3D列印多模態柔性感測器可實現遠端機器人遠端人機互動

來自首爾國立大學（SNU）的研究人員開發了新型3D列印感測器，同時具備多種感測模式，使人類能夠與可變形的軟機器人系統進行遠端互動。相關研究發表在《Science Rbotics》雜誌，(Heterogeneous sensing in a multifunctional soft sensor for human-robot interfaces)。

事實證明，這種多功能裝置能夠隨意拉伸和彎曲成複雜的形狀，還能提供光學、微流體和壓阻感測功能。在測試過程中，該團隊能夠將他們的感測器整合到可穿戴和刺激驅動的執行器中，允許使用者從遠處控制多個機器人裝置。 　　

感應結構設計

擬議中的感測器的設計使用異類感測機制，透過三種不同的感測元件來檢測光強度和電阻的變化，這些感測元件封裝在一個軟感測器中，如圖1A所示：整合有LED和光電二極體的光波導，微流體通道，其填充有室溫離子液體（RTIL）和導電織物層。為了將所有元素整合到單個感測器中，首先將一個裝有RTIL的圓柱狀流體通道定位在感測器的中心，並與中性軸對齊。柔軟的矽膠外殼封裝了該通道，通道的兩端分別裝有LED和光電二極體。充滿液體的通道起著波導的作用，來自LED的光透過該通道傳播到光電二極體，並在變形時改變其電阻。在波導的表面上，導電織物附著到外殼的所有四個側面，這些側面彼此並聯電連線。最後，在波導和導電織物層上覆蓋一層黑色的不透明矽酮層，以防止環境光造成的光學干擾並物理保護導電織物層和波導。最終原型的整個結構具有正方形橫截面，，波導的芯具有圓形橫截面。包層的橫截面為正方形，每邊的長度為6 mm。圖1（B到D）顯示了所建議感測器的實際原型。

感應結構的製作

所提出的感測器由於其結構簡單而可以透過簡單的模製和鑄造工藝容易地製造。透過在3D列印（Objet30 Prime，Stratasys）模具中澆鑄液態有機矽彈性體來製造波導體。在澆注彈性體之前，將鋁軸作為內部模具放置在模具的中心，以形成空心通道。將LED和光電二極體插入並粘接在通道的末端，從而封閉開口端。然後使用注射器將中空通道填充RTIL（1-乙基-3-甲基咪唑乙基硫酸鹽，Alfa Aesar），並連線訊號線。下一步是層壓導電織物層在彈性體的外部。最後，用於測試的兩端支架和感測器的覆蓋層由不同的彈性體（分別為SORTA-Clear 40和Ecoflex 00-30，Smooth-On）製成。兩種材料都是不透明的。

製造工藝。（A） 使用3D列印模具鑄造矽波導管。（B） 在波導管末端嵌入一個發光二極體和一個光電二極體。（C） 離子注入使用注射器將液體注入矽波導管。（D） 將訊號線連線到離子液體通道。（E） 波導上導電織物的層壓。（F） 感測器鑄造。（G） 覆蓋層的鑄造。（H） 完整原型。

異構感測機制

1、軟光波導

光波導最常見的機制之一是全內反射，這是由纖芯和包層材料的折射率差異引起的，該折射率通常用於光纖中。當從光源到纖芯邊界的光的入射角大於臨界角時，就會發生全內反射。只要包層的折射率小於纖芯的折射率，從LED發出的光就可以透過全內反射透過纖芯傳播到光電二極體。然後，可以透過光電二極體測量光強度。

2、離子液體通道

波導芯還可以用作微流體通道fs或檢測物理變形，例如應變或壓縮，因為RTIL是導電的。當被拉伸或區域性壓縮時，液體通道基於長度或橫截面積的幾何變化分別改變其電阻。然而，純彎曲不會改變通道的長度，並且由於液體通道沿中性軸定位，因此在彎曲過程中，阻力將保持不變。因此，RTIL通道僅對拉伸和壓縮敏感。

3、導電布層

我們的感測器中使用的導電織物是鍍銀的針織織物，是透過在特定方向上編織具有圖案的銀（Ag）塗層的尼龍纖維製成的（圖1E））。織物的導電性受尼龍纖維之間接觸量的影響。拉伸方向還取決於纖維的圖案形狀而影響導電性。沿著感測器中的長度，將織物層層壓在波導的彈性體包層的表面上。當感測器彎曲時，由於壓縮應力，織物層的四個側面之一僅顯示其電阻略有降低，導致總電阻的變化可忽略不計。因此，導電織物層僅在感測器伸展時才敏感。

讓軟機器人技術更加靈敏 　　

為了證明感測器在人類-機器人介面中的潛力，科學家們構建了兩個原型系統。一個是可穿戴裝置，使使用者能夠準確控制無人機和機械臂，另一個是由四個執行器組成的軟性機器人"手腕"，可以對外力做出反應。 　　

人機介面應用

為了演示所提出的感測器作為人機介面方法的潛力，我們構建了兩種與感測器原型整合在一起的機器人系統，。第一個系統顯示了用於遠端控制機器人的可穿戴裝置。另一個是軟機器人，可以檢測由其自身的驅動和外部刺激引起的變形。僅一個感測器就足以控制系統或檢測變形，因為單個感測器具有檢測或表示多個自由度（DoF）的能力。

機器人的可穿戴控制器

透過將感測器連線到用於檢測兩個手腕的彎曲（拉伸）和偏航旋轉（彎曲）的每個裝置的織物腕帶的頂側，來製備一對可穿戴的感測裝置。閾值評估用於對變形模式進行分類。透過同時拉伸和彎曲感測器來檢測彎曲，而透過純彎曲來檢測偏航旋轉。在每個裝置中透過壓縮模式新增時，總共可能有10種組合輸入模式。使用了10種可能的模式中的8種來遠端控制帶有機械手（RM-X52-TNM，ROBOTIS；）的商用機器人手臂，以完成將物體撿起並將其移動到機器人的任務。

帶有抓取器的機器人手臂的遠端控制，用於不同的操作任務和相應的感測器資料。

此外，實現了另一個可穿戴控制器，該控制器能夠測量肘部角度，以基於校準的光學訊號遠端控制跟隨一自由度肘部運動的機械臂（UR5e，Universal Robots），如下圖（i）所示。感測器能夠估計佩戴者的肘部角度，而機械臂成功地跟蹤了佩戴者的運動。此外，當將外部觸點應用於感測器時，系統能夠有效地拒絕它。因此，基於由基於ANN的機器學習演算法確定的變形模式，機械臂的運動不會受到不需要的輸入訊號的干擾，如圖（iii）所示。該結果證實，所提出的感測器的多功能感測能力可用於防止機器人因意外的不想要的輸入而發生故障。

使用透過光訊號校準的肘關節運動對商用機械手進行遠端控制。

（i）建議在初始狀態下戴在肘部上的軟感測器。（ii）肘部彎曲運動後的機械臂。（iii）儘管感測器已壓縮，但機械手不會改變其位置。

互動式軟機器人操縱器

我們將感測器安裝到由四個氣動摺紙肌肉致動器（POMA）組成的定製多自由度軟機器人手腕上，如圖所示。機械手腕能夠透過對一個或兩個POMA加壓來向不同的方向彎曲，並且在同時對所有四個執行器加壓時也可以延長其長度。在該系統中，我們將感測器放置在四個執行器的中間，使其與中性軸對齊，以便感測器可以使用閾值評估來檢測具有不同壓力輸入的機械手的彎曲和伸展。此外，該感測器能夠檢測施加到機器人的外力，因為柔軟的結構可以將力傳遞給位於內部的感測器。

多自由度軟互動機器人。

（A）由四個氣動執行器和一個軟感測器組成的機器人的設計。（B到D）透過自驅動以及人工輸入和相應的感測器資料獲得不同的變形模式。

總結：

這項工作的主要貢獻是多功能軟感測器的設計和製造及其在人機互動和介面領域的潛在應用。此外，與以前的設計相比，將異類感測機制包裝在單個感測器結構中的方法有所不同。儘管已經透過對多峰感測不同的組提出軟感測器，其機制的主要思想是具有不同配置的多個相同的感測元件整合到一個感測器，從而導致複雜的設計和製造中。但是，在該設計中，三種異質感測機制被設計在一個感測器中。異質性使這三種機制能夠物理共享用於感測的單個結構，從而簡化了設計和製造並提供了緊湊的外形尺寸。