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基于导电橡胶填充海绵的柔性压力传感器研究

2024-10-12 1 上传者：管理员

摘要：随着智能机器人的发展，具有精准压力感知能力的电子皮肤成为研究热点。本文使用改性多壁碳纳米管(MWCNTs)和硅橡胶(SR)组成的复合材料及三聚氰胺海绵，采用浸渍工艺，制备了一种高灵敏电阻式柔性压力传感器。阐述了传感器的制作流程，对多壁碳纳米管的改性进行了表征，测试了压力传感器的传感性能，并将传感器装配到机械手上实时检测压力。测试结果表明：制备的海绵压力传感器具有良好的稳定性，宽工作范围(0～580 kPa),快速的响应时间(～46 ms)及良好的重复性(～2 000次)。将传感器装配到定制的3D打印机械爪模具中安装到机械臂上，通过设计的信号采集电路及编写LabVIEW,上位机可以实时获取传感器的信号，得到机械爪上的压力数据，并结合支持向量机算法实现对抓取物体的分类。

关键词：
压力传感器
智能驾驶
柔性传感器
电子皮肤
电阻式
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近年来，柔性传感器因其佩戴舒适性、良好的柔韧性及优异的生物相容性而在电子皮肤[1]、可穿戴设备[2,3]、人机交互[4]及智能驾驶[5]等领域受到广泛关注。与柔性温度传感器[6]及湿度传感器[7]相比，柔性压力传感器[8]的应用更加广泛。柔性压力传感器的主要工作机制有电阻式、电容式[9,10]和压电式[11,12]等，其中，电阻式柔性压力传感器凭借简便的制作流程、容易的信号采集及快速的响应时间而具有更好的应用前景。

压力敏感材料是柔性压力传感器的主要研究内容。Chen T等人[13]以炭黑，碳纳米纤维，热塑性聚氨酯及苯乙烯嵌段共聚物为材料，通过超声共混和浸渍涂层的方法制作了一种柔性压力传感器，该传感器的灵敏度为0.031 6 kPa-1,工作量程达到0～200 kPa并且具有超过1 000次的良好重复性。Zhai W等人[14]提出了一种基于炭黑和聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)的多孔柔性压力传感器，该传感器具有高达91 %应变的线性应变区及0～900 kPa的高量程。Ma L等人[15]使用聚二甲基硅氧烷和银纳米线制作了一种电容式压力传感器装配在手指上用来测量抓取烧杯时手指受到的压力。可见，目前压力敏感材料一般都是直接将导电材料填充到柔性绝缘基体材料中，导电粒子自由移动范围过大，使得传感器的重复性和迟滞特性较差。

本文使用3—氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)改性多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotubes, MWCNTs)与硅橡胶(SR)的复合材料浸渍三聚氰胺海绵来制备一种电阻式柔性压力传感器，制得的传感器具有良好的稳定性、宽工作范围(0～580 kPa)、快速的响应时间(～46 ms)及可靠的重复性(～2 000次)。将传感器安装在机械夹爪上，可以实时测量出夹爪夹取物体时的压力大小，并结合角度传感器，通过支持向量机(support vector machine, SVM)对得到的信号进行分类，分辨出机械手夹取的物体的种类，为机器人电子皮肤的实现提供了全新方案。

1、压力传感单元研制

1.1 传感器制备流程

压力敏感材料的制备流程如图1所示。将2 g MW-CNTs和10 g KH550依次加入100 mL去离子水中并超声分散30 min, 然后将溶液转移到三颈烧瓶中，在88 ℃下恒温加热搅拌24 h后烘干，得到改性后的KH550—MWCNTs。将2 g KH550—MWCNTs和8 g SR在二甲基分散液中混合搅拌4 h, 得到用于浸渍的原液，将切割好的三聚氰胺泡沫放入制得的原液中浸渍5 min, 取出放入烘箱中60 ℃加热固化30 min得到压力传感单元，在传感单元的上下两侧分别涂覆导电银浆，并贴上导电银布作为电极，再放入烘箱60 ℃加热固化30 min, 最终得到1.5 cm×1.5 cm, 厚度为1 mm的柔性压力传感器。

图1 压力敏感材料的制备流程

1.2 材料改性的化学表征

本文采用弹性特性优良的SR作为基体与MWCNTs混合制备浸渍浆料。考虑到MWCNTs之间具有较强的范德华力作用，与SR混合时容易团聚，采用KH550对MWCNTs进行改性，将KH550接枝到MWCNTs的端羟基上，降低MWCNTs的范德华力作用。此外，KH550的化学结构与SR结构相同，改性后的MWCNTs能与SR反应，进一步增强MWCNTs与SR的结合。

对改性前后的MWCNTs进行化学表征。其中，MW-CNTs和KH550—MWCNTs的X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)如图2(a)所示。相对于未改性的MWCNTs, KH550—MWCNTs的XPS谱上新出现了Si 2p和Si 2s特征峰，KH550的主要结构为Si-O-Si键，说明MWCNTs上成功接枝上了KH550。MWCNTs和KH550—MWCNTs的XPS的C1s精细谱如图2(b)和图2(c)所示，在KH550—MWCNTs中，sp3杂化的C——C键显著增强，这是由于KH550水解产生大量的sp3杂化的侧乙基，说明MWCNTs上成功接枝KH550。MWCNTs和KH550—MW-CNTs的X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)光谱如图2(d)所示。从图中可以看出，MWCNTs和KH550—MWCNTs的峰值所处位置差别不大，这表明KH550接枝并没有破坏MWCNTs的物理结构，MWCNTs仍然保持良好的纵横比。

图2 压力敏感材料的化学表征

2、传感器机理与特性分析

2.1 传感器机理分析

本文制备的敏感材料由KH550—MWCNTs/SR复合材料浸渍三聚氰胺海绵制得。三聚氰胺海绵的光学显微镜图片如图3(a)所示，可以明显看见海绵的骨架结构及大量的空隙，这些骨架使海绵具有优异的可压缩性和回弹性。KH550—MWCNTs/SR复合材料浸渍三聚氰胺海绵得光学显微图像如图3(b)所示，可观察到完整的海绵骨架结构，KH550—MWCNTs/SR复合材料均匀浸渍在海绵骨架中，在不影响弹性的情况下，海绵骨架对KH550—MWCNTs/SR起到一个支撑效果，提升材料电阻—压力特性的重复性及迟滞特性。柔性压力传感器的传感机制如图3(c),当未受到压力时，传感网络保持初始状态，电阻较大。当受到压力时，海绵中的复合材料被压缩，MWCNTs会形成更多的导电网络，使传感器的电阻率降低，同时电极间距减小，电阻降低。

图3 敏感材料SEM分析及传感机制

2.2 传感器特性分析

本文使用ZQ—990B型号拉压力机和TH2515型号电阻测试仪对该柔性压力传感器相关的静态特性和动态特性进行测试。其中以相同工艺制作的3只不同批次传感器的相对电阻变化和应力之间的关系如图4(a)所示。其中，压力灵敏度S=ΔR/R0/ΔP,ΔR/R0=(R0-R)/R0,R0和R分别表示未施加压力和施加压力时的阻值，ΔP表示应力的变化量。可以看出，3只传感器的灵敏度差别不大，说明本文研究制作的传感器具有较好的重复性，不同应力下的传感器3电阻变化在0～50 kPa和300～580 kPa的压力范围内显示出2个线性区域，2个区域的灵敏度分别约为6.35×10-3kPa-1和2.94×10-4kPa-1。传感器在不同应力下的迟滞曲线如图4(b)所示，与60 kPa的低压相比，在较大应力(210 kPa及580 kPa)下的迟滞相对较大，这主要是由填料元件和基底之间的摩擦力引起的，该摩擦力是由于填料在拉伸下的滑动以及与释放时重新建立渗流网络相关的延迟时间造成的。本文进一步测量了传感器的响应时间，如图4(c)所示，传感器的加载时间为46 ms, 卸载时间为49 ms, 这说明传感器可以达到20 Hz的频率响应。传感器重复2 000次循环压缩时的相对电阻变化如图4(d)所示，可以看出，传感器在2 000次循环压缩下电阻始终保持稳定，说明本文设计的压力传感器具有优异的重复性，在实际工程应用中将具有良好的应用效果。

图4 传感器特性

3、传感器电路系统

本文设计了一种信号测量电路用于测量柔性压力传感器的信号，信号测量电路的流程框图如图5所示，将受到压力时导致的传感器电阻变化通过R/V转换电路转化为连续电压信号，使用ADS1115芯片对电路转化得到的电压信号进行采集并转化为数字信号，使用单片机读取转化来的数字信号，接着通过软件计算对信号进行还原，得到传感器测得的压力信号。再经蓝牙将还原的压力信号传送至上位机，上位机可通过编写的LabVIEW程序或直接使用串口监视器显示传感器受到的压力信号。

图5 信号测量电路流程

4、机器人抓取应用

将柔性压力传感器装配到3D打印的夹爪上，并安装到机械臂上，通过上述信号测量电路将传感器的两电极连接到上述电路测量传感器即可得到夹爪上受到的压力，如图6所示，使用夹爪夹取空水瓶，通过不断减少两夹爪之间的距离，可以获得夹爪上的力的大小。

图6 夹取水瓶时压力信号

将本文制备的柔性压力传感器安装到机械手的手指指尖位置用来测量机械手抓取物体时的压力信号，并结合机械手本身携带的曲率传感器，通过压力信号和手指的弯曲信号，可以应用于对抓取物体的识别，如图7(a)所示。使用该机械手抓取小木块、中等木块及大胶布时食指的弯曲信号及压力信号如图7(b)所示，可以看出，抓取不同物体时，压力信号的峰值、上升时间、下降时间以及压力信号与弯曲信号之间的时间差均有明显的差异，所以本文对压力信号和弯曲信号进行特征提取时，分别提取压力信号的峰值、上升时间、下降时间以及压力信号与弯曲信号之间的时间差作为特征，使用SVM机器学习算法对抓取上述三种物体进行分类预测。其中，SVM的惩罚参数C设置为0.1,核函数设置为RBF。机械手抓取小、中、大三种物体的示意如图7(c)所示，共收集了300组抓握三种物体时的压力信号和弯曲信号，并将其归一化以建立数据集，其中270组数据为训练集，其余30组数据为测试集。使用SVM算法对抓取三种物体分类的准确率结果如图7(d)所示，可以看出，对三种物体进行识别分类的准确率均达到95 %以上，说明该分类器具有较高的准确度，该传感器在机械手抓取物体分类的应用情景下具有良好的发展前景。

图7 机械手抓取分类

5、结论

本文使用三聚氰胺海绵浸渍KH550改性的MWCNTs和SR混合而成的复合材料制备了一种高灵敏度，宽量程的柔性电阻式压力传感器。表征了改性的复合材料的化学特性，表明KH550对MWCNTs的成功改性；分析了传感器的工作机理并测试了传感器的传感特性，传感器具有6.35×10-3kPa-1的高灵敏度，0～580 kPa的宽量程，低至46 ms的快速响应及高达2 000次的重复性。该传感器成功应用于机械夹爪的压力测量，并且实现了机械手抓取物体时的种类识别，达到超过95 %的高分类准确率，为智能机器人电子皮肤的发展提供了全新选择。

参考文献:

[3]王健,王仲宇,朱文凯,等.基于可穿戴设备的无线组网输液监控系统[J].传感器与微系统,2022,41(6):106-108,113.

基金资助:浙江省科学技术厅领雁计划资助项目(2022C03052); 安徽省教育厅协同创新项目(GXXT-2021-30);

文章来源:刘健,刘平,唐欣悦,等.基于导电橡胶填充海绵的柔性压力传感器研究[J].传感器与微系统,2024,43(10):59-62.