柔性仿生手指關節的觸覺力/角度感知

盧思彤， 李柏晨， 閻吉雅， 李 強

（北方工業大學 機械與材料工程學院，北京 100144）

1 引言

近年來， 科研人員一直在試圖使用柔性材料替代剛性結構來創造越來越真實和先進的仿生肢體和人型機器人， 例如仿生手［1-4］。盡管柔性材料可以使其具有與自由度和紋理等相關的優勢，然而截至目前，像人類收集物體觸覺和位姿信息功能的復雜生物機制仍然充滿了挑戰， 普遍存在缺乏有效感知問題［4-5］。傳統傳感技術（如編碼器、電位計等）和商用柔性傳感器（如Bend Sensor，StretchSense等）由于存在順應性差（順從結構的大變形行為）、易干擾機器人本體力學響應等問題， 難以在柔性結構中得到良好應用。因此，研究適合用于柔性手指的觸覺力/角度感知方法，是當前柔性以及軟體機器人感知問題的主要解決策略之一［1］。

近年來，得益于柔性材料和結構設計的探索，柔性感知技術得到迅速發展，為柔性機器人感知提供了多種潛在解決方法。研究表明， 將順應性好的柔性感知單元集成到柔性大變形機器人的研究可以追溯到2007年，并從2014年開始迅速發展［5］。柔性傳感器按照感測機制可分為電阻式、電容式、壓電式和光波導等不同傳感技術［6-15］。目前成熟的剛性傳感器雖然可以對柔性機器人的姿態進行檢測，但剛性傳感器的嵌入不可避免地會造成柔性機器人柔性能力下降，進而影響機器人的整體性能。本文通過在可變形的柔性仿生手指結構中直接嵌入可力感知和關節角度感知的液態導體金屬傳感器［10-12，15］，為手指的感知模塊設計和制造打開了新的途徑，實現手指的彎曲和觸覺感知。

本文提出了一種基于導電液態金屬的低成本且高可靠性的柔性感知方法，獲取了其電阻與力和角度的精確對應關系，以柔性仿生手指為應用載體，實現對手指的指尖觸覺力感知和關節角度變化感知性能，展示了其作為柔性感知單元， 可應用在更多類型的柔性或軟體應用載體的巨大潛力。

2 柔性傳感纖維

2.1 結構設計

液態導電金屬是一種在室溫下仍處于液相態的金屬，主要以合金形式表現，包括鎵等元素，如共晶鎵銦（EGaIn）［16-17］。液態導電合金由于其液相性質，可以與任意形狀的物體很好地接觸，并能在柔性管狀基體或封裝層變形時仍保持優異的導電性能。用液態導電金屬代替傳統的高分子復合材料或金屬作為柔彈性傳感器的敏感層，可以實現器件的高柔彈性和可擴展性［11-12，18-20］，以及在變形/受力工況下的高穩定性和可靠性。因此，在成型微腔道中注入液態導電金屬對于柔彈性傳感器領域有著巨大的研究價值［21-25］。

目前基于導電合金的傳感器研究普遍采用多層疊加思想，通過3D打印模具成型出單層彈性體后，再通過粘接疊加的方式，將各個形狀的單層體整合為一個整體，層間的間隙即為內部微型通道的形狀，這類設計方法可以成型絕大多數較為復雜的微流腔道。但在此類思想的成型過程中，難免因操作不當而出現微孔壁厚不均勻甚至堵塞微孔的狀況，且在沉積液態金屬敏感元件時，易在層間沾有金屬殘留液，導致其材料粘接面間粘接不可靠，粘和的密封性不好［26-28］，最終體現在不良的耐受性能，長期使用下不可避免地會出現層間開裂現象。本課題組通過大量調研以及前期多次試驗，認為成型微流腔道可以用預制的硅膠軟管代替，其中硅膠軟管（Sani-Tech-STHT-C-020-0）的柔彈性能力極為突出，軸向應變能達到300%～400%而不損壞，參考圖1，以此作為感知單元基本結構體。該硅膠管橫截面是圓形，這使得傳感器更不容易在外力負載下發生通道阻斷。使用管道是不同于傳統的傳感器制造技術，將兩層粘合成一個通道，因此在極大簡化了傳感器制造工藝的同時成功率也顯著提高，注入銦鎵合金的硅膠軟管需根據載體的形狀靈活布局，但同時也需載體具備固定硅膠管布局的支撐結構。

將銦鎵合金注入預制的硅膠軟管中形成傳感纖維的原理是：當微流腔道中填充EGaIn時發生變形，無論是軸向拉伸還是有接觸外力，電阻的大小會隨著軟管長度的增加或橫截面積的增大，或兩者兼而有之而變大。具體可參考圖1，當長度為L的硅膠軟管中注入EGaIn形成感知單元處于初始狀態時，電阻大小可由公式（1）給出；當有軸向應變時，電阻大小可由公式（2）給出；當有接觸外力時，電阻大小可由公式（3）給出。當有軸向應變時，長度變長，橫截面積變小，顯然電阻變大，同理當有接觸外力時長度基本不變，橫截面積部分變小，電阻同樣變大，因此注入EGaIn的硅膠軟管在有軸向應變和接觸外力時，電阻都會變大，且與應變長度和接觸外力都呈正相。

圖1 柔性傳感纖維軸向應變和接觸外力工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of axial strain and contact force of flexible sensing fiber tube

初始狀態：

軸向應變：

接觸外力：

其中：ρ為液態導電合金-共晶鎵銦（EGaIn）的電導率，L0表示傳感纖維的軸向有效導電長度，S0表示傳感纖維的充滿EGaIn的橫截面面積，即硅膠軟管內徑，R0為初始電阻值；L1和S1表示當傳感纖維存在軸向應變時的有效導電長度和橫截面積；表示傳感纖維的充滿EGaIn的橫截面積，S2為當傳感纖維存在側向壓力時，受壓段的有效導電橫截面面積。

2.2 制作工藝

如圖2所示，將一定長度的硅膠軟管（Sani-Tech STHT-C020）盡量伸直放在一平面上，該硅膠管內徑為0.508 mm，然后準備一個1 mm的注射器和一個空注射器針頭（注射器針管直徑為0.45 mm），注射器充滿銦鎵合金后插入硅膠軟管的一端（圖2（a）），空注射器針頭插入硅膠軟管的另一端，前者用來注入EGaIn（圖2（b）），后者用來提取硅膠管中的空氣，當另一端有EGaIn少量流出即停止注入，在此過程中一定要注意充滿EGaIn的注射器內不能留有空氣，否則會出現在硅膠軟管內EGaIn導致的“接觸不良”甚至是“斷流”現象。將直徑為0.6～0.7 mm的高純銀絲粘上少許UHU強力膠水，插入有EGaIn的硅膠軟管兩端，銀絲頭不能有膠水，否則同樣會出現“接觸不良”或“斷流”現象。銀絲上的膠水固化大概需要10～30 min。硅膠軟管的密封同時可依靠直徑0.6～0.7 mm的銀絲與內徑0.508 mm的硅膠管的過盈值，裝配后可以獲得更緊固的聯接。和膠水的雙重工藝會使得感知纖維制作的失敗率顯著下降。其中，圖2（c）為不同長度的成型柔性傳感纖維。圖2（d）～2（f）所示為傳感纖維在一定應變和觸覺力載荷下的電阻變化值，初始電阻為135.75 mΩ（圖2（d）），當有一定應變時，電阻變化為457.80 mΩ（圖2（e）），當拇指和食指對捏施加一定壓力時，電阻則變為3 604 mΩ（圖2（f））。可見，本文所提出的基于液態導電合金的傳感纖維兼具備觸覺力和應變感知功能。

圖2 制作工藝的主要步驟、實物圖及在力和軸向應變負載下的電阻變化（a）注射銦鎵合金前 （b） 注射銦鎵合金后 （c） 不同長度的成型柔性感知管（d-f）初始狀態、在應變和接觸力負載下感知管電阻變化Fig.2 Main steps of fabrication process， physical image and resistance change under force and axial strain loading（a） before injection of indium gallium alloy （b） after injection of indium gallium alloy （c） formed flexible sensing tubes of different lengths （d-f ） initial state， sensing tube resistance changes under strain and contact force loads

2.3 柔性手指感知單元集成

對于感知單元的集成裝配，圖3顯示了單個柔性仿生手指的配置。柔性部件由可折疊片狀安全氣囊組成，安全氣囊的支撐結構為剛性3D打印結構。氣囊在充氣后產生橫向位移。由于氣囊底部的伸長受到限制，在氣囊的驅動下，整個結構將沿限制伸長的方向彎曲，該結構可為喪失一定功能的患手關節進行主動彎曲行為，圖中患手關節為白色3D打印結構。機構外側放置的感知管可測量位移變化，而患手關節的內側通過魔術貼安裝感知管檢測與物體接觸的力變化，氣囊在不同輸入氣壓的情況下彎曲效果如圖4所示， 表明該柔性手指關節存在較大變形。

圖3 柔性手指關節感知單元集成Fig.3 Flexible finger joint perception unit integration

圖4 不同的輸入氣壓下的彎曲幅度Fig.4 Bending effect under different input air pressures

2.4 測量實驗及結果分析

圖5為手指指尖力感知單元測試平臺。針對所使用的應變（手指關節角度變化本質上是兩個定點指尖的距離變化， 即可通過應變感知單元測量關節角度）和觸覺感知單元，構建信號采集系統。該系統的硬件包含arduino uno R3單片機、MCP4725數模轉換模塊、smc電子調壓閥和氣泵等。在測量實驗中，指尖垂直于直面的位置與手指的角度一一對應，如果將指尖的位置設置為Z值，則可以通過標定數據獲得Z值與手指彎曲角度之間的關系曲線，進而得到運動學逆解公式。Z值的初始值為10 mm。通過校準數據獲得Z坐標和角度之間的一一對應關系。交換橫坐標和縱坐標，得到運動學逆解z曲線。通過多項式擬合，橫坐標為彎曲角度，縱坐標為Z坐標的關系曲線，有效避免了建立柔體機構的運動學模型。

圖5 手指指尖力感知單元測試平臺Fig.5 Fingertip force sensing unit test platform

實驗結果如圖6和圖7所示，分別為手指彎曲角度以及垂直施加外力和電阻值之間的關系曲線。考慮到氣壓與電阻、電阻與角度兩次轉換過程中可能會存在的線性轉換、滯后及補償等問題，所以在獲取實驗數據時，通過測力計和視頻圖像處理等方法獲取手指彎曲角度以及垂直施加外力和電阻值之間的關系曲線。從實驗結果及其擬合曲線看可以驗證集成感知單元具備可以感知仿生柔性手指關節的觸覺力/角度功能。通過施加不同的輸入氣壓來驅動手指壓力可達到3 N左右，每組重復測量3次，最大標準差6.7%。施加力與傳感纖維的接觸面積大約為1.82 mm2（0.91 mm×2 mm），根據測量實驗結果可得，最大可測量的壓強約為1 600 kPa。對于手指關節角度測量，由于采用的柔性手指的彎曲限制，本文提出的柔性傳感纖維可實現大約0°～60°角度變化的追蹤。

圖6 手指彎曲角度與電阻變化關系Fig.6 Relationship between finger bending Angle and resistance change

圖7 指尖垂直施加外力與電阻變化關系Fig.7 Relationship between vertical external force applied by fingertips and resistance change

另外，針對柔性手指角度和力兩種傳感信號，本文也進行了基于感知信息反饋的閉環控制研究，以此得到相對準確的預期響應。在力和位置的精確控制方面，目前主要有兩種思路可參考，一是力/位混合控制，二是阻抗控制。考慮到阻抗控制相對于力/位混合控制，可將兩個不同物理量（角度和力）綜合考慮，即力控制和位置控制融為一體，用相同的控制策略實現手指彎曲角度和接觸力的同時控制。理想情況下，在輸入一個期望力和角度后，柔性手指的接觸壓力與彎曲角度輸出接近期望值。本文將期望角度30°，期望接觸力5 N的輸入信號，當輸入期望信號為恒定值信號時，基于位置的阻抗控制力響應曲線與位置響應曲線如圖8所示。力誤差曲線與位置誤差曲線如圖9所示。可以看出，所設計的阻抗控制器可以很好地實現對于期望力和位置信號的跟蹤。在位置響應曲線中，t=4 s時基本上實現了對于位置的穩定跟蹤。在力響應曲線中，可以看出在最開始的一段時間內，力響應的輸出約等于0。這是因為手指末端設置的初始位置為Z=10 mm，而環境的初始設置為Z=6 mm，在與環境接觸以前不會產生接觸力，所以力應輸出為0。對于接觸力響應來說，在2 s左右時，接觸力達到峰值，2.5 s后力跟蹤誤差穩定在0.3 N以內。對于角度響應來說，在3.5 s時，角度達到峰值37°左右，4.5 s后角度跟蹤誤差穩定在2°以內。但對于角度控制來說，調節時間較長，可通過調整控制器參數進行改進。以上實驗對于利用EGaIn的柔性感知纖維的反饋信息可開發閉環控制器解決柔性手指指尖力和關節角度的實時控制， 提供了可行性。

圖8 力與角度響應曲線Fig.8 Force and angle simulation curves

圖9 力和角度跟蹤誤差曲線Fig.9 Force and angle tracking error curves

3 結論

本文對一種基于液體導電金屬的柔性感知方法進行研究。通過其制造、表征并集成到一種柔性仿生手指實現手指指尖觸覺力和關節角度測量。液態導電金屬由于其室溫下呈液態，可通過彈性基底材料封裝構成微流腔道以此制成全柔性傳感器，因此使其可承受應用載體大變形的同時保持良好的感知性能。基于此思路下，本文提出感知技術是傳感器由柔軟硅膠管為微流腔道，液態金屬EGaIn為注入腔道的敏感材料為設計理念，通過低成本、高可靠性的預制硅膠成型工藝，在完全可貼合柔性仿生手指同時不改變其動力學功能，的前提下，實現手指指尖觸覺力約1 600 kPa和不超過60°關節角度測量（柔性手指彎曲幅度限制）和特定力和角度的準確跟蹤。

盡管這種柔性仿生手指在本文中只是一種應用載體，但卻突顯了基于液體導電金屬的柔性感知方法可作為柔性傳感器的巨大潛力。此外，由于基于液態導電金屬的傳感器與柔性驅動結構基本材料庫（硅晶、硅橡膠等）可一致，因此可使得本文提出的傳感器技術均可被嵌入或集成于柔性或軟體驅動器，以此實現更多類型的柔性或軟體應用載體的感知功能。