高靈敏度離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的設(shè)計

倪娜,薛曉敏,張陵,王垠

(1.西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院,710055,西安;2.西安交通大學(xué)土木工程系,710049,西安;3.西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院,710049,西安;4.西安理工大學(xué)工程力學(xué)系,710048,西安)

在康復(fù)工程和人機工程中,手指運動狀態(tài)可量化評估是非常重要的[1-2]。一般的運動測量系統(tǒng)價格昂貴,需要專業(yè)的實驗室機構(gòu)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)才能完成,很難用于日常康復(fù)訓(xùn)練及機械手的關(guān)節(jié)運動監(jiān)測[3]。為了對日常的康復(fù)運動和機械手關(guān)節(jié)運動進行有效的可量化評估,采用簡單、便攜而不影響關(guān)節(jié)運動的傳感系統(tǒng)是非常必要的[4]。

電子皮膚的發(fā)展為手指運動監(jiān)測提供了有利的條件。柔軟的壓電式[5-6]、電阻式[7-8]、離子聚合物式(IPMC)[3]、光纖式[9-10]、電容式應(yīng)變傳感器[11-12]均已用于手指運動的監(jiān)測。例如,Sun等研制了壓電電勢型石墨烯應(yīng)變傳感器用于人類活動的監(jiān)測,簡單演示了手指彎曲電流的突變[5];Lu等基于石墨烯和碳納米管研制了一種高靈敏度可拉伸的電阻式應(yīng)變傳感器,這種應(yīng)變傳感器可以穿戴在身上監(jiān)測人體關(guān)節(jié)的彎曲,文中簡單演示了手指關(guān)節(jié)彎曲時傳感器電阻的變化[8]。大部分的電子皮膚或者離子皮膚應(yīng)變傳感器被穿戴在手上,只是簡單地展示了手指彎曲時電信號的突變[13-15],沒有定量地給出手指關(guān)節(jié)角度與輸出電信號的關(guān)系,不能準(zhǔn)確地進行手指關(guān)節(jié)角度的測量。

一些柔性傳感器給出了定量的手指關(guān)節(jié)角度與輸出電信號的關(guān)系。例如,Deng等設(shè)計了一種柔軟的具有自供電功能的壓電傳感器,幫助控制人機交互系統(tǒng)的手勢,該傳感器可以測量從44°到122°的關(guān)節(jié)角度,最小測量角度變化(閾值)為10°[6];Pu等為了構(gòu)建一個機器手同步控制系統(tǒng),基于摩擦電技術(shù)設(shè)計了一種可定量探測關(guān)節(jié)彎曲角度、速度和方向的傳感器,測量了0°到60°的角度變化,其最小測量角度變化為3.8°[16];Zhou等通過3D打印方法制備出一種基于液體金屬的非對稱結(jié)構(gòu)電阻式應(yīng)變傳感器,該傳感器可以監(jiān)測關(guān)節(jié)的角度變化和方向,可測量角度變化范圍從-70°到70°,最小測量角度變化為1°[2]。這些傳感器雖然研究了手指關(guān)節(jié)角度變化與電信號的關(guān)系,但是由于受到傳感材料最大拉伸率的影響,限制了關(guān)節(jié)角度可測量的范圍,并且閾值有待降低。

在可拉伸性、靜態(tài)力測量、制備工藝相對簡單、低能量消耗等方面,柔性離子皮膚電容式應(yīng)變傳感器對于關(guān)節(jié)角度測量展現(xiàn)出很好的特性[17-19]。離子皮膚電容式應(yīng)變傳感器首先由Sun團隊提出,2層離子凝膠電極夾著1層介電彈性體構(gòu)成一種離子皮膚電容式應(yīng)變傳感器[11],該團隊研制了由丙烯酸聚合物(VHB4905)和NaCl離子凝膠電極構(gòu)成的透明、可高度拉伸的離子皮膚,其應(yīng)變可達到500%。文中將其貼附在食指表面,展示了幾次手指彎曲時電容的變化,手指變化了90°左右時,電容改變了13 pF左右,靈敏度大約為0.14 pF/(°)。Lei等基于礦物質(zhì)水凝膠制備了具有修復(fù)功能的離子皮膚,感知了脈搏壓力、手指關(guān)節(jié)變化等,手指變化約為90°,電容改變了約72 pF,靈敏度約為0.8 pF/(°)[12]。Zhang等研究了由具有瞬間自修復(fù)功能的水凝膠電極和介電彈性體構(gòu)成的離子皮膚,其拉伸率可達到200%,測量手指關(guān)節(jié)角度時,手指關(guān)節(jié)變化約為90°,電容改變約為2.4 pF,靈敏度約為0.03 pF/(°)[20]。這些離子皮膚電容式應(yīng)變傳感器對于手指關(guān)節(jié)角度和輸出電容信號的關(guān)系尚缺乏深入的理論研究,同時這些離子皮膚電容式應(yīng)變傳感器的靈敏度對于微操縱抓取機械手和康復(fù)訓(xùn)練所提出的能夠靈敏地分辨出關(guān)節(jié)角度微小變化的要求仍需進一步提高。

由于這些離子皮膚電容式應(yīng)變傳感器均由1層介電彈性體(介電層)和其上、下表面的離子凝膠電極構(gòu)成。通過改變介電層的尺寸(面積、厚度)和介電層材料的相對介電常數(shù)等手段,可以提高離子皮膚應(yīng)變傳感器的初始電容,從而提高離子皮膚應(yīng)變傳感器的靈敏度[19]。但對于實際應(yīng)用和制備工藝來說,介電層面積的增加有一定的限制,傳感器的介電層厚度的減少和相對介電常數(shù)的提高也有一定的限度。

為了解決手指關(guān)節(jié)運動角度的高靈敏度、大范圍和低閾值的測量問題,本文探究了具有3層介電層結(jié)構(gòu)形式的離子皮膚應(yīng)變傳感原理,基于此,構(gòu)建了具有3層介電層結(jié)構(gòu)形式的離子皮膚(簡稱3層離子皮膚)手指關(guān)節(jié)角度傳感器。3層離子皮膚具有的多介電層的結(jié)構(gòu)形式,其相當(dāng)于將3個平行版電容器并聯(lián),可成倍提高初始電容,從而提高手指關(guān)節(jié)角度測量的靈敏度。該3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器可以簡單地貼附在手指關(guān)節(jié)表面,當(dāng)手指關(guān)節(jié)彎曲時,傳感器發(fā)生應(yīng)變,應(yīng)變引起其電容變化,根據(jù)手指關(guān)節(jié)角度與電容信號的關(guān)系,進行手指關(guān)節(jié)角度的測量。通過理論與實驗手段研究3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的傳感輸出模型(手指關(guān)節(jié)從展平一直到完全彎曲狀態(tài)),并與同類傳感器的性能(靈敏度、閾值)對比分析,證實了本文設(shè)計的離子皮膚應(yīng)變傳感器的3層介電層結(jié)構(gòu)形式對手指關(guān)節(jié)角度傳感器性能的提升是顯著的,益于康復(fù)訓(xùn)練患者或微操縱機械手的精準(zhǔn)測量。

1 3層離子皮膚應(yīng)變傳感

為了探究3層離子皮膚應(yīng)變傳感原理,設(shè)計并制備3層離子皮膚應(yīng)變傳感單元,通過理論與實驗手段研究其應(yīng)變傳感模型。

1.1 應(yīng)變傳感單元結(jié)構(gòu)

3層離子皮膚應(yīng)變傳感單元為3層尺寸相同的介電彈性體被4層相同尺寸的離子凝膠電極覆蓋,將隔層電極相連,形成4個電容器并聯(lián)的多層結(jié)構(gòu),離子凝膠電極自帶黏性,可將該多層結(jié)構(gòu)黏為一體。傳感單元上、下表面附著保護層,圖1給出了應(yīng)變傳感單元結(jié)構(gòu)形式。

圖1 3層離子皮膚應(yīng)變傳感單元結(jié)構(gòu)

1.2 應(yīng)變傳感理論模型

3層離子皮膚應(yīng)變傳感單元進行應(yīng)變傳感時,其離子凝膠電極通過電子導(dǎo)體與電容測量儀器相連接,形成混合離子-電子電路。由于低電壓V施加于兩個電子導(dǎo)體之間,所以沒有電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生,沒有電子和離子穿過電子導(dǎo)體和離子電極交界面,在該交界面處形成了雙電層(EDL),雙電層類似于平行板電容器。雙電層與3個并聯(lián)的覆著離子凝膠電極的介電彈性體電容器形成了串聯(lián)關(guān)系。圖2給出了低電壓施加于兩個電子導(dǎo)體之間時的電荷分布情況,圖3為等效電路圖。因此,兩個電子導(dǎo)體之間的電容,即被測電容可以表述如下

(1)

式中:CEDL為雙電層電容;Cdi為第i個介電彈性體電容器的電容。

圖2 3層離子皮膚應(yīng)變傳感單元在低電壓下的電荷分布

圖3 3層離子皮膚應(yīng)變傳感單元在低電壓下的等效電路

由于3個介電彈性體電容器的尺寸和材料相同,使得每個介電彈性體電容器的電容Cd也相同,具體表達式如下

Cd1=Cd2=Cd3=Cd

(2)

將式(2)代入式(1),得到通過電容測量儀測量的3層離子皮膚應(yīng)變傳感單元的電容可以表達為

C=3Cd/(1+6Cd/CEDL)

(3)

由于電子導(dǎo)體與離子凝膠電極相連接的縫隙為納米級別,即雙電層離子電荷與電子電荷之間的距離為納米級別,遠遠小于被介電彈性體分開的兩離子凝膠電極之間的距離,該距離即介電彈性體的厚度,一般大于10 μm。所以,單個介電彈性體電容器的電容Cd遠遠小于雙電層的電容CEDL,即

(4)

將式(4)代入式(3),得到3層離子皮膚應(yīng)變傳感單元被測電容為

C≈3Cd

(5)

根據(jù)式(5),得到測量的3層離子皮膚應(yīng)變傳感單元未變形時的初始電容為

C0≈3C0d

(6)

式中C0d為單個介電彈性體電容器的初始電容。

將介電彈性體看作各向同性不可壓縮超彈性材料,假設(shè)介電彈性體的體積和相對介電常數(shù)不變,當(dāng)介電彈性體傳感器被單軸拉伸的時候,單個介電彈性體電容器的電容變化量[11]能夠被表達為

ΔCd=C0dεd

(7)

式中εd為介電彈性體電容器被拉伸方向的名義應(yīng)變。名義應(yīng)變是指介電彈性體電容器的伸長量與其初始長度的比值。

當(dāng)3層離子皮膚應(yīng)變傳感單元被單軸拉伸時,各個介電彈性體電容器黏為一體,被同時拉伸,各層名義應(yīng)變相同。綜合式(6)(7),3層離子皮膚應(yīng)變傳感單元電容變化量ΔC(測量的電容與初始電容的差值)與名義應(yīng)變關(guān)系近似可以表達為

ΔC=3C0dεd=C0εd

(8)

由式(8)可以看出,3層離子皮膚應(yīng)變傳感單元的靈敏度是尺寸相同的單層離子皮膚應(yīng)變傳感單元靈敏度的3倍。本文所指的單層離子皮膚應(yīng)變傳感單元是由1層介電彈性體和附著在其上、下表面的離子凝膠電極構(gòu)成的。

1.3 應(yīng)變傳感單元制備

離子凝膠電極采用的是聚丙烯酰胺凝膠和氯化鋰合成的高保水性離子凝膠電極。電極的制備過程簡述如下:第1步,將丙烯酰胺和氯化鋰(LiClH2O)溶入到去離子水中。丙烯酰胺的濃度為2.2 mol/L,LiClH2O的濃度為8 mol/L;第2步,依次將交聯(lián)劑(N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺)、熱引發(fā)劑(過硫酸銨)和催化劑(N,N,N′,N′-四甲基乙二胺)加入到混合溶液中,N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺、過硫酸銨和N,N,N′,N′-四甲基乙二胺的質(zhì)量分別是丙烯酰胺的0.06%、0.17%和0.05%;最后,將配制好的溶液注入自制的玻璃模具中,放入50 ℃干燥箱中2 h,使之成膠[21]。根據(jù)文獻[21]可知,制備好的離子凝膠電極在25 ℃室內(nèi)放置60 h后,其失水量可以達到穩(wěn)定狀態(tài)。所以,本文將制備好的離子凝膠電極放置在室內(nèi)120 h后,保證其失水量達到穩(wěn)定狀態(tài)才進行使用。離子凝膠厚度為0.25 mm。

為了便于進行拉伸試驗,介電彈性體選用相對較厚和較硬的商業(yè)化硅橡膠薄膜(DG-gjb001),厚度為0.08 mm,相對介電常數(shù)為3。將離子凝膠電極和硅橡膠薄膜切割成如圖4所示的形狀。利用離子凝膠自帶的黏性,離子凝膠電極和硅橡膠薄膜交替逐層粘貼,4層離子凝膠和3層硅橡膠構(gòu)成了相當(dāng)于3個電容器并聯(lián)的多層離子皮膚應(yīng)變傳感單元。再將其上下表面附著硅橡膠薄膜,起到保護和絕緣的作用。圖5為制備好的3層離子皮膚應(yīng)變傳感單元。

(a)硅橡膠薄膜

(b)離子凝膠電極圖4 切割后的硅橡膠薄膜和離子凝膠電極

圖5 制備的3層離子皮膚應(yīng)變傳感單元

1.4 應(yīng)變傳感測試

將制備好的3層離子皮膚應(yīng)變傳感單元通過單軸拉伸試驗分析其電容變化量與名義應(yīng)變的關(guān)系,對理論模型式(8)進行驗證。名義應(yīng)變是3層離子皮膚應(yīng)變傳感單元的伸長量與其初始長度的比值。

3層離子皮膚應(yīng)變傳感單元的最表層離子凝膠電極通過銅片和導(dǎo)線接入電容測量系統(tǒng)(Pcap01 EVA-KIT)。3層離子皮膚應(yīng)變傳感單元被夾持于萬能試驗機(CMT6530),進行單軸拉伸試驗。圖6為被拉伸前的3層離子皮膚應(yīng)變傳感單元,其長度為15 mm,寬度為5 mm,理論初始電容為74.67 pF。以7.5 mm/min的拉伸速率,將其拉伸1倍。被單軸拉伸的3層離子皮膚應(yīng)變傳感單元的名義應(yīng)變和電容變化量的關(guān)系如圖7所示,在拉伸1倍時,名義應(yīng)變與電容變化量呈現(xiàn)線性關(guān)系,并與理論公式吻合較好。通過3層離子皮膚應(yīng)變傳感單元單軸拉伸試驗的結(jié)果與理論模型對比,如圖7所示,證實了3層離子皮膚應(yīng)變傳感單元單軸拉伸名義應(yīng)變與電容變化量理論關(guān)系的正確性和一致性。

圖6 3層離子皮膚應(yīng)變傳感單元單軸拉伸實驗

圖7 3層離子皮膚應(yīng)變傳感單元被拉伸時的 電容變化量

2 3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感

基于高靈敏度的3層離子皮膚應(yīng)變傳感模型,構(gòu)建3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器(3層介電層)。建立3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的理論模型;結(jié)合理論模型,實驗研究3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的輸入輸出關(guān)系、靈敏度、測量范圍及閾值,并與單層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器(單介電層)和其他現(xiàn)有傳感器的靈敏度和閾值對比分析,驗證3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的靈敏性。

2.1 關(guān)節(jié)角度傳感器結(jié)構(gòu)

3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖8所示,最上層介電彈性體為保護層,中間為4層離子凝膠電極夾著3層介電彈性體(硅橡膠Ecoflex 0050)構(gòu)成的3層離子皮膚應(yīng)變傳感單元,最下層為黏結(jié)層(丙烯酸類雙面膠VHB4905)。該傳感器可通過黏結(jié)層(丙烯酸類雙面膠VHB4905)被粘貼于食指關(guān)節(jié)處進行手指關(guān)節(jié)角度的測量。

圖8 3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的結(jié)構(gòu)

2.2 關(guān)節(jié)角度傳感理論模型

如圖9a所示,O點為近端指間關(guān)節(jié)中軸點,M點為遠端指間關(guān)節(jié)中軸點,N為掌指關(guān)節(jié)中軸點。當(dāng)手指展平的時候,MO與ON近似在一條直線,長度為t1+t2,對應(yīng)手指上表面的長度也為t1+t2。當(dāng)近端指間關(guān)節(jié)彎曲的時候,手指上表面被拉伸。分別過M、O和N向手指上表面做垂線MM′、OP、OR和NN′。假設(shè)近端指間關(guān)節(jié)對應(yīng)的手指彎曲上表面SPR與中節(jié)指骨和近節(jié)指骨對應(yīng)的平面SM′P、SN′R平滑連續(xù)相連。近似認(rèn)為中節(jié)指骨中線OM和近節(jié)指骨中線ON分別與面SM′P和面SN′R平行。根據(jù)幾何關(guān)系,得到面SM′P和面SN′R的長度之和等于t1+t2。因此曲面SPR的長度即為手指從展平狀態(tài)到手指關(guān)節(jié)彎曲時手指上表面增加的長度。

(a)手指整體側(cè)視圖

(b)近端指間關(guān)節(jié)局部放大圖圖9 手指近端指間關(guān)節(jié)彎曲側(cè)視圖

因為假設(shè)曲面SPR和平面SM′P、SN′R都平滑連續(xù)的相連,即每個連接處的切平面是共同的,因此手指近端指間關(guān)節(jié)角度為近節(jié)指骨和中節(jié)指骨之間的角度,用θ表示,如圖9a所示。進一步假設(shè)曲面SPR的彎曲程度沿手指寬度方向一致,將三維問題簡化為平面問題,曲面SPR看為曲線XPR,如圖9b所示。將曲線XPR劃分成N份具有不同定常曲率的曲線。Si代表第i個被劃分的曲線,φi代表Si曲線所對應(yīng)的中心角,ρi和ri為Si曲線所對應(yīng)的常數(shù)曲率和曲率半徑。

3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器全部覆蓋在近端指間關(guān)節(jié)彎曲表面。手指關(guān)節(jié)彎曲時,由于硅橡膠薄膜和離子凝膠電極相對手指厚度較薄,假設(shè)3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的每層變形一致,被拉伸的名義應(yīng)變εd與手指關(guān)節(jié)上表面名義應(yīng)變相同

(9)

式中:L0是3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的初始長度;L是3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器增加的長度,即曲線XPR的長度。Li是被劃分的任意曲線Si的長度,它與曲線Si所對應(yīng)的中心角φi存在如下幾何關(guān)系

ΔLi=riφi

(10)

式中ri為被劃分任意曲線Si所對應(yīng)的曲率半徑。

由式(10)可以得到

(11)

由于假設(shè)關(guān)節(jié)彎曲的曲面SPR和平面SM′P、SN′R都平滑連續(xù)的相連,每個連接處的切平面是共同的。如圖9所示,M′P的延長線與N′R的延長線相交于Q點,構(gòu)成角θ。根據(jù)幾何關(guān)系有

(12)

將式(11)(12)代入式(9),整理得到手指關(guān)節(jié)角度θ與名義應(yīng)變εd的關(guān)系如下

θ=π-ξL0εd

(13)

式中ξ=α-1,由實驗數(shù)據(jù)獲得。根據(jù)式(8)可知,3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的名義應(yīng)變可以表達為

(14)

將式(14)代入式(13),得到手指關(guān)節(jié)角度與電容相對變化量C/C0的關(guān)系為

(15)

整理式(15),得到3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器輸出ΔC與輸入θ的關(guān)系為

(16)

從式(16)可知,該3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的電容變化量與手指關(guān)節(jié)角度具有良好的線性關(guān)系,并且其靈敏度為-3C0d/(ξL0)。3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的靈敏度是單層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的3倍。

2.3 關(guān)節(jié)角度傳感器制備

離子凝膠電極采用的是聚丙烯酰胺凝膠和氯化鋰合成的高保水性離子凝膠電極,制備方法與1.3節(jié)相同。介電彈性體采用的硅橡膠薄膜(Ecoflex 0050)的制備方法如下:按照1∶1的質(zhì)量比混合A和B兩種Ecoflex的預(yù)聚物,然后將混合的預(yù)聚物抽真空除去氣泡,用流延機(MSK-AFA-L800)將其涂在PET薄膜上,在室溫條件下放置3h令其固化,固化后的硅橡膠薄膜厚度在0.032 mm左右。使用激光切割機(Versa Laser VLS2.30)分別將硅橡膠薄膜、離子凝膠電極切割成所要求的形狀。4層從PET分離下來的硅橡膠薄膜和4層離子凝膠電極交替逐層粘貼(圖8),丙烯酸類雙面膠(VHB4905)作為黏結(jié)層,構(gòu)成3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器。將該傳感器粘貼于食指近端指間關(guān)節(jié)處。圖10a給出了穿戴在手上的3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器。3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器長為20 mm,寬為5 mm。單層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器與3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器材料和尺寸相同,不同的是單層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器是2層硅橡膠薄膜和2層離子凝膠電極交替逐層粘貼而成,如圖10b所示。

(a)3層

(b)單層圖10 粘貼于食指近端指關(guān)節(jié)的離子皮膚 手指關(guān)節(jié)角度傳感器

2.4 關(guān)節(jié)角度傳感測試

為了得到3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器及單層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器電容相對變化量與手指關(guān)節(jié)角度的關(guān)系,對離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器進行標(biāo)定。標(biāo)定系統(tǒng)如圖11所示,標(biāo)定方法如下:手指關(guān)節(jié)角度傳感器輸出的電容信號通過電容測量系統(tǒng)(Pcap01 EVA-KIT)及所帶的軟件進行采集并儲存于計算機;手指關(guān)節(jié)角度通過運動捕獲系統(tǒng)(相機和圖像處理軟件Photoshop CS6)獲取,將相機固定于鏡頭與手指側(cè)面垂直并同一水平面的位置,在手的位置一直保持不變的情況下,拍攝手指關(guān)節(jié),進而用Photoshop CS6軟件通過照片測量得到手指關(guān)節(jié)角度。4個點標(biāo)記在食指側(cè)面,便于運動捕獲系統(tǒng)進行食指關(guān)節(jié)角度測量。

圖11 離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器標(biāo)定系統(tǒng)

測試中,分別穿戴單層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器和3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器,食指從展平狀態(tài)開始每次彎曲10°左右,一直到手指不能再彎曲為止,重復(fù)進行5次,穿戴3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的手指關(guān)節(jié)角度變化如圖12所示。手指每變化10°左右時,手指保持不動10 s以上的時間,便于電容測量系統(tǒng)和運動捕獲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。電容數(shù)據(jù)采樣頻率為3 Hz。

(a)食指展平狀態(tài)

(b)食指彎曲狀態(tài)圖12 穿戴3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的 手指關(guān)節(jié)角度變化

通過實驗得到3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的電容相對變化量與手指關(guān)節(jié)角度(弧度)的關(guān)系,如圖13所示。二者的擬合公式為

(17)

圖13 3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器電容相 對變化量與手指關(guān)節(jié)角度的關(guān)系

該直線擬合優(yōu)度R2=0.991。擬合公式的形式與理論式(15)的形式相吻合,證實了3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的電容相對變化量與關(guān)節(jié)角度具有良好的線性關(guān)系。3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的長度L為0.02 m,則由實驗結(jié)果可以得出手指關(guān)節(jié)角度與電容相對變化量的理論關(guān)系式(15)中的系數(shù)ξ為99.625。修正的3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的電容相對變化量與被測手指關(guān)節(jié)角度的關(guān)系式為

(18)

將弧度轉(zhuǎn)化為角度,得到修正的3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的電容相對變化量與被測手指關(guān)節(jié)角度的關(guān)系式為

(19)

將C/C0實驗值代入式(19)得出手指關(guān)節(jié)角度θ,將其與運動捕獲系統(tǒng)測量出的手指關(guān)節(jié)角度θm進行對比,結(jié)果如圖14所示,由修正的3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的電容相對變化量與被測手指關(guān)節(jié)角度的關(guān)系式得出手指關(guān)節(jié)角度。從圖中可以看出,由修正的關(guān)系式得出的手指關(guān)節(jié)角度與運動捕獲系統(tǒng)所測出的手指關(guān)節(jié)角度很好地吻合,數(shù)據(jù)幾乎都在θ=θm直線附近,證實了3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器測量的準(zhǔn)確性。所以,3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器能夠很好地檢測手指關(guān)節(jié)角度,測量角度范圍為180°(手指展平狀態(tài))到81.4°(手指完全彎曲狀態(tài))。

圖14 修正的關(guān)系式給出的手指關(guān)節(jié)角度θ與 運動捕獲系統(tǒng)測量角度θ m的對比

2.5 靈敏度對比分析

圖15分別給出了單層和3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器電容變化量與手指關(guān)節(jié)角度的關(guān)系,將實驗數(shù)據(jù)擬合,可以得出3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的輸出(電容變化量)與輸入(手指關(guān)節(jié)角度)的關(guān)系為ΔC=-2.163θ+386.677,靈敏度是-2.16 pF/(°);單層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的輸出與輸入的關(guān)系為ΔC=-0.608θ+104.830,靈敏度是-0.61 pF/(°)。從理論式(16)可知,3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器用于手指關(guān)節(jié)角度測量的靈敏度是相同尺寸單層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的3倍。該3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器相當(dāng)于3個單層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器并聯(lián),由于尺寸相同,其靈敏度是單層的3倍。從實驗結(jié)果可以看出,3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的靈敏度是單層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的3.5倍,這與理論上的3倍存在一定誤差,究其原因主要在于制作上的誤差導(dǎo)致3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器與單層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的初始電容不是標(biāo)準(zhǔn)的3倍關(guān)系,3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器初始電容為249.89 pF,單層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器初始電容為73.18 pF,3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器初始電容是單層的3.4倍。此外,手工制作和人工粘貼傳感器于手指關(guān)節(jié)的位置也存在偏差,進而導(dǎo)致3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的靈敏度是單層的3.5倍?？傊?從理論和實驗兩個方面可以看出,3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器用于手指關(guān)節(jié)角度測量的靈敏度相對于單層的靈敏度而言有較大幅度的提高。

圖15 3層和單層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器 的電容變化量與手指關(guān)節(jié)角度的關(guān)系

與現(xiàn)有文獻對比結(jié)果見表1,可見本文設(shè)計的3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的靈敏度分別約是Yang等設(shè)計的運動傳感器[22]靈敏度的10倍、Sun等設(shè)計的傳感器[11]靈敏度的15倍、Lei等研究的傳感器[12]靈敏度的2.7倍,證明本文設(shè)計的3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器具有相當(dāng)高的靈敏度。

表1 不同電容式手指關(guān)節(jié)角度傳感器靈敏度對比

2.6 小角度傳感實驗驗證

為了驗證3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器測量的靈敏性和實際可用性,首先進行手指關(guān)節(jié)小角度變化測量實驗,即閾值的測量。閾值指的是當(dāng)傳感器的輸入從0開始逐漸增加,只有達到某一最小值后,才能夠測量輸出的變化,這個最小值稱為傳感器的閾值[24]。閾值也是傳感器在零點附近的分辨力。分辨力越小,傳感器越靈敏。

圖16 食指彎曲小角度

圖17 食指彎曲小角度時的電容變化量

實驗觀察手指關(guān)節(jié)彎曲小角度時,3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的電容變化。為了便于小角度的測量,將制備的3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器粘貼于木質(zhì)手模的食指近端指間關(guān)節(jié)處(仿成年男子,大小與前述實驗真人手指大小相仿),測試方法如2.4節(jié)所述。實驗前在食指側(cè)面中線處畫上黑色標(biāo)記線,便于利用軟件進行手指關(guān)節(jié)角度的測量。食指關(guān)節(jié)彎曲小角度情況見圖16,食指關(guān)節(jié)從展平狀態(tài)彎曲了3次,對應(yīng)的食指關(guān)節(jié)角度為179.1°、177.5°和175.5°。彎曲后的食指關(guān)節(jié)角度對應(yīng)的電容變化量如圖17所示。食指關(guān)節(jié)角度變化0.9°時,3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器電容信號變化非常明顯。因此,該3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器可以測量1°以下甚至更小的手指關(guān)節(jié)角度變化。所用電容測量系統(tǒng)(PCap?1 EVA-KIT)最小探測電容信號變化為25 fF[25],3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器初始電容為249.89 pF,將它們代入式(19),得到該3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器理論上可探測到手指關(guān)節(jié)角度變化0.01°。將本文可測量的最小手指關(guān)節(jié)角度變化(閾值)與其他文獻對比,見表2,本文的3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的測量閾值更低。

表2 不同角度傳感器閾值對比

(a)輕輕握杯

(b)用力握杯圖18 穿戴3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的 食指握杯

在上述研究基礎(chǔ)上,進一步驗證3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的實用性。為此,將3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器粘貼于食指關(guān)節(jié)(近端指間關(guān)節(jié)),用食指握住直徑大約為10 cm的玻璃水杯,觀察3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的電容變化。如圖18a和圖18b所示,在輕輕握住與用力握住兩種狀態(tài)下,食指關(guān)節(jié)角度的變化很小,肉眼不能判斷出食指關(guān)節(jié)角度的變化,僅僅可以通過觀察手指指尖的顏色變化宏觀的判斷出手指是否用力;而通過3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器電容的明顯變化可以得到手指角度的變化量(圖19)。如圖18b所示,由于杯身較粗,當(dāng)手指緊握杯子時,手指的中間關(guān)節(jié)變得較平,即角度增大。根據(jù)式(19)可知,關(guān)節(jié)角度增大時,電容減小,這與圖19中電容變化趨勢一致。圖19顯示電容變化了7 pF左右,根據(jù)3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的靈敏度2.16 pF/(°),可推算出手指關(guān)節(jié)(近端指間關(guān)節(jié))角度從輕輕握住杯子到用力握住杯子變化了3.2°。

圖19 輕握和緊握杯子時3層離子皮膚手指關(guān)節(jié) 角度傳感器的電容

3 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種由柔軟、高度可拉伸的離子凝膠電極和硅橡膠構(gòu)成的3層(多介電層)離子皮膚應(yīng)變傳感單元,基于此,構(gòu)建了一種高靈敏度、大測量范圍和低閾值的3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器。通過理論和實驗手段研究了3層離子皮膚的應(yīng)變傳感模型,證實了在單軸拉伸100%內(nèi),3層離子皮膚的電容變化量與名義應(yīng)變具有良好的線性關(guān)系。推導(dǎo)了3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的傳感理論模型,實驗研究了該3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器輸出電容信號與手指關(guān)節(jié)角度的定量關(guān)系。實驗結(jié)果表明,該3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器具有高度的靈敏性,其靈敏度是單層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的3.5倍,也是其他同類傳感器靈敏度的2倍以上。并且該3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器的電容變化量與關(guān)節(jié)角度具有良好的線性關(guān)系,可以監(jiān)測手指關(guān)節(jié)從展平狀態(tài)到完全彎曲狀態(tài)的各個角度,閾值在1°以下。此外,本文制備的3層離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器柔軟輕薄,不影響手指關(guān)節(jié)的運動,制作簡單,價格低廉,易批量生產(chǎn)。因此,本文提出的多介電層結(jié)構(gòu)形式的離子皮膚手指關(guān)節(jié)角度傳感器在康復(fù)工程和人工抓取機械手領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。