在智能机器人领域中，柔性压力传感器因具有巨大应用潜力受到持续的关注[1]。柔性压力传感器根据信号转换机理的不同可分为电容式[2]、压电式[3]、压阻式[4]和摩擦电式[5]等类型，其中电容式压力传感器因其低功耗、快速响应以及良好的稳定性被广泛关注。然而，受限于电容极板间距，此类传感器灵敏度较低[6]。若介电层采用离子液体，在电场的作用下，介电层内自由移动的离子能够在电极表面形成纳米级的电容极板间距，构成双电层(EDL)电容，其单位面积电容可显著提升，故而灵敏度极高[7]。

引入微结构是提升电容传感器灵敏度的主要手段[8]。例如，Q.Su等人[9]设计了具有弯月形顶部的微柱阵列介电层，具有0.61 Pa的超低检测限以及21 ms的快速响应时间，但测量范围较窄。为了扩大传感器测量范围，Q.Zou等人[10]通过向介电层中引入分层微脊结构，制备出了高灵敏的电容式压力传感器，在低压范围(<400 Pa)内具有145.45 kPa-1的高灵敏度。为了更进一步提高传感器灵敏度，Z.Y.Yan等人[11]同时在电极和介电层表面使用激光直写的方法刻蚀出波浪形微结构，使传感器具有986 kPa-1的高灵敏度。微结构主要是通过诱导局部应力集中提高灵敏度，然而，随着压力增大，规则表面微观结构形变逐渐达到饱和，灵敏度急剧下降，这一特性导致电容式柔性压力传感器很难同时具备高灵敏度和宽压力测量范围。

本文使用聚乙烯醇(PVA)和溴化钠(NaBr)制备具有良好性能的离子凝胶介电层，通过倒模构筑具有纱网-砂纸表面特性的复合介电层微结构，制得一种高灵敏度(12.58 kPa-1)和宽量程(0～270 kPa)的柔性电容式压力传感器。将所制备的压力传感器集成到二指夹具上构建机器人柔性触觉末端，可在夹持以及旋拧作业中监测被夹持物体的受力状态，并能及时触发安全保护，在电力巡检机器人智能作业中具有较好的应用前景。

1、柔性压力传感器设计与制备

传感器制备流程如图1所示。首先制备PVA-NaBr介电层，将1 g PVA和去离子水以1∶30的质量比进行配比，使用磁力搅拌器在150 ℃下搅拌2 h, 使PVA完全溶解，另取0.2 g NaBr和去离子水以1∶10的质量比进行配比，在常温下磁力搅拌1 h, 直到NaBr完全溶解。然后将两溶液以1∶1的体积比混合，在60 ℃下搅拌0.5 h至溶液黏稠后，将溶液缓慢倾倒入由纱网和砂纸组成的模具中，放入烘箱在70 ℃下放置2 h烘干，并进行脱模处理，得到复合微结构的离子凝胶介电层。将离子凝胶介电层和两层导电电极以三明治形式封装即制备得到传感器。

图1 基于PVA-NaBr的传感器制备流程图

PVA是一种具有碳链主链的聚合物，羟基与甲烷碳相连，羟基基团内部的氢键提高了离子凝胶的力学性能[12],同时可有效储存NaBr与水分子，作为内部离子迁移路径实现离子转移，从而具有良好的介电性能。PVA及PVA-NaBr离子凝胶的傅里叶变换红外光谱(FTIR)如图2所示。可见，当加入NaBr后，PVA-NaBr光谱分别在1 340和2 029 cm-1处出现新特征峰，这两处峰是NaBr所特有的，表明PVA与NaBr构成稳定络合物。络合物在2 859 cm-1处的峰值强度出现较大改变，这是由于向PVA中引入了NaBr和水分子后，PVA表面O—H键发生伸缩振动，该现象也表明PVA与NaBr以及水分子之间产生氢键相互作用，络合物更加稳定[13]。

图2 PVA-NaBr离子凝胶的FTIR

离子浓度决定了介电层-电极界面电容的大小，影响传感器灵敏度。通过改变NaBr的质量分数探究NaBr与PVA配比对传感器灵敏度(S)的影响。图3为在不同NaBr质量分数下压力传感器的相对电容-压力变化曲线。图3中ΔC为电容变化量，C0为传感器初始电容，ΔC=C-C0,其中C为按压时传感器实际电容。

图3 不同NaBr质量分数下压力传感器的相对电容-压力曲线

由于NaBr质量分数的增加使得介电层内部离子含量提高，EDL电容增大，使得单位面积电容增加，故而随着NaBr质量分数增加，传感器的电容变化量逐渐增加。但当NaBr质量分数超过20%时，由于离子浓度过大，传感器出现电击穿，因此NaBr质量分数不应超过20%。当NaBr的质量分数为15%时，在宽压力范围(75～270 kPa)下的灵敏度为12.58 kPa-1,当NaBr的质量分数为10%时灵敏度次之，质量分数越小，传感器灵敏度越低。因此最终采用NaBr质量分数为15%的PVA-NaBr离子凝胶制备介电层。

研究不同微结构(纱网-砂纸、纱网、无微结构)对传感器灵敏度的影响，如图4所示。表面无微结构时，传感器电容变化依赖于压力作用下极板间距变化，介电层-电极界面面积几乎不变，传感器灵敏度较低(3.75 kPa-1),且压力工作范围窄。在砂网倒模下制备的介电层表面微结构较为平整，传感器电容变化容易饱和，因此在0～260 kPa压力下具有一定的灵敏度(10.92 kPa-1)。在纱网-砂纸倒模下，介电层表面粗糙的部分与下层梯形部分共同形成的复合微结构在低压下(0～75 kPa)容易发生变化，具有较高的灵敏度(26.85 kPa-1),在较高压力下(75 ～270 kPa)也能避免微结构形变饱和，且仍具备一定的灵敏度(12.58 kPa-1)。

图4 不同微结构传感器的相对电容-压力曲线

2、传感器的工作机制与静、动态特性分析

基于PVA-NaBr离子凝胶薄膜的压力传感器传感机理如图5所示。在初始状态下，由于介电层表面粗糙，电极与介电层之间接触面积较小。施加小压力时，粗糙表面开始形变，介电层与电极间的接触面积增加，传感器电容增大。压力进一步增大时，介电层粗糙部分形变逐渐饱和，介电层表面微结构几乎不变，极板间距缩小。与未带有微结构的介电层相比，带有不规则梯形微结构的介电层在受到相同压力时更容易发生形变，介电层与电极接触面积发生明显变化，因此电容的相对变化更大，传感器灵敏度更高，并且由于复合结构的存在，在大压力的作用下传感器依然能保持传感性能。

图5 基于离子凝胶的电容式压力传感器工作机理

图6(a)所示为传感器线性度测试结果，其中插图为传感器电容-压力变化曲线。在0～75 kPa压力范围内传感器具有高灵敏度(S=26.85 kPa-1)的同时相关系数R2为0.994,在75～270 kPa压力范围内传感器相关系数R2为0.997,压力检测上限约270 kPa。对传感单元进行不同步进的台阶加载测试，结果如图6(b)所示。传感器分辨率最小可达1 kPa, 具有较高的分辨精度，传感量程可达270 kPa, 对0～270 kPa范围内压力变化均有较高的识别度。传感器阶跃响应测试结果如图6(c)所示，电容稳定所需时间为75 ms, 当卸载压力时，电容回到稳定所需时间为60 ms。图6(d)为传感器频率响应特性曲线，在4 Hz低频信号下具有良好的频率响应特性。

图6 传感器的静态特性和动态特性测试结果

3、用于智能机器人的触觉末端设计

机器人智能作业时，触觉可为其提供丰富的物理信息，特别是力感知在作业过程中尤为重要[14]。为了检测夹取以及旋拧时物体的受力状态，并对特殊状态进行预警，避免发生滑移和过载的情况，将上述压力传感器集成在一个柔性触觉末端上，其结构如图7(a)所示，夹爪末端两侧平台前端设有压力传感器1,用于感知夹持较大物体时的压力，中间设有弧形凹槽，内部前端有方形凹槽，由弹性体填充，方形凹槽左右两端放置压力传感器2、3,用于检测旋拧时的切向力大小，方形凹槽底部放置压力传感器4,用于检测旋拧时法向力大小。如图7(b)所示，当对圆柱形物体进行旋拧操作时，触觉末端凹槽内部的弹性体首先接触圆柱体，弹性体受到圆柱体切向摩擦力向切向方向发生形变，凹槽两侧传感器2、3检测压力变化，并将输出信号进行差分处理，检测物体切向力受力状态。如图8所示，触觉末端信号处理电路由电源、微控制单元(MCU,型号为STM32F103)、蓝牙模块和电容采集芯片(型号为FDC2214)组成。FDC2214电容采集芯片能将电容值转换为28 bit数字信号，数据通过蓝牙传输到上位机进行处理及显示，上位机接收电容信号并判断触觉末端作业状态。

图7 柔性触觉末端结构及作业示意图

图8 柔性触觉末端电路原理图

图9为触觉末端施加法向力(F)时传感器2、3、4电容及切向电容曲线。图中切向电容为传感器2、3所测得差分电容(切向电容=传感器2电容-传感器3电容),法向电容为传感器4所测得电容。在1 s时施加压力，传感器4受法向力作用，相对电容变化最大。弹性体受压力作用发生形变，挤压传感器2、3,传感器2、3相对电容同时增大，且变化值几乎相同。在3 s时法向力进一步增大，传感器2、3、4相对电容随之增大。在5和9 s时法向力减小，传感器2、3、4相对电容值随之减小。在整个过程中，压力传感器4对法向力变化敏感，传感器2、3在相同法向力下相对电容变化几乎相同，通过对传感器2、3电容进行差分处理，切向电容变化可忽略。

图9 法向力下传感器信号变化

图10为触觉末端施加不同切向力时各传感器电容及切向电容变化曲线。在1 s时施加切向力，传感器2相对电容增加，传感器3相对电容几乎保持不变，差分电容增大。在5 s时，切向力减小，传感器2的电容和差分电容减小。在6 s时向相反的方向施加切向力，传感器2相对电容保持不变，传感器3相对电容增加，差分电容减小。在10 s时切向力减小为零，传感器2、3的电容及差分电容恢复至初始状态，表明触觉末端具有良好的切向力感知能力。

图10 切向力下传感器信号变化

4、具有触觉末端的机器人智能作业

将触觉末端安装于Robotiq 2f-85机械爪上，并应用到不同电力巡检旋拧作业场景内，对旋拧操作是否正常进行过程监测，保护待旋拧对象。本文首先以旋拧具有圆形螺纹接口的单模ST尾纤插头为例，分别对其旋拧过程中产生的相对滑动、正常旋拧及卡壳三类情况进行信号分析，阐述不同情况下的信号特征差异。三种情况下的法向电容阈值设置为2 973、3 920和5 830 pF,调节触觉末端对尾纤的夹持力，使法向电容(传感器4)上升达到不同阈值，然后进入该情况下的作业过程模拟。

相对滑动状态下触觉末端信号变化如图11所示，模拟相对滑动过程，夹持尾纤，法向电容上升至2 973 pF,此时切向电容未见显著上升。随后，机械臂开始旋拧，较小法向力导致摩擦力过小，无法拧动尾纤插头，触觉末端和光纤插头之间出现滑动，触觉末端检测切向电容维持在1 340 pF。正常旋拧时，由于光纤插头与固定底座会产生相对转动，切向电容会产生骤降。但处于相对滑动状态时，切向电容信号不会出现剧烈下降，同时，弹性体由于摩擦顿挫产生轻微抖动，切向信号中存在明显的高频分量。上位机检测到切向电容未出现明显下降且具有高频信号特征，法向电容又较小，因此判断旋拧操作未完成。最后，释放光纤插头，法向电容下降到C0、切向电容下降为0。

图11 相对滑动状态下触觉末端信号

正常旋拧状态下触觉末端信号变化如图12所示，模拟正常旋拧过程，夹持尾纤，法向电容上升至3 920 pF,光纤插头所受的摩擦力增大至被拧动所设置的摩擦力阈值。在刚被拧动瞬间，光纤插头相对于固定底座开始转动，摩擦力类型由静摩擦转向滑动摩擦，因此所受摩擦力会剧烈下降，切向电容出现尖峰。在被拧动后一段时间，光纤插头相对于接口保持滑动摩擦状态，切向电容下降至一定范围后稳定，上位机检测到切向电容曲线中未出现明显高频分量且存在较大的电容突变，因此判断触觉末端扭动光纤插头。最终，释放光纤插头，法向电容下降到C0、切向电容下降为0。

图12 正常旋拧状态下触觉末端信号

卡壳状态下触觉末端信号变化如图13所示，模拟旋拧出现卡壳的过程，触觉末端夹持尾纤，法向电容(传感器4)上升至5 830 pF,出现旋拧卡壳现象。进行旋拧动作时，夹爪与光纤插头之间几乎没有相对滑动，夹爪抖动可忽略，光纤插头所受摩擦力不会发生较大变化，因此切向电容较大并且无高频信号以及尖峰，切向电容维持在4 524 pF,上位机检测到法向电容与切向电容较大，切向电容信号平稳，因此判断触觉末端进入预警状态，随后释放，法向电容下降到C0、切向电容下降为0。

图13 卡壳状态下触觉末端信号

将触觉末端应用于旋钮时，可监测并调整在旋拧旋钮时法向力的大小，以确保正常完成旋拧旋钮的动作，本文通过触觉末端旋拧电位器旋钮调节小灯亮度，如图14所示。触觉末端首先夹持旋钮，增大夹持力，在稳定1 s后开始旋拧。在旋拧开始阶段，触觉末端切向力逐渐增大至一定值后会剧烈下降，表明触觉末端旋拧旋钮成功，小灯被点亮。继续旋拧，小灯亮度逐渐增大，法向力几乎保持恒定，当旋拧旋钮达到最大值时，小灯亮度达到最大，切向力急剧增大，当达到设定最大切向力阈值时，触发预警，触觉末端释放旋钮，切向力和法向力迅速下降，完成旋拧旋钮动作。

图14 触觉末端控制电位器旋钮调节小灯亮度时法向力和切向力电容变化曲线

5、结论

本文利用PVA、NaBr制备了PVA-NaBr凝胶，以纱网-砂纸倒模工艺制备了具有复合微结构离子凝胶介电层的柔性电容式压力传感单元。通过分析讨论材料配比、不同表面微结构对传感器灵敏度的影响，采用NaBr质量分数为15%的离子凝胶介电层和纱网-砂纸复合微结构制得高灵敏柔性压力传感器，其具有高灵敏度(12.58 kPa-1)、宽工作范围(0～270 kPa)以及快速响应特性(60 ms)等优势。将该电容式传感单元集成于触觉末端中，可监测触觉末端在夹取、旋拧作业时的受力状态，并对触觉末端动作状态做出判断，以上结果表明本文所研制的柔性触觉末端在电力巡检机器人智能作业中具有较好的应用前景。

基金资助:国家电网有限公司科技项目(B312M023000R); 安徽省教育厅协同创新项目(GXXT-2023-075)

文章来源:郭欣欣,滕飞,郭旭,等.用于电力巡检机器人智能夹持及旋拧作业的柔性触觉末端[J].微纳电子技术,2024,61(10):114-121.