新型柔性三维力温度触觉传感器阵列设计

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｔｏ
Ｓｅｎｓｏｒｓ
ａｌｔｅｍａｎｔ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｉｎ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｔａｃｔｉｌｅ
ａｒｒａｙ．Ｗ曲ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ
ｓｏｍｅ ｐａｒｔｓ ｏｆ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｎｅｗ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｏｒｃｅ／ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔａｃｔｉｌｅ ｓｅｎｓｏｒ ａｒｒａｙ Ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｅｆｆｅｃｔ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ
Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｗｅｒｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ． ｇｏｏｄ ｌｉｎｅａｒ． ｎｅｗ
度的同时测量，对柔性触觉传感器在体育、医疗、
生物等领域的应用具有积极的意义。
第８期增刊
陆伟等新型菜性二雏＾，温度触ｔ传堪＃阵判啦ｄ
２柔性传感器阵列设计
２
个表面布置电极的方式，采用只在导电橡胶的下表
面布置电极的结构有两方面的优点：力学敏感导电 檬腔柔软的上表面可以作为三维力传感器的接触
１阵列缩掏设计 图ｌ（ａ）为木文设训并制作的新型的测量三维力
△ｒ。
表面接触电阻减小，表现为ＲＩ、恐分别减小埘和
△联，与电极Ｃ、ｄ接触的导电橡胶受到拉伸，表面
接触电阻增大，表现为飓、厨分别增大△眉和叫。 同理Ｒ作用下，飓、Ｒ３分别减小喇和喇，Ｒｎ、
风分别增大删和删。足的作用下，与电极ａ卅
接触的导电橡胶均受到压缩，表而接触电阻减小，
表现为Ｒｌ一地分别减小衅～蛾。由上述分析可
ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ
ｓｅｎｓｏｒ
ｃｕｒｖｅｓ
ｏｆ ｂｏｔｌｌ
ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ
ｓｅｎｓｏｒ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｃｅｌｌｓ’ａｒｅ
ｓｅｎｓｏｒ ａｒｅ
Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｏｒｃｅ
ｆｏｒｃｅ・・ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ
ｃｏｎｃａｖｅ－ｃｏｎｖｅｘ
溉碧
’麟Ｍ静尹’Ｚ≯，！）
的接触程度决定了两者问的表面接触电阻的 阻值Ⅲ。当导电橡胶受山被压缩，微观下橡胶表面 与电极进一步接触，从丽两者间的接触面积增太， 表面接触电阻减小，如图４所示；导电橡胶受力拉
伸则接触面积减小，表面接触电阻增大。上述现象
ｉ懋矧、≥弓！，
被称为表面压阻效应。本文基于力学敏感导电橡胶 与接触电极问存在的表面压阻效应，设计了检测三 维力的传感器模型。
ｒｏｂｏｔ
ｓｕｃｈ
ａｓ ｆｉｎｇｅｒ．
ｓｅｎｓｏｒ ａｒｒａｙ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｏｒｃｅ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ；ｔａｃｔｉｌｅ
１
引言
随着智能机器人广泛的应用于人体健康、体育
式应变／温度传感器阵列ｐ】。Ｙａｎｇ等人利用ＭＥＭＳ 技术在柔性聚酰亚胺．铜薄膜上设计和制造了集成
定的力学敏感特性，温度测量时就存在力学／温度敏
１维力传礴器设计：
２抟感器单元的Ｉ佧碌理醴数学礁挚 通过原ｒ力显微镜ＡＦＭ研究力学敏感导电橡
胶表面照现其并非光滑平姥．而是呈现如图３所示 的门凸不平的形貌１５Ｉ。
感特性的交叉Ｔ扰。针对ｔ述问题．将ｊ维力和温
度传感器在传感器阵列中的排巾结构设计为凹＾
状，如图ｌ（ｂ）所示，力学敏感导电橡胶厚度为
式触射温度敏感阵列，应用于机器人皮肤【４Ｊ。
分析国内外研究状况可知，柔性触觉传感器在
真正的柔性化和大面积的测量压力／温度信息上受 到限制，目前尚无能同时检测三维力和温度的柔性 多功能触觉传感器阵列的相关报道。本文设计的柔 性三维力／温度触觉传感器阵列实现了三维力和温
训练、康复医疗、生物等诸多领域，传感器的多功
（１ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，Ｈｅｆｅｉ
２ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｃｈｉｎａ＇，
ｏｆＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ Ｍａｃｈｉｎｅｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｈｅｆｅｉ ２３００３１，Ｃｈｉｎａ）
第３ｌ卷
仪
器
仪
表
学
报
使与电极ａ、ｂ接触的力学敏感导电橡胶受到压缩，
根据敏感材料的温度效应传感器的温度电阻 关系式可表示为： Ｒ＝Ｒ，脚，ＡＴ＝Ｃ一瓦 （５） 式（６）中ａ为温度电阻系数，即表示传感器对温度的 灵敏度，凰表示传感器在％温度时的输出电阻， 局表示在乃温度时的输出电阻。对式（５）等式两边取 对数可变换为一次函数： ｔｎＰ、／Ｐ，ｏ＝ｕ．ＡＴ
能化成为传感器发展的趋势。Ａｌｉｒｅｚａｅｉ等人利用压 力敏感导电橡胶研制了应用于机器人关节部位能 实现柔性变形的触觉分布式传感Ｓｔ¨。Ｈｉｄｅｋｕｎｉ等
人利用硅ＩＣ的柔性变形技术设计了具有压力、硬 度和温度分布敏感的集成式触觉传感器阵列【２ｌ。 Ｄａｎｉｅｌ等人在柔性聚酰亚胺薄层上设计了金属薄膜
・基金项目：国家自然科学基金（Ｎｏ．６１０７２０３２１ ５２
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ
ｎｅｗ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｔａｃｔｉｌｅ ａｒｒａｙ ｏｆ ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｏｎ
ｓｅｎｓｏｒｓ
ＷａＳ
ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ，
ｂａｓｅｄ
ｓｉｌｉｃｏｎ
ｒｕｂｂｅｒ／ｃａｒｂｏｎ ｂｌａｃｋ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔ ａｎｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ｒｕｂｂｅｒ／ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ
Ｉ姝ｘ｝＆＝｝【。ｔ
、醵Ｐ｜Ｒｖ＝ｋｙＦｙ ＼ＡＲｚ阻ｚ＝ｋｚＦｚ
其中系数颤、毛、乞分别表示三维力传感器对
于Ｒ、Ｒ、Ｒ的灵敏度。由电极结构的对称性可得：
＼酿：｝Ｒ＝罐ｉ＆＝－ＡＲｏ。｝＆＝一域／Ｒ，＝哦ｉ＆
｛一衅风＝喇他＝趔他＝一喇瓜＝屿／Ｂ（３） ＼娥限＝避‰＝娥｜＆＝城限＝峨溆
将式（２）、（３）带入式（１）可得局（卢砖儿力与ＲＩ—皿
可求得最、风、兄，将此三个分量叠加即为三维力
４椭６
雩篙
＾”
温度传感器的结构设计如图５所示，在印刷电 路板上制作叉指结构的电极【７】，并将温度敏感导电
橡胶粘附在电路板上。
■ｍ
ｍ，
一
图５温度传感器设计
ｇ裟 彳一
●叭Ｏ
．．ｍ
●∞●
（ｃ）Ｅ－刖Ｖ恐 图６力学敏感特性曲线
对图６中Ｏ－７Ｎ量程段的实验数据作线性拟合
＃，？Ⅳ’
为基体材料，通过超声波分散制缶成力学敏感导屯 橡胶。在一定受力和温度范围内该力学敏感材料具 有良好的力学被感特性和微弱的温度敏感特性，Ｒ
力学敏感特性占主导，温度敏感特性的影响可以忽
电极结构 宙２
２ ２
嚣
等效电阻
略。温度传感器采用的敏感村料为：纳米碱纤维（填 允量为ｌＯｗｌ％）作为导电填辩，硅橡胶作为基体材 料，通过超声波分敞制蔷成温度被感导电橡胶。但 因该温度敏感材料具有良好的温度敏感特性和一
的电阻变化率的关系式，用矩阵表示为：
Ａ
ｏ日“
ｉ：嚣
酬封｛［｛ｌｉ
≯。 ２．３温度传感器单元设计
一
－ｌ Ｉ
一wk.baidu.com
Ｊ∞
●
、● ● ，
，ｆ． ＇． 。． 一／
Ａ△Ａ足局尼西
，’＝，／ Ｒ足尼Ｒ
．ｏＭ ＿一．ｏ”
分析可知，式（４）对任意三维力≯＝（只，Ｅ，疋）
均适用。将实验数据欲，ＩＲ，Ｕ＝ｌ，２，３，４）带入式（４）
Ｉ
７０ｍｍ，温度敏感导电橡胶厚度为０６０ｒａｍ，谚厚
度最使传感器阵列上加蛾被测物时温度传感器不 受力作用，从而消除了变叉干扰的影响。 按图Ｉ托）方式将传感嚣阵列中的各三维力传感
器单元标记为Ａｌ—Ａ９，并温度传感器单元标记为
Ｂ１～Ｂ４。
簿
图３力学敏瞄导电檬腔的表面群貌
因此，力学敏感导电橡胶表面与传感器电极问
摘要：基于炭黑－硅橡胶的表面压阻效应和碳纤维．硅橡胶的温度效应构建了求解三维力及温度的数学模型，设计并制作了 一种新型的柔性三维力／温度触觉传感器阵列。实验结果表明，三维力和温度传感器的敏感特性曲线均具有较好的线性，同 类传感器各单元问的一致性较好。三维力和温度传感器采用新型的柔性力学敏感和温度敏感材料，凹凸状交替排布组成柔性 触觉传感器阵列。该柔性三维力／温度触觉传感器阵列具备同时检测三维力和温度的功能，可应用于机器人手指等部位。 关键词：三维力；温度；柔性；触觉传感器阵列
面．从而满足了传感器柔性的要求：当传感器受力 时，力学敏感导电豫胶起到了缓冲的作用，保护了 印刷ＦＵ路板上的电极布线区域。
和温度的柔性触觉传感器阵列，其共有３ｘ３的二维 力传感器阵列和２ｘ２的温度传感器阵列。 三维力传感器采用的敏感材料为：纳米炭黑
ＣＢ３１６０ ｒ填充量为８ｗｔｏ／．）作为导电填斟．硅橡胶作
第３１卷第８期增刊 ２０１０年８月
仪
器
仪
表
学
报
Ｖ０１．３１ Ｎｏ．８
Ａｕｇ．２０１０
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
新型柔性三维力／温度触觉传感器阵列设计木
陆伟１ 黄荚１，２
刘平１ 赵兴１
葛运建２
（１合肥工业大学电子科学与应用物理学院合肥
２３０００９；２中国科学院合肥智能机械研究所合肥２３００３ １）
ｃｅｌｌｓ’ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
ａｒｅ
ｓｉｍｉｌａｒ ｔｏ ｅａｃｈ ｏｔｈｅｒ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ａｌｓｏ．Ｕｓｉｎｇ
ｆｌｅｘｉｂｌｅ ａｒｅ
ａｎｄ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ
ｍａｔｅｒｉａｌｓ
ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｔｈｒｅｅ・・ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ
ｓｅｎｓｏｒ
ｆｏｒｃｅ
ａｎｄ
ｎ１
ＡＬＩＲＥＺＡＥＩ Ｈ，ＮＡＧＡＫＵＢＯ Ａ，ＫＵＮＩＹＯＳＨＩ Ｙ．Ａ ｈｉｇｈｌｙ ｓｔｒｅｔｃｈａｂｌｅ ｔａｃｔｉｌｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｕｒｆａｃｅｄ
第８期增刊
陆伟等：新型柔性三维力，温度触觉传感器阵列设计
并计算拟合斜率‰（芦ｘ，弘ｚ）和拟合优度Ｒｉ２（ｊ窀，只４结论
力得表１。由表１中的拟合优度可知，晟、毋、Ｒ 在Ｏ．７Ｎ的量程内三维力传感器各单元的Ｆｉ．ＡＲｉ／Ｒｉ 本文基于炭黑．硅橡胶的表面压阻效应和碳纤 维．硅橡胶的温度效应，设计了柔性三维力／温度触 觉传感器阵列。分别构建了三维力和温度传感器的 数学模型并进行了验证。实验结果表明，由四电极 对称结构设计的三维力传感器和义指电极结构设 计的温度传感器凹凸状交替排布组成的柔性触觉 传感器阵列具备同时检测三维力和温度的功能，实 现了柔性触觉传感器的多功能化，可应用于机器人 手指等部位。 参考文献
Ｎｅｗ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ
ａ
ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｔａｃｔｉｌｅ
ｓｅｎｓｏｒ
ａｒｒａｙ ｆｏｒ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
Ｌｕ
Ｗｅｉｌ
Ｈｕａｎｇ Ｙｉｎ９１・２
Ｌｉｕ Ｐｉｎ９１
Ｚｈａｏ Ｘｉｎ９１
ＵｎＤｅｒＭｔｙ
Ｇｅ Ｙｕｎｊｉａｎ２
一…１
・｝“－・・‘・…・
（ａ）俯祝图
（ｂ）删视图．（ｃ）标记示意囤
囤ｆ柔性＝维力／温度触觉传藤器阵耐
２ ２
２三维力传感器单元设计
２｜佳巷器单元结掏设计 三维力传感器单兀电栏结构设计成图２（曲所
■●●■■■●一■●■■■■■■一 Ｊ』一…、１＋
｝｛＿：。
示：柔性印刷电路板Ｉ：分别制作川个扇形电极ａ、ｂ、 ｃ、ｄ和一个圆形公共电极ｅ。当力学敏感导电橡胶
图４表面压日翦应示意图
粘附在电路板上，传感器就存在删个等效电｝且 ＲＩ—皿．如图２（ｂ）所示。 区别于传统的在力学被感导电橡胶的上下两
本文定义Ｒ、凡、Ｆｚ的正方向分别沿ｘ轴的正 向、Ｙ轴的正向和ｚ轴的负向。传感器单元受＾、 ＾、＾均为正向的三维力Ｆ的作用可分解成三个独
立分量逐个分析：＾的作用Ｆ产生绕ｙ轴的转矩Ｍ
得：
（６）
将实验数据ＩｎＲｉＲｏ带入式（６）就可得到温度变化量
峨｜Ｋ＋蛾｜Ｋ＋城｜Ｋ＝迅｜Ｋ
域沁＋巡｜＆＋避｜＆＝峨｜＆
峨陂＋峭随＋馘｜＆＝峨｝＆
（１）
３
实验结果和讨论
域／Ｒ，＋峨沁＋峨｜＆＝峨｜Ｒ＾
三维力Ｆ＝（Ｃ，巴，Ｃ）作用下导电橡胶与接触电
极问的表面压阻效应可用公式表示为： ３．１三维力传感器阵列的实验结果和讨论 图６为Ｒ、凡、Ｒ均在ｏ－１０Ｎ的量程内三维力 传感器各单元（Ａ１—Ａ９）的Ｅ．△冠／Ｒｊ（ｆ＝％弘力的特性 曲线。由图６可知，当施加的力达到７Ｎ时，力学 敏感导电橡胶表面与电极问微观下的接触达到饱 和，表面接触电阻达到最小值，继续增大施加力， 其阻值不再减小。