doi: 10.11857/j.issn.1674-5124.2020110002
曹建国1,2,3,4， 程春福1,2,3,4， 周建辉1,2,3,4， 尹海斌5，
李 洋1,2,3,4， 范 阳1,2,3,4
(1. 北京科技大学顺德研究生院，广东 佛山 528399; 2. 北京科技大学机械工程学院，北京 100083; 3. 北京科技大学
人工智能研究院，北京 100083; 4. 北京科技大学智能机器人创新研究院，北京 100083;
5. 武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070)
摘 要: 针对当前用于机器人等复杂三维载体表面或活动关节部位的触觉传感器实现高柔弹性和压力检测的难题，该文提出一种8×8阵列的仿生电子皮肤柔弹性阵列触觉传感器。基于压阻橡胶的导电机理采用微米镍粉填充聚二甲基硅氧烷（PDMS ）完成触觉传感器的柔性敏感单元设计与制备，获得压阻橡胶在不同质量比时的压阻特性曲线，采用银纳米线（AgNWs ）/PDMS 复合材料制作的柔弹性阵列导电薄膜电极层和压阻橡胶圆片结合阵列式“多孔PDMS”中间传感层的多层“三明治”结构并通过模具固化成型工艺制备电子皮肤阵列触觉传感器，设计传感器检测系统检测其特性。实验表明柔弹性触觉传感器具有阵列数密集、测量范围广、线性度好等特点，传感器的空间分辨率为3×3 mm 2，测量压力范围达到100~500 kPa ，拉伸率可以达到30%，能够覆盖在三维载体表面完成分布式压力的测量，为机器人等复杂三维载体表面或活动关节部位的压力检测反馈和机器人智能化提供基础。关键词: 触觉传感器; 柔弹性; 压阻橡胶; 银纳米线中图分类号: TP212文献标志码: A 文章编号: 1674–5124(2020)12–0001–08
Research on robot bionic E-skin array tactile sensor
CAO Jianguo 1,2,3,4, CHENG Chunfu 1,2,3,4, ZHOU Jianhui 1,2,3,4, YIN haibin 5, LI Yang 1,2,3,4, FAN Yang 1,2,3,4(1. Shunde Graduate School of University of Science and Technology Beijing, Foshan 528399, China; 2. School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 3. Institute of
Artificial Intelligence, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;4. Innovation Institute for Intelligent Robot, University of Science and Technology Beijing,
Beijing 100083, China; 5. School of Mechanical and Electronic Engineering,
Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)
Abstract : Aiming at the current problem of using tactile sensors on complex three-dimensional carrier surfaces or moving joint parts of robot to achieve high flexibility, stretchability and pressure detection function, this
收稿日期: 2020-11-01；收到修改稿日期: 2020-11-25
基金项目: 北京科技大学顺德研究生院科技创新专项( BK19AE006)；国家自然科学基金资助项目(61603035)；科技部创新方
法工作专项(2016IM010300)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF-GF-18-010B)
作者简介: 曹建国（1971-），男，湖南衡阳市人，教授，博士，研究方向为机器人仿生电子皮肤触觉传感与多模态感知、复杂机电系统检测与控制等。
第 46 卷 第 12 期中国测试
Vol.46 No.122020 年 12 月
CHINA MEASUREMENT & TEST December, 2020
paper proposes an 8×8 array of stretchable E-skin tactile sensors. Based on the conductive mechanism of piezoresistive rubber uses micron nickel powder filled polydimethylsiloxane (PDMS) to complete the design and preparation of the flexible sensitive unit of the tactile sensor, and obtain the piezoresistive characteristic curve of the piezoresistive rubber at different weight ratios. Multi-layer "sandwich" structure of flexible array conductive film electrode layer made of silver nanowires (AgNWs)/PDMS composite material and piezoresistive rubber discs combined with array type porous
PDMS middle sensing layer and cured by mold, the sensor detection system is designed to detect its characteristics. Experiments show that the stretchable and flexible tactile sensor has the characteristics of dense array, wide measurement range and good linearity. The spatial resolution of the sensor is 3×3 mm2, the measurement pressure range is 100-500 kPa, and the stretch rate can reach 30%, which can cover the surface of the three-dimensional carrier completes the measurement of distributed pressure, and provides a basis for the application of complex three-dimensional carrier surfaces such as robots or moving joint parts for pressure detection feedback and robot intelligence.
电容式压力传感器Keywords: tactile sensor; flexibility and stretchability; piezoresistive rubber; AgNWs
0 引 言
触觉传感器在机器人领域有着广泛的应用，机器人触觉传感器有两大主要功能：检测与识别。检测功能包括对操作对象的状态、机械手与操作对象的接触状态、操作对象的物理性质进行检测。识别功能是在检测的基础上提取操作对象的形状、大小、刚度等特征，以进行分类和目标识别。触觉传感器技术作为实现智能机器人技术的关键因素之一，是实现机器人与环境直接作用的必需媒介，尤其是近10年来，随着触觉感知技术和交互技术的广泛应用，机器人触觉传感技术得到了机器人研发人员的高度关注，其发展对智能机器人的研究具有十分重要的意义[1-3]。
相对于传统的触觉传感器，具有高柔弹性的电子皮肤触觉传感器阵列能够覆盖于机器人的多部位，可以模仿甚至超越人类皮肤的感觉功能，有效地实现机器人的触觉感知[4-5]。国内外关于机器人柔性触觉传感器的研究，多采用电阻应变片、压电材料、电容、MEMS(微机电系统)、PVDF(聚偏二氟乙烯)等技术[6-8]。研究中大多采用PDMS等材料作为传感器的柔性基体，但是传感器的导电电极和传感元件多为无机半导体材料，虽然具有优越的电学等物理学特性，但往往是脆性的，在弯曲、拉伸等变形作用下易发生断裂，其断裂极限应变约为1%[9]。人们试图通过有机半导体代替硅，有机高分子聚合物往往具有很好的柔韧性，从而使得有机电子器件具有柔性的特点。Cho等[10]利用导电油墨和硅弹性体合成材料借助成型工艺制作了压阻式柔性阵列触觉传感器，实现了传感器的柔性，但使用整片压阻橡胶作为传感单元，限制传感器的弹性。郭小辉等[11]利用炭黑/碳纳米管填充硅橡胶作为压阻复合导电材料制作了一种微圆顶阵列结构的柔性触觉传感器，由于整块力敏橡胶作为传感单元同样不具有弹性。Wang等[12]利用单壁碳纳米管 (SWNT) 作为电极材料在丝绸 (Silk) 上固化形成的PDMS薄膜制作了柔性高灵敏度电容式压力传感器，但由于其量程范围小，应用推广受到限制。Feng等[13]采用PDMS 作为基体，银纳米线作为电极，制备了一款可拉伸的柔弹性传感器，该传感器可以测量高达50%的应变，但是由于结构的原因难以用于压力的测量。本课题组汪浩鹏等[14]采用新型银纳米线材料与新型结构制备柔性电子皮肤压阻式阵列触觉传感器，并提出利用基于银纳米线(AgNMs)和PDMS的复合材料制作压阻式的压力传感器阵列导线和电极从而实现阵列柔弹性的新方法。国内外关于柔性触觉传感器取得了大量积极成果，目前大多数接触压力测量的触觉传感器难以同时在拉伸和弯曲条件下正常工作。因此对于机器人仿生电子皮肤柔弹性触觉传感器的研究具有重要的意义。
基于上述问题，本文采用压阻橡胶作为柔性传感单元，银纳米线（AgNWs）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）的复合材料作为传感器阵列导线和电极，设计了一种既可以拉伸又可以弯曲的柔弹性触觉传感器阵列，可用于机器人等复杂三维表面实现柔性
2中国测试2020 年 12 月
丸药制作
触觉感知。
1 电阻式柔弹性阵列触觉传感器设计与
制备
电价查询1.1 传感器阵列结构设计
为了实现传感器阵列的柔弹性，本文设计的电子皮肤触觉传感器整体结构如图1(a)所示，分别由导电薄膜上（下）电极层、压阻橡胶、多孔PDMS中间层组成。
(a) 传感器结构图
压力
(b) 单个传感单元受力时导电机理示意图
图 1 柔弹性阵列触觉传感器结构及导电机理
上下电极层采用AgNWs和PDMS复合材料制作，其拉伸率可以达到30%以上[15]。中间层PDMS 在上下电极的交叉点处制作3 mm直径的通孔，将直径为3 mm的压阻橡胶圆片插入孔中，组成多孔PDMS中间层。多孔PDMS中间层一方面可以固定压阻橡胶，另一方面由于PDMS具有良好的弹性，可以使插入压阻橡胶的中间层具有良好的弹性，从而降低整个传感器的杨氏模量，增加传感器阵列的柔弹性。本文采用8×8阵列，中间层有64个压阻圆片，每一个压阻圆片作为一个独立的传感单元，传感器整体厚度为1 mm。图1(b)为单个传感单元受到压力时导电机理示意图，当压阻橡胶受力压缩时隧道效应增强，导电填料之间就会形成导电通路，从而压阻橡胶出现导电现象[16]。
1.2 传感器制作
1.2.1 柔性压阻橡胶制作
为了实现传感单元的柔性，将微米镍粉加入有机高分子材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）中制备具有压阻特性的导电橡胶即压阻橡胶。具体制备工艺流程如图2所示，首先使用电子天平分别称取一定比重的PDMS树脂A（美国道康宁公司生产的商用双组份的Sylgrad 184硅橡胶）和镍粉（南宫市佳诺金属材
料有限公司生产，平均粒径为3 µm），将二者倒入烧杯中并缓慢搅拌，以避免镍粉颗粒表面的尖端被破坏，待镍粉和树脂A混合均匀后加入一定比重的固化剂B再次缓慢搅拌，形成镍粉/PDMS胶状混合物。然后将胶状混合物倒入玻璃板上，并置于真空环境中60 min除去混合物中因搅拌而产生的气泡，待气泡去除后再静置20 min使胶状混合物缓慢流动以去除表面因抽气泡而产生的凹坑，当其表面平滑后将另一块玻璃板缓慢盖在上面以获得厚度均匀的压阻橡胶，两块玻璃板中间放入四片玻璃片可以制备不同厚度的压阻橡胶，然后放置于真空干燥箱中加热75 ℃，并固化3 h，固化后可得到一整片压阻橡胶。
PDMS
预聚物 A镍粉
缓慢搅拌固化剂缓慢搅拌
抽真空
盖上玻璃板
加热固化压阻橡胶
苦茶粉图 2 压阻橡胶制备流程
为了获得压阻橡胶在不同配比下的压阻特性，制备了如表1所示的5个厚度为1 mm，直径为5 mm的样品。通过对样品电阻值的测量，可获得
表 1 压阻橡胶质量比
样品12345
质量比3∶1 3.25∶1 3.5∶1 3.75∶14∶1
第 46 卷 第 12 期曹建国，等：机器人仿生电子皮肤阵列触觉传感器研究3
导电填料与硅橡胶基体材料在不同的质量配比下的压阻特性曲线。
压阻特性曲线测试过程如图3所示，将压阻橡胶圆片放在两个铜片之间作为电极，并将铜片固定在万能试验机的夹具上，通过控制橡胶上方夹具的运动速度来控制对压阻橡胶施加的压力，夹具上的铜片与数字万用表相连，并通过数字万用表对其电阻进行测量，测量结果如图4所示。
图 3 压阻特性测量过程
400.0 k 800.0 k 1.2 M 1.6 M 2.0 M
压强/Pa
3:13.25:13.5:13.75:14:1
图 4 压阻橡胶在不同质量比时的压阻特性曲线
由图4可以看出质量比为3的压阻橡胶受到较小压力时几乎不导电，表现为较弱的压阻特性。当质量比从3.25开始增加到3.5时，橡胶受到压力发生弹性变形时电阻值变化巨大，质量比越大受到相同的压力时电阻值变化越大。当质量比从3.75增大到4时，压阻橡胶受到较小的压力时，电阻变化非常大。因此可以根据不同的场景选择不同质量比的压阻橡胶。本文采用质量比为3.5的压阻橡胶作为触觉传感器的敏感单元。
iccn
1.2.2 柔弹性导线薄膜电极层制备
近些年，越来越多的研究者研究基于银纳米线的柔弹性导线和电极[17-19]，采用银纳米线和PDMS 制备的导线电极可以实现良好的柔弹性和导电稳
定性。
柔弹性导线薄膜电极层的制备过程主要分为3个部分（如图5所示）：1）PDMS 模具的制作；2）银纳米线涂层的制作；3）导线电极层制作。
PDMS
PDMS 模具制作固化 PDMS 激光切割剪裁
旋涂 PDMS 固化 PDMS 剪裁
点滴银纳米线溶液干燥
揭掉模具
PDMS 模具
PDMS 银纳
米线
玻璃板
银纳米线层制备
导电薄膜制备银纳
米线溶液硅片硅片
图 5 柔弹性导线薄膜电极层制备流程图
第一步，PDMS 模具制作：首先在室温下将PDMS 树脂A 和固化剂B （质量比通常10∶1）充分混合并搅拌，然后用洁净的玻璃板当载具将混合
后的PDMS 滴在上方，滴加多次可以获得厚度约
为1 mm 的PDMS 薄膜，然后使用真空干燥箱抽
取PDMS 中的气泡，抽完气泡后放入恒温加热炉中70 ℃保温10 h ，即可得到PDMS 薄膜，最后采用激光切割机将PDMS 切割成所需要的形状。第二步，银纳米线层的制作：由于银纳米线制备技术较为成熟，本文直接购买水溶剂的银纳米线溶液，将PDMS 模具平整放置在洁净的硅片上，采用滴管
将银纳米线溶液滴入模具的孔隙中，为了加快银纳米线溶液的干燥，将其放入恒温加热炉中待其干燥后继续滴加银纳米线溶液，反复3~4次由此控制银纳米线电极的厚度，最后将PDMS 模具移除，即可得到银纳米线电极。第三步，柔弹性导线电极制作：在银纳米线电极上方旋涂一层PDMS ，根据旋涂的速度控制PDMS 的厚度，旋涂完成后将硅片放入加热炉中70 ℃保温10 h 即可得到柔弹性导线电极层，如图6所示。
为了验证柔弹性导线电极的性能，对电极进行了循环拉伸试验，如图7所示，循环拉伸50次，并记录相应的电阻值，其电阻值随着拉伸率和循环次数的变化情况如图8所示。由结果可以看出初始状态下拉伸50次后电阻值仅增加了5.4 Ω，且不同拉伸率条件下随着循环拉伸次数的增加，电阻值均缓慢增加。由此可见本文制备的柔弹性导线电极层具
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有良好的导电稳定性，可用于柔弹性电子皮肤触觉传感器电极的使用。
1.2.3 传感器封装
柔弹性触觉传感器阵列的具体封装过程分为三步：第一步，固定下电极层，采用导电银胶和铜片将银纳米线导线引出，待导电银胶将铜片粘好后在银纳米导线的间隙和四周涂上未固化的PDMS ；第二步，将64个压阻圆片分别安装在多孔PDMS 的孔中，保证压阻圆片不掉落，并将多孔PDMS 置于下
电极层上，使压阻圆片和电极层完全重合，按压多
孔PDMS 层使其和下电极层完全贴合；第三步，采用导电银胶和铜片将上电极层的银纳米线导线引出，待导电银胶将铜片粘好后在银纳米导线的间隙和四周涂上未固化的PDMS ，同时将上电极层覆盖在多孔PDMS 上方，使上下电极层的导线相互垂直，同时导线交叉处要与压阻橡胶完全重合，按压上
电极层，使其和PDMS 中间层完全贴合。整体封装后的
传感器实物图如图9所示。
图 9 电子皮肤阵列触觉传感器实物图
2 触觉传感器检测系统设计
传感器阵列信号检测系统的硬件电路原理如图10所示，将运算放大器的正极接地，可以降低传感单元之间串扰引起的测量误差[20]。将传感器阵列的行引出线接入到行扫描电路，列引出线通过运放接入到数据采集卡，采集卡通过USB 接口与计算机相连。传感器系统工作时主要是通过数据采集卡1018 InterfaceKit 发出指令给微控制器，微控制
dsp2812
器通过八选一模拟开关控制行扫描电路的导通，同
图 6 制备完成的柔弹性导线薄膜电极层
拉伸 1 次拉伸 5 次拉伸 10 次拉伸 30 次拉伸 50 次
10
2030
拉伸率/%
图
8 导线薄膜电极层的阻值随拉伸率和拉伸次数变化关
系图
传感器阵列
计算机 LabVIEW
行扫描电路
微控制器
数据采集卡
USB
图 10 硬件电路原理图
图 7 循环拉伸试验
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