基于摩擦起電和靜電感應(yīng)控制的機(jī)器人觸覺系統(tǒng)

張善淳， 邱 宇， 李 冰， 羅嘉誠(chéng)， 陳 輝

(大連理工大學(xué) 物理學(xué)院， 遼寧 大連 116024)

0 引 言

觸覺是機(jī)器人獲得環(huán)境信息的一種重要知覺形式，其主要目的是通過對(duì)機(jī)器人與對(duì)象、環(huán)境相互作用時(shí)的一系列物理特征量進(jìn)行檢測(cè)，獲取對(duì)象與環(huán)境信息或完成某種作業(yè)任務(wù)，是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)與環(huán)境進(jìn)行直接作用的重要媒介[1-4]。自上世紀(jì)70年代提出以來，研制滿足要求的觸覺傳感器一直是機(jī)器人發(fā)展中的技術(shù)關(guān)鍵之一[5-6]。機(jī)器人觸覺系統(tǒng)主要采用力傳感器、溫度傳感器和磁傳感器等[7-9]，這些傳統(tǒng)的觸覺傳感器通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體型龐大、難以安裝，并且通常需要連續(xù)激勵(lì)才能正常工作，以至于所取得的成果大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段，不能很好地滲透到日常生產(chǎn)中去。因此，希望能夠通過研制一種新型觸覺傳感器克服普通傳感器的種種缺陷，使之更容易地融入到基礎(chǔ)生產(chǎn)生活中去。

近年來，王中林開發(fā)了一種微型摩擦發(fā)電機(jī)(Triboelectric Nanogenerator,TENG)，它能夠利用摩擦生電和靜電感應(yīng)原理將環(huán)境中的機(jī)械能(例如：人的行走/胳膊擺臂、氣流運(yùn)動(dòng)、流水等)轉(zhuǎn)換為電能。TENG具有綠色環(huán)保、安全性好、體積質(zhì)量小、成本低等突出優(yōu)點(diǎn)，因此使其在可穿戴傳感器、自驅(qū)動(dòng)觸感器等方面很大的潛力[10-18]。本文介紹一種基于摩擦生電和靜電感應(yīng)原理為基礎(chǔ)控制的自驅(qū)動(dòng)觸覺傳感器，它具有結(jié)構(gòu)明易、操作簡(jiǎn)單，能夠自鎖運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，并且該結(jié)構(gòu)使機(jī)器人擁有薄而柔的觸覺面，讓機(jī)器人能夠大面積觸覺感知外界環(huán)境的出發(fā)信號(hào)，從而使該機(jī)器人觸覺系統(tǒng)能夠應(yīng)用于許多現(xiàn)有系統(tǒng)不適用的復(fù)雜場(chǎng)合和更惡劣環(huán)境中，提升了機(jī)器人觸覺系統(tǒng)的實(shí)用性和應(yīng)用范圍。

1 觸覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 基于摩擦感應(yīng)控制機(jī)器人觸覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本機(jī)器人觸覺系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)由摩擦靜電感應(yīng)模塊、控制電路模塊和工作電路模塊三部分組成。其中，摩擦靜電感應(yīng)模塊由兩組摩擦片構(gòu)成，分別與控制電路的自鎖和解鎖觸發(fā)端相連，在外界提供激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)，以起到激活對(duì)應(yīng)電路的作用?？刂齐娐纺K直接與工作電路模塊相連，在接受到摩擦片的電信號(hào)后激活對(duì)應(yīng)的功能：自鎖觸發(fā)端可以使電路開始并自鎖運(yùn)轉(zhuǎn)；解鎖觸發(fā)端可以解除自鎖狀態(tài)，使電路停止工作。工作電路模塊依據(jù)所需功能進(jìn)行相應(yīng)選擇，在自鎖激活后依靠電源持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。其工作方式如圖1所示，分為“單電極觸發(fā)”和“雙電極觸發(fā)”兩種方式，這兩種方式在結(jié)構(gòu)上略有不同，但觸覺系統(tǒng)的工作原理完全相同。

(a) 單電極觸發(fā)型(b) 雙電極觸發(fā)型

圖1 兩種電極觸發(fā)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

1.2.1摩擦起電和靜電感應(yīng)的工作原理

摩擦起電和靜電感應(yīng)是王中林教授在2012年提出的摩擦納米發(fā)電機(jī)的原理,其主要是利用摩擦起電和靜電感應(yīng)的耦合將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。圖2是摩擦靜電感應(yīng)工作原理示意圖。本系統(tǒng)中，兩個(gè)摩擦片可以采用摩擦電極序差異較大的兩種材料，例如本系統(tǒng)中分別采用聚四氟乙烯和銅箔作為摩擦層。當(dāng)材料1和2相互接觸摩擦?xí)r，由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部?jī)蓪幽Σ翆又g的摩擦電極性差異而引起電荷轉(zhuǎn)移，進(jìn)而利用靜電感應(yīng)作用會(huì)形成電勢(shì)差[19-20]。當(dāng)摩擦片分離后，具有相反電荷的兩個(gè)表面自動(dòng)分開。為了平衡該電勢(shì)，通過靜電感應(yīng)在背部電極板上感應(yīng)出相反電性的電荷。由于兩個(gè)感應(yīng)電極極板通過導(dǎo)線連同，在外部電路形成瞬間電流。通過兩摩擦片接觸、分離產(chǎn)生的摩擦電信號(hào)或相互靠近、遠(yuǎn)離時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)作用于控制電路，控制工作電路開啟或關(guān)閉，進(jìn)而控制機(jī)器人做出指令動(dòng)作。

圖2 摩擦起電和靜電感應(yīng)工作原理示意圖

1.2.2控制電路的具體結(jié)構(gòu)和工作原理

控制電路圖如圖3所示，包括自鎖電路模塊(粉色框部分)：由PNP 型三極管Q1、NPN 型三極管Q2、分壓電阻R1和R2組成。具體結(jié)構(gòu)：Q1的集電極通過R1與Q2的基極相連，Q2的集電極通過R2與Q1的發(fā)射極相連，Q1的基極通過導(dǎo)線與Q2的集電極相連；自鎖觸發(fā)電路模塊(紅色框部分)，由NPN 型三極管Q3、電源E1、分壓電阻R3和R4，以及自鎖觸發(fā)端A 端構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)：Q3基極通過R4與自鎖觸發(fā)端A 端相連，發(fā)射極與電源負(fù)極相連，電源正極通過R3與Q2基極相連。

圖3 系統(tǒng)中控制電路電路圖

解鎖觸發(fā)電路模塊(藍(lán)色框部分)：由NPN 型三極管Q4、NPN 型三極管Q5、電源E2、分壓電阻R5和R6，以及解鎖觸發(fā)端B 端構(gòu)成，具體體結(jié)構(gòu)為：Q4的基極通過電阻R6與解鎖觸發(fā)端B 端相連，管發(fā)射極與源負(fù)極相連，電源正極通過電阻R5與Q5的基極相連，Q5的集電極與Q1基極相連。工作時(shí)，該自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用的控制方法包括如下步驟：

(1) 自鎖觸發(fā)階段。與自鎖觸發(fā)端相連的一對(duì)摩擦片通過上述原理作用于自鎖觸發(fā)端A，使Q3基極產(chǎn)生高電勢(shì)，Q3導(dǎo)通，使Q2基極形成高電勢(shì)，Q2導(dǎo)通，完成自鎖觸發(fā)。

(2) 自鎖階段。在Q2導(dǎo)通的基礎(chǔ)上，Q2基極的高電勢(shì)會(huì)引起Q1基極點(diǎn)位被拉低，同樣滿足導(dǎo)通條件，于是Q1導(dǎo)通，之后，PNP型三極管Q1會(huì)持續(xù)給NPN型三極管Q2提供高電勢(shì)，使Q2保持導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)自鎖。

(3) 解鎖觸發(fā)階段。與解鎖觸發(fā)端相連的一對(duì)摩擦片通過上述原理作用于控制電路解鎖觸發(fā)端B 端，解鎖觸發(fā)電路模塊中NPN 型三極管Q4基極產(chǎn)生高電勢(shì)，三極管Q4導(dǎo)通，解鎖觸發(fā)電路模塊中NPN 型三極管Q5基極產(chǎn)生高電勢(shì)，三極管Q5導(dǎo)通，自鎖電路模塊中NPN 型三極管Q2基極電位被拉低，完成解鎖觸發(fā)。

(4) 解鎖階段。自鎖電路模塊中NPN 型三極管Q2基極電位被拉低，PNP 型三極管Q1基極形成高電勢(shì)，三極管Q1和Q2均截止，實(shí)現(xiàn)解鎖。

2 實(shí)際應(yīng)用

摩擦納米發(fā)電機(jī)是一種可以將極其微小的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的一種新型發(fā)電裝置，因此在新型觸覺系統(tǒng)中，應(yīng)用此原理的摩擦片也可以通過極弱的碰撞、摩擦等接觸或摩擦片的短程接近或遠(yuǎn)離發(fā)出能夠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電信號(hào)。圖4為使用手指周期性按動(dòng)摩擦片時(shí)所產(chǎn)生的電信號(hào)大小得到交流信號(hào)，電壓輸出值約為10 V，足以達(dá)到使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)運(yùn)行的電壓值，可見，基于此觸覺系統(tǒng)無需高額能量供給就可以正常運(yùn)作，能夠應(yīng)用于多種日常生活中。

圖4 摩擦起電和靜電感應(yīng)產(chǎn)生的觸發(fā)電壓信號(hào)

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)量結(jié)果

由于工作電路的多樣性，該觸覺系統(tǒng)的應(yīng)用也多種多樣，在完成設(shè)計(jì)后，主要將其應(yīng)用到兩個(gè)系統(tǒng)中。

(1) 機(jī)器人觸覺喇叭系統(tǒng)。將工作電路連接至音頻播放系統(tǒng)，通過人工操控摩擦片相互接觸或接近，在控制電路的自鎖觸發(fā)端處產(chǎn)生一個(gè)高電位信號(hào)，通過上述原理，喇叭系統(tǒng)被激活，連續(xù)播放提前輸入的信號(hào)；同樣地，當(dāng)摩擦片相互分離或遠(yuǎn)離時(shí)，產(chǎn)生的反向信號(hào)(即低點(diǎn)位信號(hào))作用于解鎖觸發(fā)端，使喇叭系統(tǒng)停止播放。通過改變摩擦級(jí)的機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑵涔ぷ饔|發(fā)方式由按住、松開觸發(fā)轉(zhuǎn)換為第1次按動(dòng)觸發(fā)，第2次按動(dòng)停止，能夠融入日常生活中大部分喇叭系統(tǒng)(如門鈴)之中。

(2) 自動(dòng)供水系統(tǒng)。將工作電路連接至接通水源電動(dòng)球閥，按住摩擦級(jí)在自鎖觸發(fā)段產(chǎn)生一個(gè)高位電信號(hào)，通過上述原理使球閥開始工作，將水從水源抽出，實(shí)現(xiàn)供水；松開摩擦片，產(chǎn)生的低電位作用于解鎖觸發(fā)端，球閥停止工作，水位自然下落，停止供水。同樣地，其觸發(fā)方式可以改造位按動(dòng)式，相當(dāng)于飲水機(jī)的一鍵出水功能。

(a) 開始出水(b) 停止供水

圖5 摩擦起電和靜電感應(yīng)控制自動(dòng)供水系統(tǒng)的照片

實(shí)際上，由于觸發(fā)信號(hào)的摩擦極是基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理制成的，其觸發(fā)方式不僅僅依靠于人手的操作，還可以依靠聲波、潮汐、風(fēng)力等多種方式觸發(fā)，并且能與以其為基礎(chǔ)的觸覺系統(tǒng)匹配的工作電路種類廣泛，所以實(shí)際應(yīng)用空間前景廣闊，在娛樂、醫(yī)療、制造業(yè)等很多方面都有較大應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于微型磨擦納米發(fā)電機(jī)原理的機(jī)器人觸覺系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)的機(jī)器人觸覺系統(tǒng)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小等優(yōu)點(diǎn)。在工作方式上，它只需要微小的機(jī)械能供給就能實(shí)現(xiàn)自鎖運(yùn)行，不再需要連續(xù)激勵(lì)就能正常工作。這種自驅(qū)觸覺系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用到日常生產(chǎn)中的簡(jiǎn)易裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)工作元件依靠接觸或接近遠(yuǎn)離的感應(yīng)自驅(qū)動(dòng)連續(xù)工作，初步體現(xiàn)應(yīng)用于為門鈴，飲水機(jī)等方面，相信隨著研究的深入應(yīng)用范圍會(huì)有很大提升，因此繼續(xù)研究這種新原理的機(jī)器人觸覺系統(tǒng)有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。