基于凝膠材料的分布式柔性觸覺感知測(cè)試電路

武尚卿+苑婷婷+劉可+何斌

摘 要 本文設(shè)計(jì)并研制了一種新型柔性分布式觸覺感知系統(tǒng)。其基于離子水凝膠為基本材料，建立觸覺傳感器模型的理論與機(jī)理，設(shè)計(jì)并制作的感知層與定位層，分別可以感知力的大小與方向，由此實(shí)現(xiàn)柔性皮膚觸覺感知。這種感知系統(tǒng)可用作構(gòu)建軟體機(jī)器人，對(duì)復(fù)雜環(huán)境下具有較高的適應(yīng)性，在救援、軍事行動(dòng)、生物、醫(yī)療研究等領(lǐng)域具極強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】觸覺感知 柔性 離子凝膠 軟體機(jī)器人

1 引言

隨著微機(jī)電技術(shù)特別是微型仿生機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的氣缸、電機(jī)等剛性驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)不能滿足仿生機(jī)器人系統(tǒng)高靈活性、高冗余度和高負(fù)載/體重比的應(yīng)用需求，學(xué)者們研制出了多種新型活性軟質(zhì)材料，并對(duì)其在柔性驅(qū)動(dòng)器方面的應(yīng)用進(jìn)行了一系列探索。其難點(diǎn)在于人類觸覺感知過程很難被模仿并且制作材料缺乏并且制作工藝有限。

2 凝膠作為感知模型的制備

2.1 感知層制備

感知層分為三部分材料，其中離子凝膠層位于中間，活性炭層覆蓋離子凝膠兩側(cè)，激流體鋁箔覆蓋最外層，其中離子凝膠仿生人體皮膚，同時(shí)為感知凝膠提供離子電荷，活性炭層用于物理吸附離子液體中的陰陽離子，鋁箔導(dǎo)出電荷，同時(shí)表面抗折疊按壓。如圖1所示。

底層離子膠體層文選用的離子液體為1-丁基-3- 甲基咪唑四氟硼酸鹽，底層離子凝膠載體材料為N，N-二甲基丙烯酰胺。化學(xué)性質(zhì)比較活潑，因而易于與各種單體發(fā)生共聚或均聚反應(yīng)。如圖2所示。

碳極與炭黑是制備電級(jí)的材料，其作用在于活性炭是具有極大比表面積及很強(qiáng)吸附，炭黑材料牢固地吸附著一些氣態(tài)碳?xì)浠衔锖推渌镔|(zhì)，二者混合物活性物質(zhì)吸附膠體的離子，因而使膠體形成電壓差，可吸附離子電荷，通過60%的分散液聚四氟乙烯（PTFE）形成吸附碳電極。

其制作過程為按比例加取8質(zhì)量的的活性炭與1質(zhì)量的炭黑，攪拌均勻，與1質(zhì)量的PTFE分散液相互混合，形成混合固液，同時(shí)加入20質(zhì)量ml的水與20質(zhì)量的乙醇，混合攪拌至凝固狀態(tài)，用玻璃棒反復(fù)搟壓，形成薄餅狀態(tài)，厚度約為0.5mm，同時(shí)放入120度烘箱中，設(shè)置烘烤12小時(shí)，制成碳極活性物質(zhì)層。

集流體可以把碳極材料所吸附的電子導(dǎo)出，并傳輸至外圍電路。裁切集流體金屬鋁箔與碳極板相同大小兩片，同時(shí)與碳極活性物質(zhì)粘連后貼在離子膠體層的兩側(cè)制備成可用的離子凝膠感知層。在集流體外圍接引導(dǎo)電刷，感知層膠體制備完成。如圖4所示。

2.2 定位層制備

定位層由單層離子凝膠構(gòu)成，由一層可以導(dǎo)電離子凝膠構(gòu)成，其優(yōu)點(diǎn)在于低電壓條件下，即可完成定位感知功能。

此種膠體主要由丙烯酰胺與氯化鋰制成導(dǎo)電膠。丙烯酰胺通常為無色透明片狀晶體，分子量其分子結(jié)構(gòu)示意圖如下，易溶于水，在酸堿環(huán)境中可水解成丙烯酸。LIcl為白色立方結(jié)晶或粉末，在基底層提供導(dǎo)電離子。

取14wt%的丙烯酰胺單體溶于水，加入交聯(lián)劑N，N—亞甲基雙丙烯酰胺（MBAA），熱引發(fā)劑（過硫酸鉀，APS）和催化劑（N，N，N′，N′四甲基乙二胺，TEMED），分別以摩爾比0.028mol%，0.031mol%和0.152mol%，溶解于丙烯酰胺溶液中，形成凝膠混合液，取2mol/L的氯化鋰溶液份，根據(jù)凝膠多少調(diào)整用量，混合于丙烯酰胺混合液中，攪拌均勻后，置于長(zhǎng)100mm，寬100mm的封閉容器內(nèi)，其中膠體內(nèi)四個(gè)定點(diǎn)是為膠體定位系統(tǒng)預(yù)留空間，50℃靜置3個(gè)小時(shí)候即可成膠。如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)電路

3.1 感知層電路

感知層導(dǎo)電可以歸納為離子電流、位移電流、電子電流的綜合作用，等效為電容與電阻路混連，其可以等效為RC等效電路模型，當(dāng)按壓力使得感知層發(fā)生形變，電容也隨即發(fā)生改變，由此可以按照測(cè)量電容變化，擬合得到力的大小變化。如圖6所示。

其中Re1，Re2表示上下兩極板電阻，R1表示驅(qū)動(dòng)器活性炭層與離子液體聚合物凝膠層的直流等效總電阻，R2表示表示驅(qū)動(dòng)器動(dòng)態(tài)等效電阻，C表示表示驅(qū)動(dòng)器電容。選用振蕩法測(cè)電容的充放電時(shí)間，硬件選型555振蕩發(fā)生器，如圖7所示。

通過555多諧振蕩器與外部電路與待測(cè)感知層電容相連，產(chǎn)生定時(shí)中斷被MCU即51單片機(jī)接受，此時(shí)該數(shù)據(jù)產(chǎn)生串口通訊由計(jì)算機(jī)接受，完成數(shù)據(jù)讀取。

感知層電路選用如圖8電路設(shè)計(jì)。

其計(jì)算原理在于

tpl=R2CxIn2

tph=（R1+R2）CxIn2

可推知

Cx=1.44/（R1+2R2）f

其中tpl555振蕩器低電平振蕩時(shí)間，tph為其高電平振蕩時(shí)間，R1、R2為并聯(lián)在555兩側(cè)的電阻，Cx為待測(cè)感知層電容值

由555定時(shí)器與外部元件R1、R2與待測(cè)電容構(gòu)成多諧振蕩器，觸發(fā)其引腳tri與thr值，這時(shí)電路沒有穩(wěn)態(tài)，電路僅通過R1、R2向待測(cè)電容Cx充電， 同時(shí)Cx接地進(jìn)行放電，從而使電路產(chǎn)生振蕩。根據(jù)充放電時(shí)間可以算出待測(cè)電容值。

3.2 定位層電路

定位層感知功能是通過在固定設(shè)置在對(duì)角線上等位點(diǎn)的四電極，此四電極并聯(lián)接入同一電流源，初始值為等電位電路，當(dāng)手指按壓觸碰時(shí)，形成完整回路，通過定義四個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)為（0 0）（0 1）（1 0）（1 1），當(dāng)觸摸不同位置時(shí)，四支路電流不同，按電流比例求取該定點(diǎn)位置。如圖9所示。

定位層膠體中離子電阻較大，各支路，電路中此時(shí)需搭建極微弱電流放大器電路，主要芯片用OPA129芯片，偏置電流低，放大器輸入電容小，噪聲較小，適合搭載微弱信號(hào)放大器。如圖10所示。

定位層設(shè)計(jì)電路圖如圖11所示。

整個(gè)電路放大倍數(shù)由opa129與輸入端并聯(lián)電阻有關(guān)，Vout=10|R|·Iin，通過MCU讀取opa129輸出電壓，可知其流經(jīng)該支路的輸入電流。

括感知力層與定位層上下結(jié)構(gòu)連接，中間通過VHB膠帶固定，有設(shè)計(jì)的電路部分可以感知力大小與力的方位。由此完成觸覺感知測(cè)試。

4 總結(jié)

隨著材料、化學(xué)等學(xué)科的快速發(fā)展，針對(duì)微型仿生機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用需求，學(xué)者們研制出了多種新型活性軟質(zhì)材料，并對(duì)其在柔性驅(qū)動(dòng)器方面的應(yīng)用進(jìn)行了一系列探索。本文針對(duì)柔性材料的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了分布式柔性觸覺感知系統(tǒng)，可感知力的大小與力的位置。在科學(xué)與工程領(lǐng)域具有實(shí)用意義，非常適合用作仿生柔性體機(jī)器人感知功能實(shí)現(xiàn)。

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作者簡(jiǎn)介

武尚卿（1991-），男，河南省安陽市人。碩士學(xué)歷。同濟(jì)大學(xué)電信學(xué)院。軟體機(jī)器人。

作者單位

同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 上海市 201800