一種用于智能機(jī)器人皮膚的柔性多功能觸

覺傳感器設(shè)計(jì)摘要：為實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人皮膚對(duì)三維力和溫度的檢測(cè)，設(shè)計(jì)并制作了一種新型的柔性多功能觸覺傳感器?；谔亢谝还柘鹉z顯著的壓阻效應(yīng)設(shè)計(jì)了四電極對(duì)稱結(jié)構(gòu)的三維力傳感器，基于碳纖維一PDMS顯著的溫度敏感效應(yīng)設(shè)計(jì)了叉指電極結(jié)構(gòu)的溫度傳感器，分析了檢測(cè)三維力和溫度的工作原理。針對(duì)2種導(dǎo)電復(fù)合材料存在的力學(xué)/溫度敏感特性交叉干擾問(wèn)題，將三維力和溫度傳感器以凹凸?fàn)罱惶媾挪挤绞浇M成柔性多功能陣觸覺傳感器陣列。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種新型的柔性多功能觸覺傳感器具備檢測(cè)三維力及溫度的功能，可應(yīng)用于機(jī)器人的敏感皮膚。關(guān)鍵詞：多功能觸覺傳感器；智能機(jī)器人皮膚；三維力；溫度1、引言目前，機(jī)器人敏感皮膚是智能機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。智能機(jī)器人工作時(shí)不可避免地需要與各種物體接觸，會(huì)遇到有許多不可預(yù)知的障礙，這就需要機(jī)器人能很好地感知到觸覺信息。為了適應(yīng)這些需求，研究出類似人類皮膚的機(jī)器人敏感皮膚就顯得尤為重要。人的皮膚是一個(gè)很大的感覺器官，能感知觸覺、痛覺等多種感覺，其中觸覺的感知尤為重要。通過(guò)分布于表層皮膚中的邁斯納觸覺小體和皮膚深層的巴西尼環(huán)層小體等觸覺感官器官接受外界刺激，并進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，把物理能量轉(zhuǎn)換成神經(jīng)化學(xué)能量，由與這些觸覺小體相連接的傳入神經(jīng)傳至大腦皮層的中央后回，即觸覺皮質(zhì)感受區(qū)，經(jīng)分析綜合產(chǎn)生觸覺。類似人的皮膚，機(jī)器人敏感皮膚指的是大面積、柔軟、帶有數(shù)據(jù)處理能力的微型傳感器陣列，可以覆蓋在機(jī)器人表面，通過(guò)傳感器感知外部環(huán)境。同時(shí)，不同于人的皮膚只能定性地感知外部環(huán)境，機(jī)器人敏感皮膚可實(shí)現(xiàn)對(duì)外界物理量的定量檢測(cè)。由于外部環(huán)境的復(fù)雜性，要求機(jī)器人敏感皮膚能檢測(cè)多個(gè)物理量，因此用于機(jī)器人皮膚的觸覺傳感器的多功能化是現(xiàn)今機(jī)器人敏感皮膚研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。日本東京大學(xué)Someya等研制出內(nèi)部含測(cè)量壓力和溫度的晶體管陣列式電子皮膚。美國(guó)伊利諾斯州大學(xué)Jonathan等利用微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)制作工藝，將識(shí)別材質(zhì)、溫度、力和硬度等材料特性的獨(dú)立傳感器件分布在聚合物內(nèi)部，制備可識(shí)別物體性能的柔性多功能觸覺敏感系統(tǒng)。清華大學(xué)王璐珩等研究了可用于敏感皮膚的炭黑一硅橡膠的應(yīng)力弛豫特性。從國(guó)內(nèi)外研究狀況可知，目前尚無(wú)檢測(cè)三維力/溫度的柔性多功能觸覺傳感器的相關(guān)報(bào)道。因此，本文基于炭黑一硅橡膠顯著的壓阻效應(yīng)設(shè)計(jì)了三維力傳感器，基于碳纖維一PDMS(polydimethylsiloxane)顯著的溫度敏感效應(yīng)設(shè)計(jì)了溫度傳感器。針對(duì)2種導(dǎo)電復(fù)合材料存在的力學(xué)/溫度敏感特性的交叉干擾，將三維力和溫度傳感器以凹凸?fàn)罱惶媾挪挤绞浇M成柔性多功能觸覺傳感器陣列。分析了柔性多功能觸覺傳感器檢測(cè)三維力和溫度的工作原理，并構(gòu)建了求解三維力和溫度的數(shù)學(xué)模型。最后，通過(guò)三維力標(biāo)定平臺(tái)對(duì)三維力傳感器進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)高低溫實(shí)驗(yàn)箱檢測(cè)了溫度傳感器的性能。2、導(dǎo)電復(fù)合材料的壓阻效應(yīng)和溫度敏感效應(yīng)目前，為滿足機(jī)器人敏感皮膚柔性化的要求，一般采用柔性導(dǎo)電復(fù)合材料作為觸覺傳感器的敏感材料。高分子基體材料里填充不同的碳系導(dǎo)電填料(如炭黑、石墨、碳纖維等)，可制備成具有力學(xué)或溫度敏感特性的導(dǎo)電復(fù)合材料。本文選用炭黑一硅橡膠(填充炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%)作為力敏導(dǎo)電橡膠，碳纖維一PDMS(填充碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%)作為溫度敏感導(dǎo)電橡膠。炭黑一硅橡膠具有顯著的壓阻效應(yīng)可作為力學(xué)敏感材料。壓阻效應(yīng)是用來(lái)描述材料在受到機(jī)械式應(yīng)力下所產(chǎn)生的電阻變化。力敏導(dǎo)電橡膠的壓阻效應(yīng)分為體壓阻效應(yīng)和表面壓阻效應(yīng)。其中，當(dāng)力敏導(dǎo)電橡膠受到壓力作用時(shí)，導(dǎo)電粒子體積不受壓力影響，而橡膠具有可壓縮性，因此隨壓力的增大，橡膠的體積分?jǐn)?shù)減小，從而導(dǎo)電粒子的體積分?jǐn)?shù)增大，這就導(dǎo)致力敏導(dǎo)電橡膠的電阻率隨壓力增大而減小，這一現(xiàn)象即為力敏導(dǎo)電橡膠的體壓阻效應(yīng)。同時(shí)，力敏導(dǎo)電橡膠具有一定粗糙的表面，制作電極時(shí)橡膠表面與電極為非完全接觸，兩者間存在一個(gè)表面接觸電阻，接觸電阻的大小受橡膠與電極間的接觸程度影響。當(dāng)導(dǎo)電橡膠受力被壓縮，導(dǎo)致微觀下橡膠表面與電極進(jìn)一步接觸，從而兩者間的接觸面積增大，表面接觸電阻減小；當(dāng)導(dǎo)電橡膠受力拉伸則導(dǎo)致橡膠表面與電極部分分離，兩者間接觸面積減小，表面接觸電阻增大。上述現(xiàn)象即為力敏導(dǎo)電橡膠的表面壓阻效應(yīng)。Karsten等研究發(fā)現(xiàn)：表面壓阻效應(yīng)與體壓阻效應(yīng)共同作用時(shí)，表面壓阻效應(yīng)占主導(dǎo)，體壓阻效應(yīng)的影響可以忽略。為驗(yàn)證上述結(jié)論，本文設(shè)計(jì)了圖1(a)結(jié)構(gòu)的傳感器，其中a、b為2個(gè)5mm(5mm的面電極，c、d為2個(gè)面積可以忽略的點(diǎn)電極，a與b、c、d間的距離均為5mm。用導(dǎo)電銀膠將力敏導(dǎo)電橡膠粘貼在圖1(a)中的敏感區(qū)域°a、b間的電阻R1由2部分組成：力敏導(dǎo)電橡膠表面與面電極a、b間的接觸電阻Rs和電極a、b間的力敏導(dǎo)電橡膠的體電阻Rv，即R1=2Rs+Rv，如圖1(b)所示。而電極c、d的面積可以忽略，因此不存在表面接觸電阻，c、d間的電阻R2只包括力敏導(dǎo)電橡膠的體電阻Rv，即R2=Rv。敏感區(qū)域(a)結(jié)構(gòu)

(b)等效電阻圖i對(duì)比實(shí)驗(yàn)用傳感器制作一個(gè)半球形傳感頭覆蓋在整個(gè)敏感區(qū)域上，在傳感頭的頂部逐量施加壓力，傳感頭將所受的壓力均勻作用到整個(gè)力敏導(dǎo)電橡膠表面上，每隔1N記錄下R1、R2的阻值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。1234567891011/7N圖2體壓阻與表面壓阻效應(yīng)的對(duì)比由圖2可知，在0?7N的壓力范圍內(nèi)，隨著壓力增大R1阻值減小顯著，但當(dāng)壓力超過(guò)7N后，R1阻值減小明顯變緩，變化幅度與R2相似。分析可知，壓力達(dá)到7N后，力敏導(dǎo)電橡膠表面與電極間的接觸程度達(dá)到飽和，繼續(xù)增大壓力，兩者間的表面接觸電阻不再減小，此時(shí)R1阻值的緩慢減小是由體壓阻效應(yīng)引起。而在0?7N的壓力范圍內(nèi)，△R1△R2,由此可知^Rs△Rv，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論相符。碳纖維一PDMS具有顯著的溫度敏感效應(yīng)可作為溫度敏感材料。溫度對(duì)導(dǎo)電橡膠的電阻影響主要有2方面：①橡膠體受熱膨脹使導(dǎo)電粒子間隙增寬，從而導(dǎo)致電導(dǎo)率減小，電阻率增大；②由于升溫產(chǎn)生熱擾動(dòng)，使得間隙中的電場(chǎng)發(fā)生變化，電子熱激活增強(qiáng)，粒子間的電子躍遷幾率上升導(dǎo)致了電阻率減小。碳纖維一PDMS的溫度敏感效應(yīng)主要以熱膨脹為主，主要表現(xiàn)出PTC(positivetemperaturecoefficient)特性。

3、柔性多功能觸覺傳感器3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)柔性多功能觸覺傳感器由三維力和溫度傳感器組成，以下對(duì)2種傳感器的結(jié)構(gòu)作分別說(shuō)明。三維力傳感器采用圖3(a)所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：電極結(jié)構(gòu)由4個(gè)扇形電極a、b、c、d和1個(gè)圓形公共電極e組成。圓形公共電極e的半徑rl為3.5mm,圓e的圓心至扇形電極a、b、c、d內(nèi)邊緣的距離r2為4mm，圓心至a、b、c、d外邊緣的距離r3為7mm。公共電極e與扇形電極a、b、c、d間溝道寬度為0.5mm，窄溝道設(shè)計(jì)減小了力敏導(dǎo)電橡膠的體電阻Rv及體壓阻效應(yīng)的影響。扇形電極a、b、c、d的孤度3為70°,a、b、c、d間的孤度6為20°,a、b、c、d間較大間距的設(shè)計(jì)是為減小電極a、b、c、d間的耦合干擾。利用導(dǎo)電銀膠將制備的力敏導(dǎo)電橡膠粘貼在圖3(a)所示的敏感區(qū)域，此時(shí)傳感器就存在4個(gè)等效電阻R1?R4,如圖3(b)所示。R1?R4的阻值分別為：R1=Rse+Rsa+RveaR2=Rse+Rsb+Rveb(1)R3=Rse+Rsc+RvecR4=Rse+Rsd+Rved圖(a)電極結(jié)構(gòu)(b)等效電阻3三維力傳感器圖假設(shè)力敏導(dǎo)電橡膠為理想材料，且與電極a?d間的接觸狀態(tài)均相同，即Rvea=Rveb=Rvec=Rved，Rsa=Rsb=Rsc=Rsd，貝0R1=R2=R3=R4。將溫度傳感器電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成如圖4(a)所示具有3個(gè)叉指的形狀，尺寸為5mmX3.5mm。將溫度敏感導(dǎo)電橡膠用導(dǎo)電銀膠粘貼在如圖4(a)所示的敏感區(qū)域。溫度傳感器的電阻R由2部分組成：表面接觸電阻Rs和體電阻

R。電極叉指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可減小R，以單個(gè)叉指的等效電路舉例說(shuō)明，從圖4(b)可知Ry為2個(gè)R1、R2的并聯(lián)電阻值：(2)電極中的叉指數(shù)越多，則并聯(lián)的電阻數(shù)越多，Rv越小，R也越小。3.5mm3.5mm圖4溫度傳感器圖5(a)為三維力和溫度傳感器排布組成的柔性多功能觸覺傳感器陣列。研究炭黑一硅橡膠和碳纖維一PDMS的敏感特性發(fā)現(xiàn)，炭黑一硅橡膠在一定受力和溫度范圍內(nèi)具有顯著的力學(xué)敏感特性和微弱的溫度敏感特性，且力學(xué)敏感特性占主導(dǎo)，溫度敏感特性的影響可以忽略；而碳纖維一PDMS具有顯著的溫度敏感特性和一定的力學(xué)敏感特性，因此存在力學(xué)/溫度敏感特性的交叉干擾。針對(duì)這一問(wèn)題，將三維力和溫度傳感器在陣列中的排布結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為凹凸?fàn)睿鐖D5(b)所示，三維力傳感器與溫度傳感器間的高度差使傳感器陣列上加載被測(cè)物時(shí)溫度傳感器不受力作用，從而消除了交叉干擾的影響。溫度傳感器:三維力傳感器(a)陣列結(jié)構(gòu)溫度傳感器:三維力傳感器(a)陣列結(jié)構(gòu)(b)凹凸?fàn)钆挪紙D5柔性多功能觸覺傳感器陣列3.2工作原理為了檢測(cè)三維力，在三維力傳感器上方設(shè)置一個(gè)以質(zhì)地較硬的聚乙烯材料制成的半球形傳感頭（傳感頭的受力形變可忽略），傳感頭起到傳遞受力的作用，其受力后產(chǎn)生位移，導(dǎo)致下方接觸的力敏導(dǎo)電橡膠產(chǎn)生形變，從而使電阻R1?R4各自發(fā)生相應(yīng)的變化。本文定義Fx、Fy、Fz的正方向分別為沿x軸的正向、y軸的正向和z軸的負(fù)向。三維力傳感器受Fx、Fy、Fz均為正向的三維力F的作用，可分解成3個(gè)獨(dú)立分量逐個(gè)分析：Fx作用于半球形傳感頭頂部，使傳感頭產(chǎn)生繞y軸的旋轉(zhuǎn)力矩，與電極a、b接觸的力學(xué)敏感導(dǎo)電橡膠受到壓縮，表面接觸電阻減小，表現(xiàn)為R1、R2分別減小^Rxl和^Rx2,與電極c、d接觸的導(dǎo)電橡膠受到拉伸，表面接觸電阻增大，表現(xiàn)為R3、R4分別增大^Rx3和^Rx4；同理在Fy作用下，R2、R3分別減小^Ry2和八Ry3，Rl、R4分別增大^Ryl和^Ry4；Fz作用于傳感頭頂部，使與電極a?d接觸的導(dǎo)電橡膠均受到壓縮，表面接觸電阻減小，表現(xiàn)為Rl?R4分別減小^Rzl?ARz4。忽略力敏導(dǎo)電橡膠的體壓阻效應(yīng)影響，由上述分析可得：AA；;MAA,++=IIKIA/M—+—+——R2R2R2_r2AK；A掐AA3—-+——+—-=——r3r3r3r3AA：△技；AA4++="""人’（3）3）假設(shè)力敏導(dǎo)電橡膠為理想材料，則三維力F=（Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z）作用引起的傳感器電阻變化可表示為：R=二kzR=二kzb\（4）其中kx、ky、kz分別為三維力傳感器對(duì)Fx、Fy、Fz的電阻系數(shù)。因傳感器設(shè)計(jì)采用電極a?d成對(duì)稱結(jié)構(gòu)排布，因此由4電極的對(duì)稱性可得：-A禺A/?虬—0—格—一邳4-_/?-AR\叫「一一技4-XA/?：AA0將式（4）、（5）帶入式（3）可得F-A禺A/?虬—0—格—一邳4-_/?-AR\叫「一一技4-XA/?：AA0將式（4）、（5）帶入式（3）可得F的關(guān)系式，用矩陣表示為=x，(5)y，z)與R1?R4比kF-yy代kkFJzzyIR.>/?2A/?4（6）Fy,Fz）均適用，因4）帶入式（6）即可求得Fx、Fy、分析可知，式（6）對(duì)任意三維力此，將△RjRj（j=1，2，F(xiàn)z，此3個(gè)分量疊加即為三維力F。對(duì)于溫度傳感器，假設(shè)溫度敏感導(dǎo)電橡膠為理想材料，根據(jù)碳纖維一PDMS的溫度敏感效應(yīng)，則溫度傳感器的溫度一電阻關(guān)系式為RT=R0（1+aT）（7）式（7）中：a即為傳感器的溫度電阻系數(shù)；R0為傳感器在0°C時(shí)的阻值;RT為傳感器在溫度T時(shí)的阻值。對(duì)式（7）作變換可得(Fx,=1,3,x、(8)4、實(shí)驗(yàn)和討論4.1三維力標(biāo)定三維力實(shí)驗(yàn)采用本項(xiàng)目研制的砝碼式三維力加載平臺(tái)，如圖6所示。

(a)實(shí)物圖(b)結(jié)構(gòu)示意圖圖6三維力加載平臺(tái)圖6(b)中的垂直力加載臺(tái)放置砝碼，通過(guò)下方的豎直金屬桿將砝碼的重力傳遞到半球形傳感頭的頂部，傳感頭將所受的壓力均勻作用到整個(gè)三維力傳感器的表面上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)三維力傳感器Fz的加載。用一根細(xì)繩一端銜接傳感頭頂部，另一端懸掛砝碼，通過(guò)定滑輪將垂直方向上砝碼的重力轉(zhuǎn)化為水平方向上作用于傳感頭頂部的拉力，從而實(shí)現(xiàn)Fx或Fy的加載。同時(shí)，為防止加載Fx或卜)時(shí)傳感頭在力敏導(dǎo)電橡膠表面間產(chǎn)生滑移預(yù)先在傳感頭頂部施加了一個(gè)正向壓力。三維力傳感器分別加載Fx、Fy及Fz,記錄R1?R4的阻值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示。由圖7(c)可知，傳感器檢測(cè)Fz的有效量程為0?8N，當(dāng)Fz超過(guò)8N后，R1?R4的阻值變化量明顯減小。分析可知，F(xiàn)z在0?8N內(nèi)時(shí)R1?R4的阻值變化主要由力敏導(dǎo)電橡膠與接觸電極間的表面壓阻效應(yīng)引起，當(dāng)Fz達(dá)到8N時(shí)力敏導(dǎo)電橡膠與電極間的接觸已基本達(dá)到飽和狀態(tài)，繼續(xù)增大Fz導(dǎo)致阻值的變化則主要由導(dǎo)電橡膠的體壓阻效應(yīng)引起。由圖7(a)和(b)可知，F(xiàn)x或Fy在0?3.5N的測(cè)量范圍內(nèi)，R1?R4的阻值變化具有較好的線性，因此選取0?3.5N段作為檢測(cè)Fx和Fy的有效量程。從圖7可知，R1?R4的阻值變化規(guī)律與三維力傳感器受力電阻變化的理論分析相同，說(shuō)明傳感器設(shè)計(jì)合理，具備檢測(cè)三維力的功能。012345/■,/N(a)E2,82.62,42.222.0&1.81.61.41.21,0-3.-△?尺云R02468105(c)K圖7R1?R4關(guān)于Fi(i=x,y,z)的阻值變化重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，將有效量程段內(nèi)(Fx、Fy的量程為0?3.5N,Fz的量程為0?8N)的數(shù)據(jù)△RR(j=l,2,3,4)通過(guò)式(6)轉(zhuǎn)化為△Rj/Rj(i=x,y,z)；結(jié)果如圖8所示。對(duì)圖8中的數(shù)據(jù)作線性擬合，該擬合斜率即為式(4)中的系數(shù)ki(i=x,y,z),3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，取均值得：kx=—00489N_],ky=—0.0485N,kz=—0.0460N?！?’—1-0.18，■0.15-0J2--0.09--0.06-0.03?0?□第」比賣驗(yàn)o弟2次賣驗(yàn)?zāi)?次實(shí)驗(yàn)01234(a)號(hào)R/R-0.18-015-012二W-009-006瑚.。3023(b)F『AR/Ry?二?第i忒關(guān)密o第2次實(shí)理―A—第3次實(shí)驗(yàn)-0.40?二?第i忒關(guān)密o第2次實(shí)理―A—第3次實(shí)驗(yàn)（M-AR/K圖8三維力標(biāo)定實(shí)驗(yàn)表1F：—kR[/R湛二丁成了）的擬合斜率化/N一1Aj/N-1k/N一11一0.0490-0.0484-0.04612-0.0480-0.0491-0.04553-0.0497-0.0481-0.0465對(duì)三維力傳感器分別加載6組不同的三維力，將R1?R4的相對(duì)電阻變化值帶入式（6）得到aR./R.（i=x，y，z）,并求解出三維力大小，結(jié)果如表2所示。11

表2三維力實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差(心/NJ；/N,F/N)△Rj/R’Q=x,y,z)相對(duì)誤差/%實(shí)際值實(shí)驗(yàn)值△RJRx^R:/R:Fx(0.00,0.00,6.00)(-0.02,0.09,6.49)0.0010-0.0046-0.29860.572.576.13(1.00,0.00,0.00)(1.12,-0.08,0.08)-0.05500.0041-0.00353.432.291.00(0.00,2.00,0.00)(-0.03,2.20,0.13)0.0017-0.1065-0.00610.865.711.63(1.00,1.00,3.00)(1.03,1.16,3.71)-0.0503-0.0561-0.17050.864.578.88(2.00,3.00,5.00)(2.07,3.13,5.72)-0.1012-0.1517-0.26322.003.719.00(3.00,3.50,8.00)(3.17,3.29,8.15)-0.1551-0.1595-0.37514.866.001.88由表2可知，三維力傳感器的實(shí)驗(yàn)值與實(shí)際值間存在一定的誤差，計(jì)算可知相對(duì)誤差均小于10%（在誤差允許的范圍內(nèi)），最大誤差為9.00%。分析誤差產(chǎn)生的原因有以下幾點(diǎn)：①構(gòu)建的求解三維力理論模型中忽略了體壓阻效應(yīng)的影響，近似認(rèn)為傳感器的電阻變化全由表面壓阻效應(yīng)引起;②忽略了電極a?d間存在的交叉耦合干擾；③力敏導(dǎo)電橡膠為復(fù)合高分子材料，具有黏性和彈性雙重機(jī)械性能（黏彈性），因此材料的蠕變特性導(dǎo)致了實(shí)際測(cè)量的誤差。為研究三維力傳感器的維間干擾，對(duì)傳感器分別加載各單維力（Fx、Fy或Fz），由式（6）求解出對(duì)其余2個(gè)分量力的干擾大小及造成的誤差，結(jié)果如表3所示。由表3可知，三維力的各分量間存在一定的維間干擾，計(jì)算可知維間干擾造成的最大誤差為2.86%。三維力傳感器的維間干擾主要由4電極a?d間的交叉耦合引起，通過(guò)后端信號(hào)處理可消除該誤差。表3三維力傳感器的維間干擾加載力/N維間干擾/N誤差/%孔F:F、F:0.50-0.010.050.290.631.50-0.070.022.000.252.50-0.060.071.710.883.500.010.030.290.38F,FzFxF.0.50-0.010.040.290.501.50-0.010.130.291.632.50-0.020.110.571.383.50-0.020.080.571.00FFFFFzXyXy1.000.07-0.062.001.713.00-0.090.102.572.865.00-0.020.070.572.007.000.050.021.430.57

4.2溫度實(shí)驗(yàn)采用蘇南實(shí)驗(yàn)儀器廠GDW_100型高低溫實(shí)驗(yàn)箱將溫度傳感器從15°C升溫至110°C,每間隔5P記錄傳感器的阻值，3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)作歸一化處理，結(jié)果如圖9所示。90807060善50S40302010□第I次實(shí)驗(yàn)—o—第z次實(shí)驗(yàn)□第I次實(shí)驗(yàn)—o—第z次實(shí)驗(yàn)A第3次實(shí)驗(yàn)20406080100120由圖9可知，15?85C內(nèi)傳感器的阻值隨溫度升高較平穩(wěn)地增大，85C后繼續(xù)升高溫度，阻值急劇增大，因此從應(yīng)用于機(jī)器人敏感皮膚的溫度傳感器的實(shí)際測(cè)溫范圍和傳感器的精度等綜合考慮，選擇15?85C溫度段作為溫度傳感器的有效量程。對(duì)圖9中15?85°C段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作線性擬合，該擬合斜率即為式（7）中的溫度電阻系數(shù)a。3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別為a】=0.0665C_］，a2=0.0701C_"a3=0.0673C_1，均值a=0.0680C_1O以15C時(shí)溫度傳感器的阻值作為參考點(diǎn)，分別測(cè)量溫度傳感器在20C、30°C、40°C、50°C、60°C、70°C、80°C下的阻值，并將傳感器的相對(duì)電阻變化值代入式（8）中求解出溫度T的大小，結(jié)果如表4所示。表4溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差T/X實(shí)驗(yàn)值相對(duì)誤差/%實(shí)際值實(shí)驗(yàn)值（■-用）/、）T2019.130.28111.243027.440.84593.664035.351.38356.645045.522,07526.406054.482.68437.897064.053.33548.508078.884.34401.60由表4可知，溫度傳感器的實(shí)驗(yàn)值與實(shí)際值間存在一定誤差，其中最大相對(duì)誤差為8.50%，小于10%(在誤差允許范圍內(nèi))。分析可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際溫度間存在的一定差異主要由溫度傳感器的非線性和非重復(fù)性誤差引起。由于溫度的升高，PDMS體積會(huì)發(fā)生膨脹從而減小了碳纖維間的接觸導(dǎo)致電阻的增加，但熱膨脹的過(guò)程與溫度是近似線性相關(guān)，存在一定的非線性誤差。且碳纖維分布及相互間接觸并非嚴(yán)格均勻，也導(dǎo)致了溫度傳感器存在一定的非線性誤差。同時(shí)，碳纖維分布的不規(guī)律也導(dǎo)致了溫度傳感器的重復(fù)性不夠理想。此外，碳纖維一PDMS這種復(fù)合材料具有導(dǎo)電通路和隧道效應(yīng)2種導(dǎo)電機(jī)理，在升溫過(guò)程中，這2種導(dǎo)電機(jī)理均存在的不穩(wěn)定性也導(dǎo)致了非線性及非重復(fù)性誤差。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，溫度傳感器的電阻