基于導電橡膠的柔性壓力/溫度復合感知系統*

田合雷，劉 平，郭小輝，劉彩霞，黃 英，

(1.合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院，安徽 合肥230009;2.合肥工業大學 電子科學與應用物理學院，安徽 合肥230009)

0 引 言

機器人皮膚所獲取的信息與機器人視覺具有互補性，是機器人與環境直接作用的媒介，柔性復合導電材料的電阻在外加壓力或溫度場的作用下呈現規律性變化，常用于制作機器人敏感皮膚［1］。2008 年，東京大學Someya 研究小組以單壁碳納米管摻雜的偏二氟乙烯—六氟丙烯共聚物作為橡膠涂層，并配合有機晶體管制成具有良好機械和電學特性的柔性傳感器陣列［2］。2008 年，國立臺灣大學楊燿州研究小組利用微機電技術，制作了以炭黑/聚二甲基硅氧烷作為壓力和溫度敏感單元的大面積壓力/溫度傳感器陣列，對不同外形物體形成的壓力場進行了模擬［3］。2009 年，國立臺灣成功大學林裕城研究小組利用絲網印刷技術，制作了以炭黑/酚醛樹脂作為壓力敏感單元的壓阻陣列，對來自人手的壓力進行了檢測［4］。2011 年，斯坦福大學鮑哲南研究小組將碳納米管的懸浮液噴涂到有機硅材料的表面，經雙向拉伸后，碳納米管會形成類似彈簧的微結構，但仍保持著原來的導電性能［5］。本項目組與中科院合肥智能所合作開展柔性多維力觸覺傳感皮膚研究較早，在柔性觸覺傳感器研究方面已取得較多成果［6～10］。可見，目前大部分研究集中于壓力測量，對壓力/溫度的同步測量研究較少。

針對智能機器人皮膚研究過程中壓力和溫度信息的同步測量，研究小組在文獻［11］中采用碳納米管/炭黑/硅橡膠和碳纖維/硅橡膠分別制作了力和溫度敏感材料，并設計了一種柔性三維力/溫度復合傳感器陣列信號采集與溫度補償系統。在前一工作的基礎上，為進一步簡化傳感單元的制作和提高傳感器陣列的分辨率，使傳感器的壓力和溫度檢測達到更高程度的復合，本文采用導電石墨烯/炭黑/橡膠同時制作壓力和溫度敏感單元，并設計相應的信號采集電路與程序，實時檢測壓力和溫度信息。

1 壓力/溫度敏感導電橡膠

1.1 炭黑/橡膠的電阻—壓力/溫度特性

圖1 為導電炭黑/橡膠的電阻—壓力特性，保持溫度恒定(25 ℃)。在所加力 范圍內(0 ～0.55 MPa，ΔF=0.05 MPa)，質量分數為8%樣品的電阻呈現負壓力系數(NPC)在經過下降之后趨于穩定;填料質量分數為10%，12%樣品的電阻先下降，經過穩定之后又呈正壓力系數(PPC)上升。NPC 效應的產生是由于外力使得導電粒子的平均密度增大導致電阻率下降。此外，壓力作用下材料厚度的減小也會使電阻減小。PPC 效應可能是由于外加壓力過大，導電網絡出現損傷，隨著填料質量分數的增大，NPC向PPC 轉化的臨界壓力會逐漸減小。

圖1 導電炭黑/橡膠的電阻—壓力特性Fig 1 Resistance-pressure character of conductive CB/rubber

圖2 為導電炭黑/橡膠的電阻—溫度特性，預加壓力為0.05 MPa。可見，在所加溫度范圍內(25 ～90 ℃，ΔT=5 ℃)，質量分數為8%，10%，12%樣品的電阻均先呈NTC下降，經過穩定之后又呈PTC 上升。導電橡膠的電阻隨壓力和溫度的變化分別呈現NPC 和PPC 效應、NTC 和PTC效應，這主要與復合導電材料中力學網絡和電學網絡的結構有關。復合導電材料中高分子基體以三種形式存在:1)未被導電填料吸附的大分子鏈，能進行自由微布朗運動;2)相互交聯的高分子鏈，分子運動受到一定限制;3)吸附在導電填料表面致密的高分子殼層。吸附在導電填料表面的高密度分子殼與具有彈性的大分子鏈和高交聯分子鏈相連，構成力學網絡。當導電填料達到一定質量分數時，導電填料聚集體接近到一定距離或者直接接觸而形成電學網絡。力學網絡與電學網絡相互穿插，成為兼有力學性能和電學性能的超網絡結構。

圖2 導電炭黑/橡膠的電阻—溫度特性Fig 2 Resistance-temperature character of conductive CB/rubber

炭黑質量分數較小時，壓力作用下使得新構成的導電網絡比被破壞的導電網絡多，在實驗壓力范圍內，僅表現出NPC 效應。隨著炭黑質量分數增大，炭黑/橡膠的主要導電機理由隧道效應轉變為直接接觸導電，當壓力增大到一定時，被破壞的導電網絡比新構成的導電網絡多，導電炭黑/橡膠呈現出PPC 效應。在溫度作用下，導電炭黑/橡膠體積膨脹會導致導電粒子間間隙的增大而使電阻率上升;而溫度升高又使炭黑粒子間的電子躍遷的幾率增大導致電阻率出現下降。在一定溫度之前，包覆在炭黑表層處于轉化區的橡膠殼吸收熱而松弛軟化，填料聚集體之間的間隙減小，炭黑粒子間的電子躍遷的幾率增大，呈現NTC 效應。溫度繼續上升，熱膨脹起主導作用，導電炭黑/橡膠出現PTC 效應。

1.2 石墨烯/炭黑/橡膠的電阻—壓力/溫度特性

由于石墨烯具有優異的力學、電學性能，可利用石墨烯的高電子遷移率提高復合材料的導電特性，此外，高結構炭黑可以降低吸附在石墨烯上的硅橡膠殼層厚度，降低石墨烯間的電子躍遷勢壘，促進石墨烯間的電子躍遷，提升復合材料的導電性能。吸附在高結構炭黑表面的高粘度橡膠殼還能對硅橡膠母體具有補強作用，提高石墨烯/炭黑/硅橡膠復合導電材料中力學網絡的重復性。本工作以導電石墨烯(質量分數為4%)/炭黑(質量分數為0.3%)/橡膠復合材料作為壓力/溫度敏感材料，其電阻—壓力/溫度特性曲線如圖3 所示。可見，在實驗所加壓力和溫度范圍內，導電石墨烯/炭黑/橡膠呈現良好的NPC 效應和PTC 效應。

圖3 導電石墨烯/炭黑/橡膠的電阻—壓力/溫度特性Fig 3 Resistance-pressure/temperature character of conductive GP/CB/rubber

2 柔性壓力/溫度復合感知系統

2.1 柔性壓力/溫度復合感知系統硬件設計

圖4 為柔性壓力/溫度復合感知系統框圖，該系統主要分為下位機對電阻式觸覺傳感陣列的信號采集與上位機實時顯示壓力/溫度信息。

圖4 柔性壓力/溫度復合感知系統Fig 4 Flexible pressure/temperature perceptual system

選用ATmel 公司的高性能、低功耗Mega128 作為微控制器，其內部資源豐富，節約系統開發周期。對于A/D 轉換器選用具有PGA、易驅動電路和I2C 接口的16 位、16 通道△∑ADC－LTC2495。此外，其內部自帶集成高精度溫度傳感器作為溫度補償，LTC2495 具有27 個器件地址，意味著在同一I2C 串行總線上可以掛接多個LTC2485A/D 轉換器件，采集大面積電阻式傳感陣列的信號。目前，對于電阻式觸覺傳感陣列的信號采集主要分為單點采樣和行列掃描兩種方式，單點采樣可以解決耦合干擾，但隨著陣列數增加，傳感器陣列數據采樣的實時性較低［12～14］。本文為提高電阻式觸覺傳感陣列數據采樣速率和消除行列掃描存在的耦合噪聲，提出了如圖5 的12×12 電阻式傳感陣列信號采集原理圖。與傳統行列掃描相比，所提出的陣列信號采集系統通過單刀雙擲開關ADG734 將待轉換列接參考電壓，其余列懸空，完成該列中12 行電阻式觸覺傳感信息實時采樣，不僅提高觸覺傳感陣列的采樣速率，也消除各觸覺敏感單元間的交叉干擾。電平調理模塊完成對行觸覺敏感單元信號進行差分電橋放大、濾波等處理，經電平調理模塊后傳至LTC2495 進行A/D 轉換。

2.2 柔性壓力/溫度復合感知系統軟件設計

柔性壓力/溫度復合感知系統下位機軟件流程圖如圖6(a)所示，主要完成對觸覺傳感陣列敏感信息的采集與通過串口將數據包發至上位機實時顯示功能。微處理器完成一次陣列掃描后按預定通信協議格式將數據打包發送至上位機。柔性壓力/溫度復合感知系統上位機開發選取圖形化編程開發平臺LabVIEW，其具備強大的實時數據處理功能與顯示功能，其內部自帶的函數庫能較方便對數據進行更高級的運算和處理，新增3D 傳感器映射功能支持用戶導入自定義CAD 模型，在LabVIEW 前面板上便于區分獨立傳感器輸出的新特性，具有數據可視化特點，提高測試效率。上位機軟件流程如圖6(b)所示，接到下位機發送的新數據，解析數據包并判斷無誤后顯示實驗結果。

圖5 12×12 傳感陣列信號采集原理圖Fig 5 Signal acquisition principle diagram of 12×12 sensor array

圖6 柔性壓力/溫度復合感知系統軟件Fig 6 Software of flexible pressure/temperature perceptual system

3 實驗與討論

3.1 傳感器標定與誤差分析

壓力標定實驗結果如表1 所示，可以看出相對誤差均低于8%。

表1 壓力傳感器實驗與誤差Tab 1 Experiments and errors of pressure sensor

表2 為溫度標定實驗及結果，可以看出相對誤差均低于6%。

表2 溫度傳感器實驗與誤差Tab 2 Experiments and errors of temperature sensor

其誤差產生的原因主要是:1)炭黑填充硅橡膠屬于一種復合高分子材料，具有粘彈性，材料的蠕變特性會導致等效電阻率發生變化，在測量時引入誤差;2)石墨烯/炭黑/硅橡膠復合材料同時具有溫敏和力敏特性，在進行力敏感知時會受到待測物體溫度的交叉干擾。

3.2 壓力/溫度實驗結果與分析

將一正方形鐵框(外部尺寸為6.5 cm×6.5 cm，壁厚0.5 cm)在恒溫箱中加熱至100 ℃，然后置于柔性壓力/溫度傳感器陣列上，測得壓力/溫度分布如圖7 所示。存在壓力加載的復合傳感器行與列電阻減小;存在溫度輻射作用的復合傳感器行與列電阻增大。各個敏感單元檢測到的壓力/溫度的一致性較好，表明敏感材料具有良好的均一性。此外，還對該正方形鐵框在室溫下置于柔性壓力/溫度傳感器陣列上進行了實驗，通過對實驗數據的分析，發現其電阻減小值與存在溫度時電阻減小值相差較小，表明較大壓力作用下的溫度干擾可以忽略。

圖7 壓力/溫度實驗Fig 7 Experiment of pressure/temperature

4 結 論

本文以石墨烯/炭黑/硅橡膠復合材料同時作為壓力和溫度敏感材料，聚酰亞胺作為柔性基底，設計了一種應用于智能機器人皮膚可大面積成型的柔性壓力/溫度復合感知系統。同時，采用高性能微處理器Mega128 和LabVIEW 分別搭建了柔性壓力/溫度復合感知系統的信號采集電路與人機交互界面，對壓力與溫度數據進行分析、處理和顯示。結果表明:壓力標定實驗的相對誤差小于8%，溫度標定實驗的相對誤差小于6%，達到了設計要求。該壓力/溫度復合傳感器陣列具有簡單的制作工藝，易于大面積成型，實現了機器人皮膚智能度的進一步提升。

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