液態金屬柔性感知的人機交互軟體機械手

劉會聰 楊夢柯 袁 鑫 孫立寧 金國慶

1.蘇州大學機電工程學院，蘇州，215000 2.江蘇省先進機器人技術重點實驗室，蘇州，215000

0 引言

軟體機器人是近年來機器人研究領域的熱點[1]。軟體機器人高度柔軟和多自由度的特性[2]使其具有非常好的環境適應性和安全性[3]，在工業抓取[4]、仿生生物[5]和醫療康復[6]等領域具有巨大的研究價值和廣闊的應用前景。軟體機械手是一種常見的軟體機器人形式，相較于傳統的剛性機械手，與人類肢體的相似性更高，在柔性抓取、人機交互方面更具安全性和適應性[7]。

人機交互機械手可以通過肢體映射、肌電控制、腦波控制[8-9]等方式幫助人類在相對危險和難以到達的地方從事活動，如危險物品的抓取、高危作業、搶險救災、遠程醫療等[10]。因此，采用人機交互的方式對軟體機械手進行運動控制可以擴大軟體機械手的應用范圍，提高軟體機械手的操控能力。

軟體機械手常采用氣動[11]的驅動方式，但軟體機械手自由度多，在抓握物體的過程中會產生被動的變形，難以對其進行精確建模，這增加了軟體手的交互控制難度[12]，因此可以在軟體手上集成柔性傳感器對其進行變形檢測，繼而進行反饋控制。

軟體機器人的大變形特點要求柔性傳感器具有非常好的柔順性和拉伸性，為保證柔性傳感器在運動變形時不易受耦合變形因素的影響，柔性傳感器還要具有較好的魯棒性和穩定性。基于液態金屬的電阻式傳感器具有拉伸性好、滯后性低、重復性和穩定性好等優點，滿足軟體機器人的傳感需求。FARROW等[13]在軟體機器人背部嵌入液態金屬，通過檢測背部拉伸變形時應變傳感器的應變量測得軟體機器人的彎曲變形。BILODEAU 等[14]通過3D打印的方式直接將液態金屬注入軟體機器人的微流道腔內，制作了能檢測彎曲變形的軟體機械抓手。該機械抓手能檢測每一個軟體指的彎曲變化，相關實驗驗證了充氣壓力與彎曲變形之間的對應關系。目前的研究大多只涉及機器人的變形檢測，沒有對軟體機器人的運動控制做進一步的研究。

筆者通過建立傳感手套與集成柔性傳感器的軟體機械手的運動映射關系，實現了人體傳感手套對軟體機械手的運動和姿勢的控制。本文所使用的傳感手套和集成至軟體手的柔性傳感器均采用液態金屬電阻式傳感原理，由3D打印微流道工藝制備而成。通過微流道的不同結構設計實現了應變傳感和彎曲傳感，并在此基礎上進行軟體手的運動變形反饋控制和主從手的手勢控制實驗，以驗證方案的可行性。

1 液態金屬柔性傳感器

1.1 應變傳感器

1.1.1設計原理

用于軟體機械手和人體傳感手套的柔性應變傳感器將聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為超彈性基底材料，將液態金屬作為敏感元件封裝在PDMS內的應變柵結構中。PDMS是一種強度可調節的透明彈性體材料[15]，可承受100%的拉伸變形。集成封裝于超彈性基底中的液態金屬表現出超好的可拉伸性和導電性。本文所選用的液態金屬材料為鎵銦錫合金(GaInSn)[16]，其熔點為5℃，電導率為2.96×10-6Ω·m。

如圖1a所示，應變傳感器為3層結構，底層為微流道層，中層為液態金屬層，頂層為封裝層。應變傳感器內部流道結構如圖1b所示，根據工藝條件和傳感器的應用要求，應變柵流道的設計邊長l=20 mm，6條柵道總長為120 mm。受光固化3D打印機精度的限制，微流道的截面尺寸a=b=0.2 mm。為保證液態金屬封裝的可靠性，避免微流道之間的串流，各柵道間的距離d=1 mm。在微流道接口處設計了2個邊長c=0.4 mm的凹槽結構，分別作為液態金屬的注射口和導線接口，以保證應變傳感器與外部連接的可靠性。

液態金屬應變傳感器是一種電阻式傳感器，其工作原理如圖1c所示。受到拉伸變形時，傳感器微流道的截面A-A受到四周彈性體的擠壓變為A′-A′。應變傳感器電阻變化率與拉伸應變量之間的關系確定過程如下。

(a)應變傳感器結構(b)應變傳感器微流道結構

應變傳感器的電阻變化率

(1)

式中，R0為傳感器的初始電阻，R0=ρL0/A0；R1為變形后的傳感器電阻，R1=ρL1/A1；ρ為液態金屬的電阻率；A0、A1分別為初始截面面積和變形后的截面面積；L0、L1分別為初始長度和變形后的長度。

液態金屬的體積在拉伸前后基本保持不變，則有A0L0=A1L1。傳感器的拉伸變形用應變量ε=(L1-L0)/L0表示，那么液態金屬柔性傳感器電阻變化率與拉伸應變量之間的關系為

ΔR/R0=ε2+2ε

(2)

1.1.2傳感器的制備

液態金屬應變傳感器的制作過程如圖2a所示。首先利用高精度光固化3D打印機打印微流道模具，然后將PDMS與固化劑以15∶1的質量比混合，充分攪拌后放入真空干燥箱真空處理30 min，以減少固化過程中產生的氣泡。將處理好的PDMS倒入模具，放在加熱板上80 ℃加熱1 h，形成應變傳感器微流道層。用勻膠機以200 r/min轉速旋涂30 s制作一層PDMS封裝薄膜，同樣將薄膜放在熱板上加熱，形成應變傳感器的封裝。薄膜和微流道結構全部固化成形后，將封裝層和微流道層從模具中剝離，再用氧等離子清洗機進行表面改性處理，將處理后的表面黏合，并放在熱板上再次加熱30 min，保證上下封裝層和微流道層的完全密封。最后注入液態金屬，在接口處插入導線，并用道康寧734膠密封。制作完成的應變傳感器在反復拉伸、扭轉、彎折后其傳感性能保持穩定，如圖2b所示。

(a)液態金屬應變傳感器的制作工藝

1.1.3靜態特性

將液態金屬柔性應變傳感器放在拉伸測試平臺進行傳感器特性測試，并用LCR數字電橋測量儀記錄傳感器的電阻變化，結果如圖3所示。圖3a所示為拉伸應變量0～60%時應變傳感器的電阻變化率和應變量之間的關系，將實驗曲線進行線性擬合得到ΔR/R0=1.63ε-0.06。由此可知應變傳感器在應變范圍0～60%內的靈敏度為1.63，線性度為4.68%。遲滯性表現為傳感器在加載和卸載時電阻變化率的不一致程度。如圖3b所示，該應變傳感器的遲滯較小，僅為1.91%。重復性為傳感器在輸入量按同一方向做全量程多次測試時所得特性曲線不一致的程度。柔性應變傳感器反復拉伸過程中，應變-電阻變化率特性曲線如圖3c所示，液態金屬柔性傳感器的最大不重復性為0.99%。圖3d為液態金屬應變傳感器放置1周后，再分別循環拉伸10%、20%、30%、40%、50%、60%的應變-電阻變化率特性曲線，該曲線與之前所測的特性曲線基本一致，表現出很好的穩定性。由此可見，液態金屬柔性應變傳感器具有良好的拉伸性、靈敏度和線性度，且遲滯性低，重復性和穩定性良好，非常適用于軟體機器人的應變感知檢測。

(a)靈敏度

1.2 彎曲傳感器

1.2.1設計原理

彎曲是軟體機器人的主要變形方式之一，為實現軟體機器人的彎曲變形檢測和運動控制，設計制作了液態金屬彎曲傳感器。彎曲傳感器與應變傳感器相似，都采用了液態金屬微流道結構，其4層結構分別為約束層、微流道層、液態金屬層、彎曲集中層，如圖4a所示。液態金屬微流道采用縱向應變柵結構，如圖4b所示。液態金屬縱向流道的邊長為5 mm， 截面尺寸為0.1 mm×0.1 mm，橫向流道的截面尺寸為1 mm×0.1 mm， 15條縱向流道的總長度為75 mm，縱向微流道是影響彎曲傳感器電阻變化的主要因素。

彎曲傳感器的原理圖如圖4c所示，傳感器在彎曲變形時，由于頂端約束層的限制，約束層下面的結構受到壓縮，使縱向流道的截面面積發生變化，因此彎曲傳感器的電阻發生改變，彎曲傳感器的實物如圖4d所示。

(a)彎曲傳感器結構(b)微流道結構

液態金屬彎曲傳感器的電阻變化率為

(3)

式中，R2為傳感器的初始電阻，R2=ρL2/A2；R3為變形后的傳感器的電阻，R3=ρL3/A3；A2、A3分別為初始截面面積和變形后的截面面積；L2、L3分別為初始長度和變形后的長度。

彎曲傳感器變形前后流道的長度保持不變即L2=L3，那么液態金屬彎曲傳感器的電阻變化率可以表示為

(4)

液態金屬縱向流道初始橫截面積A2=m0n。彎曲變形后的橫截面面積

(5)

式中，m0、n分別為縱向微流道截面的長度和寬度；h為流道截面最上端與約束層的距離；s為彎曲傳感器彎曲的曲率半徑。

A3根據幾何變形計算得出。將A2和A3代入式(4)可得

(6)

令N=m0(n2+2nh)/2，曲率k=1/s，那么式(6)變為

(7)

由此得到彎曲傳感器的電阻變化率和彎曲曲率的關系。

1.2.2靜態特性

彎曲傳感器的特性見圖5。圖5a為彎曲傳感器每彎曲5°檢測到的電阻變化率曲線，隨著彎曲角度變大，電阻變化率逐漸增大。0°～70°范圍內，線性擬合得到的彎曲傳感器靈敏度為0.0037，線性度為23.25%。圖5b為彎曲傳感器的遲滯性曲線圖，通過加載和卸載實驗可知彎曲傳感器的遲滯性相對較小，約為2.17%，這種遲滯性是由彈性體材料固有特性導致的。圖5c所示為彎曲傳感器反復彎曲多次后的3組傳感器實驗數據和平均值的誤差，可以看出，彎曲傳感器彎曲角度0°～70°時，具有很好的重復性；彎曲角度大于70°時，會產生較大的誤差，最大不重復誤差Ex=7.6%。由圖5d可知，彎曲傳感器在15°、45°、70°反復彎折時，傳感器在15°和45°都表現出非常好的穩定性，彎曲角度接近70°時最大值會在一定范圍內波動，但從整體來說，彎曲傳感器表現出較好的穩定性。因此，本文設計的液態金屬柔性彎曲傳感器表現出良好的重復性、穩定性和低滯后性，可與軟體機械手集成，檢測彎曲角度的變化。

(a)靈敏度

1.3 傳感器抗壓實驗

實驗中，手指的握緊動作會對傳感器產生一定的擠壓，擠壓力過大可能會造成液態金屬滲漏，因此使用測壓儀測量手指可以提供壓力范圍內的傳感器耐受性。以液態金屬應變傳感器為例，如圖6所示，將傳感器放在測壓儀的測量下平臺上，順時針旋轉測壓儀的調節旋鈕，精調下平臺的高度使下壓力不斷增大，即使下壓力增大到測壓儀最大值100 N，傳感器依舊沒有發生滲漏，這遠超實際的擠壓力，因此傳感器在實驗中大概率不會發生滲漏。

圖6 傳感器可承受壓力測量實驗

2 人機交互軟體機械手的功能模塊設計

2.1 軟體機械手的設計

用于人機交互的軟體機械手由5根軟體致動手指集成至硅膠手掌構成。單個軟體致動手指如圖7a所示。彎曲制動手指采用多氣囊式氣動網絡結構[17]，氣囊之間保持連通狀態，如圖7b所示，下端是限制拉伸的約束層。當氣動軟體機器人充入氣體時，軟體機器人發生膨脹變形，底部約束層限制了整體的橫向拉伸，導致氣動結構向約束層方向產生彎曲變形，如圖7c所示。

(a)軟體致動手指的整體結構

圖8所示為軟體機械手的整體結構。手掌含有鏤空結構，使氣動導管和傳感器導線穿過，防止導線纏繞。每個手指的約束層位置貼附柔性彎曲傳感器，可通過彎曲傳感器來檢測和控制軟體手的彎曲變形。

圖8 軟體機器人的整體結構 Fig.8 Overall structure of soft robot hand

2.2 軟體機械手的驅動控制

圖9所示為氣動彎曲致動手指的驅動控制系統，主要包含12 V直流電源、微型氣泵、控制板(Arduino)、兩位三通微型電磁閥和多路光耦隔離繼電器。通過串聯2個兩位三通電磁閥，實現彎曲軟體致動器的3種狀態：充氣彎曲、保持狀態和放氣伸展。為避免電磁閥狀態轉換瞬間造成的氣體回流，在2個電磁閥之間串聯1個單向閥。為實現整個軟體機械手的交互控制，需要5組軟體致動手指的驅動控制系統。

圖9 彎曲致動手指的驅動控制系統

2.3 傳感檢測電路的設計

人機交互傳感手套是將5個應變傳感器貼附在橡膠手套上制備而成的。手指彎曲變形，帶動手套上表面拉伸變形，通過應變傳感器的拉伸量來衡量手指的彎曲程度。實驗中發現，由于橡膠手套的延展性與靈活性好，在不發生傳感器內液態金屬滲漏的情況下，人機交互傳感手套表現出與單個彎曲傳感器相似的線性度、遲滯和重復性特性。圖10a所示為傳感手套，為較為準確地衡量手指的彎曲，傳感器需安置在第二指關節彎曲處。

為將液態金屬柔性傳感器應用于軟體機械手的運動控制，需要將傳感器的電阻信號通過檢測電路轉換為控制板能夠處理的電壓信號。液態金屬傳感器的電阻過小，一般在1 Ω左右，常規分壓法電路并不適用。 此外，外導線的電阻會對液態金屬傳感器產生干擾，同時，流經傳感器的電流過大，會產生發熱，改變液態金屬的電阻影響其性能。因此，本文設計制作了基于恒流源法的電阻檢測電路，如圖10b所示。液態金屬微流道電阻式傳感器的傳感電路可以分為電源模塊、恒流模塊、傳感器和放大模塊。由E0505s芯片制成的電源模塊為電路提供穩壓5 V的直流電； LM317芯片制作的恒流源模塊用于產生10 mA的恒定電流；信號放大芯片AD620將傳感器兩端的電壓放大100倍。傳感檢測電路采用恒流源法將液態金屬傳感器的電阻信號轉化為電壓信號，供控制板識別和控制。

(a)集成應變傳感器的傳感手套

3 柔性感知軟體機械手的人機交互實驗

3.1 人機交互機械手的整體方案設計

圖11a為軟體機械手與感知手套的人機交互控制結構框圖。傳感手套隨著人手動作產生拉伸變形時，傳感手套的液態金屬應變傳感器的電阻發生變化，電阻通過傳感檢測電路輸入控制板。同時，軟體手的彎曲傳感器電阻也實時傳入控制板，最終，傳感手套的拉伸應變量與軟體機械手的彎曲變化量形成映射關系。

若手套的輸入電阻大于軟體手的輸入電阻，則控制板輸出高電平信號，使軟體手充氣彎曲，軟體手指與手套的彎曲程度一致后，軟體手停止充氣。若手套輸入電阻小于軟體手輸入電阻，則控制板輸出低電平信號，使軟體手放氣伸展，直至手套輸入電阻和軟體手的輸入電阻保持在一定誤差范圍內，軟體手停止放氣。通過軟體手指不斷充放氣的動態調節，實現通過手勢控制軟體機械手運動。根據該控制框圖，搭建出人機交互軟體機械手平臺，如圖11b所示。

(a)人機交互軟體手控制邏輯圖

3.2 軟體手的姿勢控制

首先驗證軟體機械手對自身彎曲變形進行姿勢控制。通過Arduino控制板輸入不同的手勢命令，控制各個軟體驅動手指做出相應的彎曲動作。Arduino控制板模擬輸入的電壓檢測范圍是0～5 V，而每個手指上彎曲傳感器由開始伸展至最大彎曲變形的電壓變化幅值為0.3 V。

各手指傳感模擬輸入值的初始值分別設置為1.0 V、1.5 V、2.0 V、2.5 V、3.0 V，穩定時的數值誤差范圍在±0.01 V之間。超過設置的電壓時，軟體驅動手指放氣，不足預設值時充氣，使彎曲傳感器的數值保持在預設值的誤差范圍內。軟體機械手能根據控制板的預設程序，在1s內迅速做出相應的動作并且保持穩定狀態。設置食指微彎、小拇指大幅彎曲(手勢一)，中指和無名指大幅彎曲(手勢二)，四指彎曲抓取(手勢三)三種手勢狀態，如圖12所示。

(a)手勢一

3.3 傳感手套與軟體機械手的交互手勢控制

首先以單個手指的彎曲實現人與軟體機械手的人機交互控制。應變傳感器與彎曲傳感器的特性曲線并不一致，但2種傳感器在檢測范圍內均表現出較好的線性度，設置1.0 V為傳感器的基準值，建立傳感手套與軟體機械手的映射關系。當手指彎曲0°～90°時，傳感手套上應變傳感器的電壓變化范圍為1.0～1.5 V。軟體驅動手指由伸展彎曲至最大變形時，彎曲傳感器的變化數值為1.0～1.3 V。編程時采用map函數y=map(x,1.0,1.3,1.0,1.5)，將彎曲傳感器與應變傳感器的數值形成映射。

圖13所示為單根手指控制軟體致動器過程中，應變傳感器和彎曲傳感器的實測電壓。通過手指彎曲變形的程度控制軟體致動器的彎曲程度，手指伸展時，軟體致動器也伸展，隨后手指逐漸彎曲，軟體致動器也逐漸彎曲。但彎曲傳感器的電壓變化略微滯后于手指的應變傳感器的電壓變化，因為軟體致動器在保持穩定的過程中，需要不間斷地充氣放氣，而軟體致動器的控制器件響應需要時間。

圖13 單根手指控制單根致動器

將單根軟體致動手指的控制擴展到5根手指就形成了人機交互軟體機械手系統，通過佩戴傳感手套就能控制軟體機械手做出相應的動作。如圖14所示，人手分別做出食指彎曲、中指微彎的姿勢以及食指、中指、無名指彎曲的手勢后，軟體手會緊隨著傳感手套的變形而做出相應的手勢，并且軟體手狀態保持穩定，實現了肢體映射控制軟體機械手。

圖14 手勢控制軟體機械手

4 結論

本文設計制作了基于液態金屬微流道結構的電阻式應變傳感器和彎曲傳感器，該傳感器具有線性度好、遲滯性低、重復性和穩定性好等優點，非常適合軟體機器人的運動感知和控制。同時，基于這兩種傳感器制作了人機交互軟體機械手。將應變傳感器集成至手套中制成傳感手套，用于采集人的手勢信息；將彎曲傳感器集成至軟體機械手，實現對軟體機械手的姿勢檢測和運動控制。在應變傳感器和彎曲傳感器間形成映射關系后，通過傳感手套對軟體機械手進行姿勢和運動控制，實現人機交互的功能。將來工作需要對集成了多個柔性傳感器的傳感手套和軟體機械手形成更為精準的數學映射關系，同時將對二者更加穩定快速的控制方法進行進一步的研究。