壓力陣列軟墊設計

在夾爪上安裝壓力陣列是近期主流的研究方向，壓力陣列的資訊可以用來確 認夾取的成功與否和夾取時指頭上力分布的情形，近期更有許多的研究利用壓力 陣列感測力的變動來偵側夾取時是否有滑動的產生，以達到可以自動調節夾取力 道的功能。

本研究所使用的壓力陣列為工研院所研製，包括了感測陣列和電路模組，外觀 如圖2-32 所示。壓組式感測陣列為應用印刷技術將導電墨水印於軟性聚合物上，

其利用正向力的改變導致內部電組受到變形而電阻改變進而造成量測電壓的變化 來反算所受到的正向力。電路模組的主要功能是將感測陣列的類比訊好轉化為數 位訊號，傳輸介面為RS232，其 Baud Rate 為 2457600，實際使用時取樣頻率可達 1000Hz。

使用時壓力陣列上通常需要覆蓋一層軟墊，其功能有增加壓力陣列覆蓋於不 同曲面的覆蓋能力和提供緩衝，也可以較好的分散受力以及提供夾取時所需的摩 擦力。在軟墊的選擇上，雖然較厚的軟墊可以較好的均勻分散受力，但是較厚的軟 墊同時也會吸收較多的力使壓力陣列的解析度下降，因此一個合適的軟墊是需要 透過實驗比較後挑選的。

原先實驗室的壓力陣列使用的是1mm 厚矽膠材質的軟墊，但是實驗後發覺其 仍然無法很好的反映出接觸的面積形狀，因此決定嘗試製作軟墊並在軟墊上設計 突起點，期望突起點可以使壓力陣列更好的反應出接觸的面積形狀。參考了不同的 論文([37, 38])後發現有兩種形狀的突起點最常被用於壓力陣列中，其中一為圓頂

（dome），另一為平頂(bump)，如圖 2-33 所示。本研究中以這兩種形狀為基礎設計 並製作一系列材質為 PDMS 的不同規格軟墊，並依實驗結果在其中挑選出適合並 且符合研究中需求的軟墊。

doi:10.6342/NTU201704032

32

圖2-32 壓力陣列實體圖

圖2-33 兩種突起狀與四個設計方向示意圖

2.2.3.1 軟墊的設計

軟墊的設計方式為按照壓力陣列的大小和規格設計不同的模具後以 PDMS 為 材料製做。壓力陣列尺寸為19mm×19mm，其範圍內有 13×13 個陣列數，模具按 照壓力陣列規格設計的剖面上視圖如圖2-34 所示；選擇 PDMS 的原因是其具有良 好的可塑性、可撓性，且一般情況下被認為是惰性、無毒、不易燃的安全材質。

doi:10.6342/NTU201704032

33

圖2-34 軟墊上視圖規格（單位為 mm）

軟墊規格需要設計的部分有三個方向，一為軟墊突起點的長短、二為軟墊基底 厚度（圖2-35 所示）、另外還有與紅外線感測器整合的限制條件，以下會就這三個 方向分別說明如何設計不同的軟墊。

(a)設計軟墊突起狀的長度

突起狀的設計方向主要分為四種，如圖2-33 所示。一開始傾向於將突起狀設 計較長，因為理論上突起狀越長可以提供越多的壓縮量，越能保證施於那一點的力 不會被分散至其他點上，但是實際測試後發現，這樣的設計只有在力是垂直施於壓 力陣列上（也就是為正向力）或為面接觸才會有較好的表現；若當物體有移動的情 形發生（側向力）或是接觸形狀為點（例如和球接觸）或是線（例如和圓柱接觸）

等都會使柱狀物發生傾倒，傾倒的現象不僅會使壓力陣列對於接觸面形狀的判斷 下降許多，也會使其提供於夾取的摩擦力不足，因此直接淘汰了突起狀較長的設計 並往突起狀較短的方向進行設計並測試。

往突起狀較短的方向測式後發現，突起狀越短則軟墊越接近於平面，其對於判 別接觸形狀的幫助就會越小，但是能提供的摩擦力會越大，然而軟墊所提供的摩擦 力夾取時是非常重要的，因此設計的軟墊是建立在可以提供充足的摩擦力的前提 下。經過測試後將所有設計的軟墊平頂（bump）柱狀長度都選在 0.3mm、圓頂（dome）

doi:10.6342/NTU201704032

34

柱狀長度都選在0.5mm（其與圖 2-34 中每一個小陣列點的半徑相同），兩者剖面圖 如圖2-36 所示。

(b)設計軟墊基底厚度

軟墊厚度的設計方面，因為紅外線有一1.2mm 的厚度，再加上紅外線軟式電 路板0.15mm 的厚度，為了確保物體接觸壓力陣列後下壓不會接觸到紅外線陣列，

期望的厚度為2mm。但是，厚度越厚的軟墊會使得壓力陣列對於力的解析度下降，

因此設計了不同厚度的軟墊後以實驗進行比較確認2mm 厚度的軟墊是否會使得壓 力陣列對於力的解析度下降很多。

(c)與其他感測器結合的限制條件

除了上述兩個需要設計的方面之外，還有整合紅外線陣列與壓列陣列於夾爪 上的空間條件。在不希望再增加指頭大小的前提下，指頭的空間不夠同時安裝上紅 外線陣列與完整的13×13 的壓力陣列，因此需要將壓力陣列的陣列數下修。

將陣列數下修的缺點是對於整個夾取面的資訊量會減少，但是優點是每一個 陣列點的解析度會相對提高且傳輸速度也會提高。在資訊量和指桿空間兩者的取 捨之間，最後希望將壓力陣列縮至13（長）×8（寬）個陣列數，其與原本 13×13 個陣列數的比較會在實驗中測試並確認將壓力陣列數下修至13（長）×8（寬）式 否合理。

總結上述，最終設計的軟墊規格平頂（bump）柱狀長度都選在 0.3mm、圓頂

（dome）柱狀長度都選在 0.5mm，並在這兩個突起形狀下改變軟墊厚度與陣列數。

所有設計的軟墊規格如表2-11 所示，實體圖如圖 2-37、圖 2-38 所示。

doi:10.6342/NTU201704032

35

圖2-35 軟墊設計方向示意圖 (柱狀長度和基底厚度)

圖2-36 圓頂和平頂最終選擇的柱狀長 度示意圖

圖2-37 軟墊模具實體圖

圖2-38 軟墊實體圖

表2-11 所有設計軟墊的規格表

規格 突起形狀 突起狀的長度 基底厚度

平面 13×8 無 無 1mm

平面 13×8 無 無 2mm

平頂 13×8 Bump 0.3mm 0.5mm 平頂 13×8 Bump 0.3mm 1.2mm 平頂 13×8 Bump 0.3mm 1.7mm 平頂 13×13 Bump 0.3mm 0.5mm 平頂 13×13 Bump 0.3mm 1.2mm 圓頂 13×8 Dome 0.5mm 0.5mm 圓頂 13×8 Dome 0.5mm 1.2mm 圓頂 13×13 Dome 0.5mm 0.5mm 圓頂 13×13 Dome 0.5mm 1.2mm

doi:10.6342/NTU201704032

36

2.2.3.1 實驗設計

實驗架設如圖2-39 所示，其中彈簧的作用為將力緩慢的施予後端，避免虎鉗 只轉動一點力就上升許多，而壓力陣列在整個實驗過程都是固定在壓克力背板相 同的位置上，其用意為減少每次實驗的差異性。實驗主要比較的部分有兩個：

1. 比較不同突起點對於壓力陣列的影響，且期望有突起點的軟墊相比於沒有突 起點的軟墊對於壓力陣列可以達到更好的效果。

2. 比較不同厚度對於壓列陣列的影響，且期望的厚度是 2mm，因此希望 2mm 厚度 的軟墊相比於 1mm 的軟墊對於力的解析度不要下降太多。

用來比較這兩部分的標準為壓力標準差(式 2-5)和壓力陣列值總合對於施予的 力的變化，壓力標準差對與施予的力的關係用來檢測哪種軟墊將力均勻分散的效 果最好，壓力陣列值總合與施予的力的關係用來檢測軟墊吸收掉力的多寡。

實驗的過程大致上為：將軟墊適當的貼於壓力陣列上，將力規歸零後，轉動虎 鉗推動物體將力予軟墊和壓力陣列，轉動至超過30N，待力規值和壓力陣列值穩定 後以每次減少力規值 5N 的方式自 30N 開始記錄壓力陣列值總合和壓力標準差，

記錄到力規值為5N 時。

 







 ^N

i i N

i i

N p p p SD

1 1

)2

( (式 2-5)

圖2-39 實驗設置圖

doi:10.6342/NTU201704032

37

2.2.3.1 實驗結果

(a)從圖 2-40 可以看出：

13×8 的軟墊對壓力陣列總值的解析度都高於 13×13 的軟墊，且在 13×8 的軟 墊之中，有圓頂或平頂的軟墊解析度皆高於沒有突起點（平面）的軟墊。

(b)從圖 2-41 可以看出：

有圓頂或平頂的軟墊對壓力標準差皆比沒有突起點（平面）的軟墊越快趨於穩 定，但是，有突起點的軟墊對壓力陣列標準差的表現都是差不多的。

(c)從圖 2-42 可以看出：

平頂的軟墊對壓力總值的解析度較高。

(d)從圖 2-43 和圖 2-44 可以看出：

從圖2-43 和圖 2-44 可更清楚的看出在(a)點中由圖 2-40 得到的結論，不論圓 頂或平頂，13×8 的軟墊對壓力陣列總值的解析度都高於 13×13 的軟墊，也可看出，

厚薄造成壓力總值解析度的差異比13×13 和 13×8 造成的影響小。

(e)從圖 2-45 可以看出：

圖2-45 可以更清楚的看出在(b)點中由圖 2-41 中得到的結論，雖然圓頂或平頂 的軟墊對壓力陣列標差的表現都是差不多的，圓頂的壓力陣列標準差相比於平頂 更快趨於穩定。

(f)從圖 2-46 和圖 2-47 可以看出：

由圖2-46 和圖 2-47 可以得以下兩個結論。13×13 或 13×8 的軟墊與壓力標準 差的表現沒有明顯的相關性，以及圓頂的軟墊在壓力標準差的表現上比較優秀。

doi:10.6342/NTU201704032

doi:10.6342/NTU201704032

doi:10.6342/NTU201704032

doi:10.6342/NTU201704032

41

2.2.3.1 壓力陣列軟墊設計總結

總結實驗結果後可以得到以下三點結論：

1. 將 13×13 的規格改成 13×8 的規格其在壓力陣列值總和的解析度上確實有提 高，且在壓力標準差的表現上，此條件與之沒有明顯的關係。因此，在可以接 受的資料點下降的範圍之內，將 13×13 的規格改成 13×8 的規格是可行的。

2. 在平頂和圓頂的選擇上，不論是在壓力陣列總值或壓力標準差上，平頂和圓頂 都比沒有突起點的平面表現的好很多，但是，單純平頂和圓頂之間在兩個條件 的表現上都沒有很大的差別，然而就如同上面四點所提到的，平頂對於壓力陣 列值總和的解析度較圓頂高了一點，而圓頂對於壓力標準差穩定的效果較平 頂高，但是因為都沒有很決定性的差別，因此在考慮平頂可以給予的摩擦力比 圓頂大很多的條件下，最後是決定選用平頂。

3. 在厚度的選擇上，考慮到需要整合紅外線陣列，因此期望的厚度是定在 2mm。

就實驗結果看起來，1mm 和 2mm 厚度對於壓力總值解析度的影響很小，是在 完全可以接受的範圍內。而在厚度對於壓力標準差的影響上，圓頂的部分厚薄 沒有什麼差異，但是在平面和平頂的部分，軟墊越厚皆越快穩定。因此，選擇

就實驗結果看起來，1mm 和 2mm 厚度對於壓力總值解析度的影響很小，是在 完全可以接受的範圍內。而在厚度對於壓力標準差的影響上，圓頂的部分厚薄 沒有什麼差異，但是在平面和平頂的部分，軟墊越厚皆越快穩定。因此，選擇