基于摩擦起電和靜電感應控制的機器人觸覺系統

張善淳， 邱 宇， 李 冰， 羅嘉誠， 陳 輝

(大連理工大學 物理學院， 遼寧 大連 116024)

0 引 言

觸覺是機器人獲得環境信息的一種重要知覺形式，其主要目的是通過對機器人與對象、環境相互作用時的一系列物理特征量進行檢測，獲取對象與環境信息或完成某種作業任務，是機器人實現與環境進行直接作用的重要媒介[1-4]。自上世紀70年代提出以來，研制滿足要求的觸覺傳感器一直是機器人發展中的技術關鍵之一[5-6]。機器人觸覺系統主要采用力傳感器、溫度傳感器和磁傳感器等[7-9]，這些傳統的觸覺傳感器通常結構復雜、體型龐大、難以安裝，并且通常需要連續激勵才能正常工作，以至于所取得的成果大多停留在實驗室階段，不能很好地滲透到日常生產中去。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生產生活中去。

近年來，王中林開發了一種微型摩擦發電機(Triboelectric Nanogenerator,TENG)，它能夠利用摩擦生電和靜電感應原理將環境中的機械能(例如：人的行走/胳膊擺臂、氣流運動、流水等)轉換為電能。TENG具有綠色環保、安全性好、體積質量小、成本低等突出優點，因此使其在可穿戴傳感器、自驅動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原理為基礎控制的自驅動觸覺傳感器，它具有結構明易、操作簡單，能夠自鎖運行等優點，并且該結構使機器人擁有薄而柔的觸覺面，讓機器人能夠大面積觸覺感知外界環境的出發信號，從而使該機器人觸覺系統能夠應用于許多現有系統不適用的復雜場合和更惡劣環境中，提升了機器人觸覺系統的實用性和應用范圍。

1 觸覺系統結構與工作原理

1.1 基于摩擦感應控制機器人觸覺系統的結構

本機器人觸覺系統的基本結構由摩擦靜電感應模塊、控制電路模塊和工作電路模塊三部分組成。其中，摩擦靜電感應模塊由兩組摩擦片構成，分別與控制電路的自鎖和解鎖觸發端相連，在外界提供激勵時產生電信號，以起到激活對應電路的作用。控制電路模塊直接與工作電路模塊相連，在接受到摩擦片的電信號后激活對應的功能：自鎖觸發端可以使電路開始并自鎖運轉；解鎖觸發端可以解除自鎖狀態，使電路停止工作。工作電路模塊依據所需功能進行相應選擇，在自鎖激活后依靠電源持續運轉。其工作方式如圖1所示，分為“單電極觸發”和“雙電極觸發”兩種方式，這兩種方式在結構上略有不同，但觸覺系統的工作原理完全相同。

(a) 單電極觸發型(b) 雙電極觸發型

圖1 兩種電極觸發結構示意圖

1.2 工作原理

1.2.1摩擦起電和靜電感應的工作原理

摩擦起電和靜電感應是王中林教授在2012年提出的摩擦納米發電機的原理,其主要是利用摩擦起電和靜電感應的耦合將機械能轉化為電能。圖2是摩擦靜電感應工作原理示意圖。本系統中，兩個摩擦片可以采用摩擦電極序差異較大的兩種材料，例如本系統中分別采用聚四氟乙烯和銅箔作為摩擦層。當材料1和2相互接觸摩擦時，由于結構內部兩層摩擦層之間的摩擦電極性差異而引起電荷轉移，進而利用靜電感應作用會形成電勢差[19-20]。當摩擦片分離后，具有相反電荷的兩個表面自動分開。為了平衡該電勢，通過靜電感應在背部電極板上感應出相反電性的電荷。由于兩個感應電極極板通過導線連同，在外部電路形成瞬間電流。通過兩摩擦片接觸、分離產生的摩擦電信號或相互靠近、遠離時產生的感應電信號作為觸發信號作用于控制電路，控制工作電路開啟或關閉，進而控制機器人做出指令動作。

圖2 摩擦起電和靜電感應工作原理示意圖

1.2.2控制電路的具體結構和工作原理

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。具體結構：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的發射極相連，Q1的基極通過導線與Q2的集電極相連；自鎖觸發電路模塊(紅色框部分)，由NPN 型三極管Q3、電源E1、分壓電阻R3和R4，以及自鎖觸發端A 端構成，具體結構：Q3基極通過R4與自鎖觸發端A 端相連，發射極與電源負極相連，電源正極通過R3與Q2基極相連。

圖3 系統中控制電路電路圖

解鎖觸發電路模塊(藍色框部分)：由NPN 型三極管Q4、NPN 型三極管Q5、電源E2、分壓電阻R5和R6，以及解鎖觸發端B 端構成，具體體結構為：Q4的基極通過電阻R6與解鎖觸發端B 端相連，管發射極與源負極相連，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，該自驅動系統采用的控制方法包括如下步驟：

(1) 自鎖觸發階段。與自鎖觸發端相連的一對摩擦片通過上述原理作用于自鎖觸發端A，使Q3基極產生高電勢，Q3導通，使Q2基極形成高電勢，Q2導通，完成自鎖觸發。

(2) 自鎖階段。在Q2導通的基礎上，Q2基極的高電勢會引起Q1基極點位被拉低，同樣滿足導通條件，于是Q1導通，之后，PNP型三極管Q1會持續給NPN型三極管Q2提供高電勢，使Q2保持導通，實現自鎖。

(3) 解鎖觸發階段。與解鎖觸發端相連的一對摩擦片通過上述原理作用于控制電路解鎖觸發端B 端，解鎖觸發電路模塊中NPN 型三極管Q4基極產生高電勢，三極管Q4導通，解鎖觸發電路模塊中NPN 型三極管Q5基極產生高電勢，三極管Q5導通，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。

(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，三極管Q1和Q2均截止，實現解鎖。

2 實際應用

摩擦納米發電機是一種可以將極其微小的機械能轉換為電能的一種新型發電裝置，因此在新型觸覺系統中，應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離發出能夠驅動系統的電信號。圖4為使用手指周期性按動摩擦片時所產生的電信號大小得到交流信號，電壓輸出值約為10 V，足以達到使系統實現自驅動運行的電壓值，可見，基于此觸覺系統無需高額能量供給就可以正常運作，能夠應用于多種日常生活中。

圖4 摩擦起電和靜電感應產生的觸發電壓信號

3 實驗系統及測量結果

由于工作電路的多樣性，該觸覺系統的應用也多種多樣，在完成設計后，主要將其應用到兩個系統中。

(1) 機器人觸覺喇叭系統。將工作電路連接至音頻播放系統，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端處產生一個高電位信號，通過上述原理，喇叭系統被激活，連續播放提前輸入的信號；同樣地，當摩擦片相互分離或遠離時，產生的反向信號(即低點位信號)作用于解鎖觸發端，使喇叭系統停止播放。通過改變摩擦級的機械結構能夠將其工作觸發方式由按住、松開觸發轉換為第1次按動觸發，第2次按動停止，能夠融入日常生活中大部分喇叭系統(如門鈴)之中。

(2) 自動供水系統。將工作電路連接至接通水源電動球閥，按住摩擦級在自鎖觸發段產生一個高位電信號，通過上述原理使球閥開始工作，將水從水源抽出，實現供水；松開摩擦片，產生的低電位作用于解鎖觸發端，球閥停止工作，水位自然下落，停止供水。同樣地，其觸發方式可以改造位按動式，相當于飲水機的一鍵出水功能。

(a) 開始出水(b) 停止供水

圖5 摩擦起電和靜電感應控制自動供水系統的照片

實際上，由于觸發信號的摩擦極是基于摩擦納米發電機的發電原理制成的，其觸發方式不僅僅依靠于人手的操作，還可以依靠聲波、潮汐、風力等多種方式觸發，并且能與以其為基礎的觸覺系統匹配的工作電路種類廣泛，所以實際應用空間前景廣闊，在娛樂、醫療、制造業等很多方面都有較大應用價值。

4 結 語

本文設計了一種基于微型磨擦納米發電機原理的機器人觸覺系統，相比于傳統的機器人觸覺系統，它具有結構簡單、體積較小等優點。在工作方式上，它只需要微小的機械能供給就能實現自鎖運行，不再需要連續激勵就能正常工作。這種自驅觸覺系統已經成功應用到日常生產中的簡易裝置，能夠實現工作元件依靠接觸或接近遠離的感應自驅動連續工作，初步體現應用于為門鈴，飲水機等方面，相信隨著研究的深入應用范圍會有很大提升，因此繼續研究這種新原理的機器人觸覺系統有重要的科學意義和實際應用價值。