间的圆面d作为公共电极,扇面a、b、c和圆面d之间的电阻分别是R 1、R 2、R3。 柔性?敏导电橡胶的下表面是柔性电?板,是电?区域。 把测?电阻的电极制作在同一个平面上,改变了传统的利用?敏导电橡胶层的上下两个表面布置电极的测?方法。 这种设计方法使得?敏导电橡胶层柔软的上表面可以作为触觉传感器的测?接触面,有利于保证传感器的柔性和可靠性,而且保护了电极布线区域。 另一方面,这种布线方法可尽?增大?敏导电橡胶与电极的接触表面,提高传感器的灵敏度。 2.2?传感器单元的受?分析和三维?求解为了检测三维?,传感器单元上方设置一个半球形传感头(如图3所示),传感头用质地较硬的聚乙烯材?制成,在此可忽略传感头的变形。 传感头起?的传递作用,当传感头受?后,?敏导电橡胶发生与受?成正比的形变。 ?敏导电橡胶承受压?的变化也使得界面电阻R 1、R 2、R3发生相应的变化。 这三个电阻的变化反映了传感头所感受的三维?信息。 通过下面的分析方法,可求解出三维?。 假设在三维?F=(F x,F y,F z)作用下,三个电阻的电阻变化值分别为:R1=f1(F x,F y,F z)=f1(R x,R y,R z)R2=f2(F x,F y,F z)=f2(R x,R y,R z)R3=f3(F x,F y,F z)=f3(R x,R y,R z) (4)把任意?F=(F x,F y,F z)的作用分解成三个独立分?逐个分析:当F=(0,0,F z),即仅有z方向受到压缩时,敏感弹性元件是整个传感器单元,R 1、R 2、R3的阻值减小R z。 当F=(F x,0,0),即仅有x正方向水平?时,F x产生一个绕y轴的旋转?矩,使得传感头下方的?敏导电橡胶层的厚度产生如图3所示的变化:R1受到压缩,电阻减小R x,R 2、R3所在区域c和b的1/4面积受到压缩,3/4受到拉伸。 ?想条件下,可抵消其中对称等面积的拉伸和压缩部分,R 2、R3剩余的等效电阻的变化各为?R x。 图3?力敏导电橡胶在力F作用下产生的形变当F=(0,F y,0),即仅有y正方向水平?时,169710期黄?英,明小慧等:一种新型机器人三维力柔性触觉传感器的设计1698F y产生一个绕X轴旋转?矩,使得?敏导电橡胶层受?情况发生变化:R1在?矩的顶点,变化很小,R2受到压缩,电阻减小R y,由于对称性,R3受到拉伸,电阻增大R y。 综上所述,R 1、R 2、R3对三个方向?的变化?同,均包含了三维?的信息。 通过合适的计算方法,可以根据电阻变化信息计算出三维?。 把?的三个独立分?相加,重新还原成三维?,即为三维?的作用。 此时三个?的独立分?引起的电阻变化?相加,还原成三维?作用的效果。 用矩阵表示为:R1R2R3=-10-11/2-1-11/21-1R xR yR z (5)解出矩阵 (5)中的R i,得:R xR yR z=-2/31/31/30-1/21/2-1/3-1/3-1/3R1R2R3 (6)假设受?时球冠底面没有平动,在一定?程范围内可认为电阻的变化和压?成良好线性关系。 即:F i=R ik i(i=x,y,z) (7)通过式 (7)R i与F i的关系,根据大?测?数据,利用最小二乘法标定系数ki。 通过电阻变化R i(i=x,y,z)可求得三维?F=(F x,F y,F z)各分?的大小。 2.3?传感器的阵列设计如图4所示,把传感器单元的设计成3?3阵列,并使用阵列扫描结构。 图中V 01、V 02、V03为参考电压,V A 1、V A 2、V A 3、V B 1、V B 2、V B 3、V C 1、V C 2、V C3为输出电压。 测?时,依次选通横向和纵向的引线,得到对应的电阻,求解对应位置的受?信息。 图4?传感器的阵列设计以传感器中心单元即第2?第2列的单元受?为例,得到:F x=f x(V A2,V B2,V C2)=f x(R1,R2,R3)F y=f y(V A2,V B2,V C2)=f y(R1,R2,R3)F z=f z(V A2,V B2,V C2)=f z(R1,R2,R3) (8)实际使用中可以通过标定来确定输入?信息与输出电压之间的关系。 3?实验结果及讨论3.1?实验实验样品采用的导电粒子为导电炭黑,基体为硅橡胶。 样品中导电炭黑(ECP?CB)与硅橡胶质?比:8%,SiO2与硅橡胶质?比:2%。 ?敏导电橡胶采用液体成型工艺,有机溶剂为石脑油。 样品直径:28mm,邵氏硬度:49.0;厚度:2.25mm。 在Z方向施加?同的正向压?,通过细绳连接在滑轮上加载X,Y方向的切向?。 观察加载?时电阻的变化情况。 图5(a)为F=(0,0,F z)三次的加载和卸载实验曲线图,纵向?的?程间隔为5N。 图5(b)为F=(F x,0,0)三次的加载和卸载实验曲线图,水平?的?程间隔为0.5N。 图5(c)为F=(0,F y,0)三次的加载和卸载实验曲线图,水平?的?程间隔为0.5N。 (a)?纵向力F=(0,0,F z)加载实验(b)?X方向力F=(F x,0,0)加载实验(c)?Y方向力=(0,F y,0)加载实验图5?三维力加载实验传?感?技?术?学?报xx年第3.2?结果与讨论实验结果表明,随着加载?的变化,电阻的变化规?与上述?论分析相同。 根据实验数据,由式 (6)求出R i(i=x,y,z),由大?试验数据拟合标定得三个方向灵敏度k的值。 通过式 (7)得到三维?的计算结果。 表2列出了其中的4个三维?的计算结果。 表2?三维?计算结果加载?/N R1/?R2/?R3/?计算值F/N误差E/%(0,0,10)1.0260.9771.392(0.17,?0.96,10.38)3.80%(0,0,20)0.6200.6130.820(1.20,0.01,19.80)1.00%(2,0,0)0.8960.5950.596(2.05,?0.06,0.40)2.50%(0,?2,0)1.4521.6261.016(0.18,?1.97,0.33)1.50%?从表2可看出计算值与加载?之间存在一定的误差,最大相对误差达到3.80%。 误差有?论误差和实验误差。 如?敏导电橡胶的压阻特性实际存在着较大的非线性关系,忽略了在三维?作用下三个电阻变化值的交叉影响。 由于是高分子导电复合材?,所以?敏导电橡胶的电阻蠕变现象较为明显,给实际测?带来误差。 另外忽略了?敏导电橡胶的平移的影响。 这些因素都使实验得出的计算结果存在一定偏差,这将在以后的研究中进一步探讨。 由于?敏导电橡胶胶体材?具有粘弹?学特性,因此传感器特性?出现明显的迟滞和疲劳现象,使传感器的应用受到一定限制。 一般实验中可预先对材?进?疲劳实验,使传感器的迟滞和重复性获得改善。 另外材?制备中添加纳米材?,可较好地改善材?的迟滞和疲劳等?学特性。 4?结论发展新原?,新材?,新的敏感效应的触觉传感技术并能同时满足阵列化、多维?和柔性化的要求是目前机器人触觉传感器急待解决的问题。 文中利用柔性?敏导电橡胶的压阻特性和良好的柔顺性,设计了一种新颖的机器人三维?触觉传感器阵列结构,通过对传感器单元的实验,测?了单元受到三维?作用下的三个电阻的变化情况,并由所建立的数学模型进?了实验验证。 实验表明了触觉传感器阵列结构简单可?,符合三维?设计思想。 该传感器设计在材?,制作工艺和信号处?方面作进一步研究、完善后,可广泛应用于智能机器人,体育和医疗等领域中。 参考文献:1?Yamada D,M aenoT,Yamada Yi.Artificial FingerSkin HavingRidges andDistributed Tactile Sensorsused forGrasp ForceControlC/IEEE InternationalConference onIntelligentRobots andSystems,xx,2:686?691.2?Mami Tanaka,T akashiIijim,Yoshikatsu Tanahashi,SeijiChonan.Development ofa3D tactilesensorJ.Journal ofMaterialsProcessing Technology.xx,181(1?3):286?290.3?K entaroNoda,Kazunori Hoshino,Kiy oshiMatsumoto,IsaoShimoyama,A ShearStress Sensorfor TactileSensing withthePiezoresistive CantileverStanding inElastic MaterialJ.Sensors andActuators,xx,127 (2):295?301.4?荣伟彬,王家畴,赵玉龙,陈立国,孙立宁基于MEMS技术的微操作三维?传感器研究J.仪器仪表学报,xx,28 (4):692?698.5?潘英俊,付果元,乔生仁等.X光波导三向?触觉传感技术的研究J.仪器仪表学报,2000,21 (6):614?617.