聶 操

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，智能機器人在人們生產(chǎn)生活中發(fā)揮著重要作用，人機交互日益頻繁，具備觸覺感知功能是智能機器人的一個重要特征。機器人電子皮膚(e-skin)是由覆蓋在機器人表面大面積、柔性、具有觸覺感知和數(shù)據(jù)處理功能的傳感器陣列構(gòu)成，是僅次于機器人視覺獲取環(huán)境信息的重要感知形式[1～4]。具備觸覺感知的機器人柔性電子皮膚是保障機器人與環(huán)境交互安全性、智能性、精準(zhǔn)性，以及復(fù)雜動態(tài)環(huán)境下實現(xiàn)機器人與人之間的協(xié)同作業(yè)、對環(huán)境信息的精準(zhǔn)、多模態(tài)感知的重要因素。

傳統(tǒng)硅基、金屬應(yīng)變片式機器人觸覺傳感器在柔性、延展性及穿戴舒適性等方面存在一定的弊端，為模擬人體皮膚觸覺感知功能，在外形結(jié)構(gòu)及感知功能方面，設(shè)計具備柔性、可拉伸性、高靈敏度以及可大面積穿戴等特點的觸覺傳感器成為機器人柔性電子皮膚的研究熱點。柔性觸覺傳感器可分為電阻式、壓電式、光電式和電容式等幾類[5～7]。對于機器人電子皮膚觸覺傳感器而言，兼?zhèn)涓呷嵝?、高彈性和高精度測量等特點是柔性觸覺傳感器設(shè)計所面臨的主要難題。

觸覺傳感器中設(shè)計微結(jié)構(gòu)是提升其靈敏度的常用方法之一，常見微結(jié)構(gòu)有金字塔、觸須狀、凹凸?fàn)畹萚8～12]。Park J等人[13]以碳納米管填充聚二甲基硅氧烷(poly dimethyl siloxane,PDMS)為敏感材料，制備具有圓頂陣列結(jié)構(gòu)的高靈敏度觸覺傳感器，可實現(xiàn)對法向力、切向力、彎曲以及扭力等檢測。高麗大學(xué)Choong C L等人[14]在金字塔微結(jié)構(gòu)柔性基體表面包裹一層導(dǎo)電聚合物，利用在觸覺力作用下，金字塔微結(jié)構(gòu)與電極間接觸電阻和體電阻發(fā)生變化，以實現(xiàn)高靈敏度觸覺感知。研發(fā)具有柔性、高靈敏度觸覺感知功能的電容式觸覺傳感器仍是機器人柔性電子皮膚研究中所面臨的問題之一。

本文依據(jù)壓阻理論和接觸力學(xué)相關(guān)理論，分析微圓頂結(jié)構(gòu)參數(shù)對柔性觸覺傳感器壓敏特性的影響，通過數(shù)學(xué)接觸模型和ANSYS有限元仿真論述微圓頂結(jié)構(gòu)有利于提升柔性觸覺傳感器靈敏度，對高靈敏度柔性觸覺傳感器設(shè)計具有重要意義。

1 微圓頂結(jié)構(gòu)與觸覺感知機理

微圓頂結(jié)構(gòu)柔性觸覺傳感器力覺敏感單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)所示，選擇碳納米管/炭黑/硅橡膠導(dǎo)電復(fù)合材料制備壓敏單元，上下兩微圓頂結(jié)構(gòu)柔性壓敏單元相互接觸。圖1(b)為微圓頂結(jié)構(gòu)柔性觸覺傳感器觸覺感知機理示意圖，在外力作用下，上下兩微圓頂受力發(fā)生壓縮形變，其中，碳納米管—碳納米管、炭黑—炭黑以及碳納米管—炭黑導(dǎo)電相所形成有效導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)(通路)在硅橡膠母體中變化規(guī)律和微圓頂接觸面的變化是構(gòu)成其拉伸應(yīng)變敏感的主要機制。

碳納米管/炭黑/硅橡膠力敏材料中，炭黑與碳納米管和硅橡膠高分子相互作用，其協(xié)同補強效應(yīng)可形成類似“葡萄串”結(jié)構(gòu)且具備良好電學(xué)與力學(xué)性能的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)[15～17]。依據(jù)滲流理論和導(dǎo)電通路理論，當(dāng)導(dǎo)電相含量達(dá)到滲流閾值時，碳納米管/炭黑兩相填料在硅橡膠基體中形成由“點—點”、“點—線”以及“線—線”組成類似“葡萄串”結(jié)構(gòu)的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，兩相導(dǎo)電填料間協(xié)同導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)有助于提升導(dǎo)電復(fù)合材料的電學(xué)穩(wěn)定性和機械重復(fù)性。微圓頂結(jié)構(gòu)在外力作用下發(fā)生壓縮形變和接觸形變，從而引起導(dǎo)電相在柔性基體中有效導(dǎo)電通路發(fā)生變化，因此，研究微圓頂結(jié)構(gòu)柔性觸覺傳感器在外力作用下的形變特點以及微圓頂結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對壓阻特性的影響，對提升柔性觸覺傳感器靈敏度具有重要意義。

圖1 微圓頂結(jié)構(gòu)柔性觸覺傳感器敏感機敏

2 接觸模型與ANSYS仿真分析

2.1 接觸模型分析

圖2 微圓頂結(jié)構(gòu)接觸模型

則A，B兩點間的距離為

(1)

當(dāng)微圓頂接觸面在法向力作用下相互作用時會產(chǎn)生圓形接觸面，將距離接觸面較遠(yuǎn)的兩點因擠壓而相互接近的距離記為η，若A，B兩點在擠壓時重合，則η-(d1+d2)表示A，B在重合后沿接觸面法線方向繼續(xù)產(chǎn)生的位移，A，B各自繼續(xù)發(fā)生的位移分別記作，ω1和ω2，可得

(2)

=(k1+k2)?qdsdφ

(3)

(4)

圖3 微圓頂結(jié)構(gòu)受壓力作用時接觸面積

(5)

r取不同值時，若上式均能滿足，則

(6)

q0/l與半球體積的乘積等于總壓力F，則

(7)

最大壓力

(8)

將式(2)和式(8)代入式(6)可得

(9)

上式表示了結(jié)合粗半徑與外加壓力之間的函數(shù)關(guān)系，通過幾何不等式變換，可以看出，對于微圓頂結(jié)構(gòu)柔性觸覺傳感器(R1+R2一定)，上下微圓頂曲率半徑保持對稱，即R1=R2有利于提升柔性觸覺傳感器的靈敏度。此外，相對于任意形狀的曲面(改變曲率半徑R)，半球型微結(jié)構(gòu)有利于接觸半徑l隨作用力F的變化保持較好的線性度。

2.2 ANSYS仿真分析

柔性觸覺傳感器微圓頂結(jié)構(gòu)接觸屬于柔體—柔體接觸，受力作用時，微圓頂結(jié)構(gòu)相互擠壓，產(chǎn)生圓形接觸面，屬于面—面接觸，且接觸的表面應(yīng)包含不會滲透、可傳遞法向壓縮力和切向摩擦力、通常不可傳遞法向拉伸力等特征。ANSYS Workbench支持幾何模型導(dǎo)入，利用SolidWorks對微圓頂結(jié)構(gòu)柔性觸覺傳感器進(jìn)行建模，導(dǎo)入ANSYS Workbench后設(shè)置材料屬性、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置及添加載荷，經(jīng)后處理獲得微圓頂接觸信息。圖4為施加10 N法向力作用時微圓頂接觸形變仿真結(jié)果，可以看出，法向力作用下，微圓頂受力發(fā)生接觸形變(圖4(a))且接觸面為圓形(圖4(b))，形變由中心至外側(cè)遞減，與數(shù)學(xué)模型中的分析保持一致。

圖4 法向力作用下微圓頂接觸形變仿真結(jié)果

圖5為施加10 N法向力作用和4 N切向力作用時微圓頂接觸形變仿真結(jié)果，相較于單獨方向力作用，可以看出，切向力作用下，上微圓頂接觸面沿切向力方向發(fā)生偏移，接觸面積與法向力單獨作用時有所減小。微圓頂結(jié)構(gòu)柔性觸覺傳感器不僅可實現(xiàn)法向力觸覺感知，也可以實現(xiàn)切向力觸覺感知，可用作智能機器人用柔性電子皮膚。

圖5 切向力作用下微圓頂接觸形變仿真結(jié)果

根據(jù)式(8)和式(9)可計算不同壓力下微圓頂結(jié)構(gòu)最大接觸壓力與接觸半徑，通過ANSYS有限元仿真不同法向力作用下接觸半徑與最大接觸壓力，表1為不同壓力下接觸面最大壓力q0值與仿真值對比結(jié)果，表2為不同壓力下接觸面接觸半徑l值與仿真值對比結(jié)果。最大接觸力和接觸半徑的數(shù)值解析值與仿真值基本吻合，對比結(jié)果表明，文中微圓頂結(jié)構(gòu)柔性觸覺傳感器接觸模型與ANSYS仿真結(jié)果保持了良好的一致性。

表1 不同壓力下接觸面最大壓力q0值與仿真值對比

表2 不同壓力下接觸面接觸半徑l值與仿真值對比

前文分析了微圓頂結(jié)構(gòu)柔性觸覺傳感器的敏感機理，為進(jìn)一步驗證文中微圓頂結(jié)構(gòu)柔性觸覺傳感器具有較高的靈敏度，碳納米管/炭黑/硅橡膠導(dǎo)電復(fù)合材料分別制備無微結(jié)構(gòu)和微圓頂結(jié)構(gòu)柔性觸覺敏感單元，測得其壓力—電阻曲線如圖6所示。

圖6 微圓頂結(jié)構(gòu)柔性觸覺傳感器壓力—電阻曲線

可以看出，微圓頂柔性觸覺傳感器具有較高的觸覺感知靈敏度。

3 結(jié) 論

針對高靈敏度柔性觸覺傳感應(yīng)用需求，依據(jù)壓阻理論和接觸力學(xué)，結(jié)合數(shù)值分析模型與ANSYS有限元分析闡述微圓頂結(jié)構(gòu)幾何模型對柔性觸覺傳感器性能的影響。數(shù)值解析與仿真結(jié)果保持良好的一致性，驗證了文中提出微圓頂結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)接觸模型的正確性，同時，論述了通過設(shè)計微圓頂結(jié)構(gòu)有助于提升柔性觸覺傳感器的靈敏度和線性度，為高靈敏度柔性觸覺傳感器設(shè)計提供了設(shè)計方案。