一种新型机器人三维力柔性触觉传感器的设计

传感器

第21卷 第10期2008年10月

传感技术学报

CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORS

Vol.21 No.10Oct.2008

ANewDesignofFlexibleThree DimensionForceTactileSensorofRobot*

HUANGYing1,2*,MINGXiao hui1,XIANGBei1,QIUHuai li1,GEYun jian2

1.DepartmentofAppliedPhysics,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China;2.InstituteofIntelligenceMachinesChineseAcademyofSciences,Hefei230031,China

Abstract:Thispaperdesignsanewrobotflexibletactilesensorthatcanmeasurethree dimensionforcebasedonflexiblepressure sensitiveconductiverubber.Itstudiesonthepiezoresistiveeffectofpressure sensitiveconductiverubber,illustratesonthedesigningthoughtsoftactilesensor,andresearchesonthetactilesensor sunitdesignandarraystructurerespectively.Itobtainsthemathematicalmodelofcalculat ingthreedimensionforces,andgainstheverificationofthreedimensionforcebyexperiments.Theresultsindicatethatthedesignedthree dimensionforceflexibletactilesensorforrobothastheadvantageofsimpledesign,lowcostsandfineflexibility.Besides,itcanbedisposedinarraytoacquiretheinformationofthree dimensionforceinmedication,physicsandrobots.

Keywords:tactilesensor;conductiverubber;flexible;three dimensionforceEEACC:7320G;7230

一种新型机器人三维力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2

1.合肥工业大学应用物理系,合肥230009;2.中国科学院合肥智能机械研究所,合肥230031

摘 要:基于柔性力敏导电橡胶材料,设计了一种能测量三维力的新型机器人柔性触觉传感器。研究了力敏导电橡胶材料

的压阻效应,阐述了触觉传感器的设计思想,分别进行了触觉传感器单元设计和阵列结构设计和研究。获得了计算三维力的数学模型,并通过实验进行了三维力的验证。结果表明,设计的机器人三维力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力信息。

关键词:触觉传感器;导电橡胶;柔性;三维力中图分类号:TP212.1;TP242.61

文献标识码:A 文章编号:1004 1699(2008)10 1695 05

用带来局限性。由于智能机器人常常需要检测三维力的触觉传感器[1],如,机器人握持物体时,需要感知切向力,同时感知正向压力即握持力。不仅如此,还要求能在各种规则和不规则的表面大

面积的获取测量信息。因此研究能检测三维力,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料的限

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,对未来的生物力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,使机器人能完成更复杂和精细的任务。目前对于单维触觉传感技术的研究较为成熟,但触觉传感器不能仅停留在对法向力的检测上,这会给触觉传感器的应

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(2007AA04Z220): :2008 06

传感器

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制,在既能满足三维力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力检测研究方面,人们不断尝试从电容、PVDF(聚偏二氟乙烯)、光波导等技术出发来研制机器人三维力触觉传感器,已经取得了一定的成果。MamiTanaka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力的传感器[2]。KentaroNoda等利用两个正交直立的压阻式悬臂梁嵌入弹性体内检测X、Y切向力。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力传感器[4]。潘英俊,付果元,乔生仁等利用光波导对三向力触觉传感技术进行了一定的研究。

力敏导电橡胶是一种特殊的胶体,它是将中高导电粒子以不同的方式和加工工艺均匀分布到绝缘的聚合物基体材料中而构成的功能高分子材料。田疆等利用力敏导电橡胶的压阻特性,设计并制作了基于力敏导电橡胶的触觉传感器阵列,提出了先进行传感器动态扫描、然后采用 位置匹配法!恢复图形的方法

[6]

[5]

[3]

q=kt2Rm/wm为压阻系数,则复合体的电阻与挤压应力成倒数关系,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力的变化而变化的现象。这种效应由法国电子工程师TheodoreduMoncel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力发生变化,导致电阻率发生变化。

本文利用的界面压阻效应是指当力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力的增大而减小。因为接触表面开始是不完全接触的,随着在力敏导电橡胶上逐渐施加压力,接触表面接触程度变好,导电通路增多,界面接触电阻(如图1中所示Rs)变小。界面接触电阻Rs可以使用公式(2)描述[10]:

Rs K

F

(2)

。力敏导电橡胶作为一

其中: 为接触表面的电阻率,F为施加在接触面上的正压力,K是接触面材料的硬度和弹性的函数。

种新型的压力敏感材料,具有易成型,力学性能好,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力触觉传感器的良好材料。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,能简单方便提取三维力信息的结构可以提高触觉传感器的空间分辨力,对触觉传感系统性能的改进有重要意义。

针对以上情况,本文利用力敏导电橡胶的压阻效应,研究设计了一种新型的三维力检测结构,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力信息的要求。

图1 压阻效应示意图

1.3 验证

本文设计的三维力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,因此在外加压力的作用下力敏导电橡胶的总电阻为R=Rv+2Rs,如图1中的压阻效应示意图所示。文献[11]中,KarstenWeiss等人对此提出了力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力敏导电橡胶内部来测量体电阻的压阻效应。由于导线固定并粘接在力敏导电橡胶内部,消除了导线的界面压阻效应,测出的数据即为体电阻Rv;第二组数据是把力敏导电橡胶置在两个圆形铜板电极之间测量,总的电阻R=Rv+2Rs。总的电阻灵敏度为

F=Fv+GFs

3)

1 基本理论

1.1 体压阻效应

力敏导电橡胶的体压阻效应可解释为[7,8],力敏导电橡胶在受到力作用后,导电粒子之间的距离发生变化,改变了材料的导电性,并引起体电阻的变化,如图(1)中Rv所示。根据导电链势垒隧道效应,可以得到复合材料的体电阻Rv,用公式可表示为[9]

m

Rv=(1)

pwm

在公式(1)中,m为单位面积复合体的导电粒

2

子数目,Rm为导电粒子电阻,k为单位面积内导电链

,t,p。

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