力覺感知智慧夾爪於粉末冶金的應用

摘要：隨著物聯網技術的發展及力覺感測器功能性的提升，智慧力覺感知技術在多個領域展現了廣泛的應用前景。在粉末冶金生產中，智慧力覺感知技術可通過精密的感測器和先進的數據處理算法，實現對力的即時監測和反饋，避免在處理過程中對粉末冶金零件造成損壞或不良影響，使得每個零件都能在最佳條件下加工，從而提升產品的品質一致性。此外，透過導入智慧力覺感知，也能夠減少產線上對人力的依賴，特別是在上下料過程中，機械手臂搭載的力覺感測器能夠自動完成精密的操作，提高生產效率。
Abstract：With the development of Internet of Things technology and the improvement of the functionality of force sensors, smart force sensing technology has shown broad application prospects in many fields. In powder metallurgy production, smart force sensing technology can achieve real-time monitoring and feedback of force through precision sensors and advanced data processing algorithms, avoiding damage or adverse effects on powder metallurgy parts during the processing process, making Each part is machined under optimal conditions, resulting in improved product quality consistency. In addition, through the introduction of intelligent force sensing, the production line's reliance on manpower can also be reduced. Especially during the loading and unloading process, the force sensor mounted on the robotic arm can automatically complete precise operations and improve production efficiency.
關鍵詞：力覺感知、夾爪、粉末冶金
Keywords：Force perception, Gripper, Powder metallurgy

前言
1.智慧力覺感知技術的發展
力學感測器在科技中扮演相當重要的角色，從工業應用到醫療照顧、消費電子領域等等都可以看到其參與其中。以下是力學感測器發展的主要階段：
在早期發展階段(1950-1970年代)，力學感測器主要集中在應變計(strain gauges)和壓電感測器(piezoelectric sensors)的開發。
應變計會因為材料隨應變變化，進而使電阻發生改變，將此原理用於測量應力和變形。壓電感測器則利用壓電效應，將機械應力轉換為電信號，廣泛應用於振動和壓力測量。
在這之後開始引入半導體技術，隨著半導體技術的發展，微機電系統(MEMS)技術開始興起。MEMS技術使得力學感測器小型化和集成化，從而提高了感測器的性能和可靠度。這一階段的代表性技術包括矽基微型加速度計和壓力傳感器，像是以下三點。
-多功能集成：現代力學感測器不僅僅局限於單一功能，還集成了多種感測功能，如同時測量加速度、壓力、應力等多個參數。這種趨勢在可穿戴設備和物聯網(IoT)裝置中尤為明顯。
-無線和智慧化：隨著無線通信技術的發展，力學感測器開始具備無線數據傳輸的能力。智慧力學感測器能夠實現自動校準、自我診斷和數據處理功能，進一步提升了感測器的應用價值。
-微型和奈米技術：微型和奈米技術的應用使得力學感測器可以達到更小的尺寸和更高的性能。例如，奈米纖維感測器具有優異的機械和電學性能，能用於生物醫學領域的高精度檢測。
主要應用領域以下三點所示：
-工業自動化：在工業自動化中，力學感測器被廣泛用於機械手臂[1]、機器人和自動化生產線的應力、壓力和振動監測。
-醫療健康：醫療健康領域中，力學感測器應用於醫療設備、康復輔助設備和穿戴健康監測裝置[2]，像是心率監測和血壓測量。
-消費電子：力學感測器在消費電子產品中也有廣泛應用，如智慧手機中的加速度計、陀螺儀和觸覺感應器。
2.智慧力覺感知技術在多軸機器人應用的需要
多軸機器人在進行複雜操作時需要極高的精度和穩定性。智慧力覺感知技術透過高精度的傳感器實現即時的感知和反饋[3]，保證操作的精確性和可靠性。搭配智慧力覺感測的多軸機器人可以在多變的環境中工作，智慧力覺感知技術使其具備自適應能力。感知技術可以即時監測工作環境的變化，並調整機器人的動作路徑和策略。
導入智慧力覺應用於粉末冶金成型機自動化上下料
1.智慧力覺感知技術說明
MEMS (Micro Electro Mechanical System)微機電系統能夠將機械訊號轉變為電訊號，透過半導體製程技術製作微結構，當結構受到環境的影響時(溫度、濕度、受力等等)，結構會產生變化，進而使量測的訊號變化，透過此訊號變化的分析即可回推環境影響。
而力學感測也是基於此種方式，電容式力學感測的主體結構是上下兩層的電極加上中間一層的介電層[4]，當感測器受到力量影響時，上下電極的間距或重疊面積會產生改變，使得電容值發生變化，因此能夠透過分析電容訊號得知受力情形。電容公式如式(1)。
C為電容值、ε為介電系數、A為上下電極的重疊面積、d為上下電極的間距。
此種簡單的結構透過設計電極形狀、電極排列方式、介電層結構等等可以使電容式力學感測器有不同的功能，衍生出在不同場域下有不同的力學感測設計。而在冶金粉末的場域中，需要進行正向力的量測避免未燒結之材料被破壞，因此採用方型的電極設計，電極大小配合夾具的大小進行設計，介電層的材料使用聚 二 甲 基 矽 氧 烷(polydimethylsiloxane, PDMS)，此種材料能夠透過調整A、B劑的比例改變材料的楊氏係數[5]，相當適合進行不同的設計，而介電層的結構採實心的設計，可增加受力時的工作範圍及耐用度。
2.製作方式
感測器的製作方式採用半導體製程，分為4個階段(1)電極製作(2)介電層製作(3)翻模及(4)貼合在電極製作的部分，首先使用丙酮、異丙醇、酒精、去離子水將PET基板進行清洗，接著懸塗正光阻於基板表面，透過曝光機定義電極的圖樣，用顯影液將曝光過的光阻去除，用濺鍍的方式將電極鍍上，最後用丙酮進行掀離，使有電極設計的部分留在基板上，即完成銀電極的製作。
介電層的製作需先在silicon wafer上進行表面處理，蒸鍍一層silane，silane能夠使之後的翻模更容易成功。接著將已進行完抽氣及A、B劑混合(A劑與B劑的比例為20:1，楊氏係數為0.67 MPa)的PDMS倒到處理好的silicon wafer上並懸塗，懸塗完成後要再放入烤箱進行100˚C、1小時的烘烤，即完成介電層的製作。