電容式滑覺傳感器設計與應用*

許德成，郭小輝

(1.吉林師范大學 信息技術學院，吉林 四平136000;2.合肥工業大學 電子科學與應用物理學院，安徽 合肥230009)

0 引 言

機器人滑覺傳感技術是實現智能機器人的關鍵技術之一，觸覺傳感器是機器人與環境直接作用的必須媒介［1，2］，是模仿人手使之具有感知功能實現軟抓取的關鍵環節，滑覺信息的可靠感知是機器人在復雜多元環境下完成預定抓取功能的可靠保障［3］。常用的觸覺傳感器按被測物理量主要可分為電阻式［4～6］、電容式［7，8］、光電式［9］、壓電式［10］等。電阻式滑觸覺傳感器存在體積大、不易集成且力敏電阻漏電流不穩定等缺點。光電式滑覺傳感具有結構簡單、設計合理及抗電磁干擾能力強等優點，但光電式滑覺傳感器在兩向力以上共同作用時，很難保持線性關系，且存在標定困難、精度難以提高等不足。壓電式滑觸覺傳感器的應用最為廣泛，能同時檢測滑覺信息與觸覺信息，然而滑覺信息與觸覺信息的分離存在一定難度，且壓電式滑觸覺傳感器同時存在壓電響應與熱電響應，此外，壓電式滑觸覺傳感器無法實現對靜態觸覺信息的感知。

本文提出的電容式滑覺傳感器因具有動態范圍廣，良好的線性響應，動態響應快、結構簡單等顯著優點而得到廣泛應用。

1 滑覺傳感器設計

1.1 結構設計與感知機理

電容式滑覺傳感單元結構示意圖如圖1 所示，每只電容式滑覺傳感器可等效為由四對互成直角排列的差分式電容器構成，從而提高了滑覺傳感的靈敏度。本文選用美國道康寧產生的PDMS 為滑覺傳感器的柔性基體，YC—2型有機硅導電銀膠(南京喜力特膠粘劑有限公司)作為差分式電容的兩端固定極板和中間可動極板，同時，在滑覺傳感器上表面附有半球形觸頭以利于滑覺感知。YC—2 型有機硅導電銀膠常溫下固化后具有良好的延展性、成膜性好等優點，使得電容式滑覺傳感單元整體具有柔性，為“軟”抓取功能的實現提供了可能性。

圖1 滑覺傳感單元結構示意圖Fig 1 Structure diagram of slip sensing cell

電容式滑覺傳感器實現滑覺檢測機理如圖2 所示，未受摩擦力作用時，4 對差分式電容器輸出值相等(C11=C12，C21=C22，C31=C32，C41=C42)，當受摩擦力作用時，防滑橡膠觸頭在摩擦力帶動下發生傾斜，從而聯動4 對差分式電容器的可動極板發生傾斜，導致4 對差分式電容器輸出發生變化，根據4 個電容值的變化特點可以判斷滑動的方向和滑覺信息，且其檢測方向不再是單一方向。圖2(a)為沿X 軸正方向發生滑動時各電容變化示意圖，可以看出此時C12－C11和C32－C31輸出增加，C42－C41和C22－C21幾乎不變(隨著位移增加，會有減小趨勢)，沿Y 軸時原理類似;圖2(b)為沿與X 軸正方成45°向發生滑動時各電容變化示意圖，此時C12－C11，C42－C41，C32－C31和C22－C21(均表示絕對值)輸出均增加，根據每個電容值的變化可以判斷滑動產生的方向性。

圖2 觸覺感知機理Fig 2 Mechanism of tactile perception

為進一步驗證文中提出電容式滑覺傳感器檢測機理的可行性，使用ANSYS 有限元仿真軟件進行驗證，分別對其沿X 軸正方向和沿與X 軸正方成45°方向發生滑動，其仿真結果如圖3 所示，可以看出ANSYS 對4 個差分式電容的變化仿真結果與上述感知機理分析結果保持一致。

1.2 滑覺傳感器制備

圖3 電容式滑覺傳感器受摩擦力作用時仿真結果Fig 3 Simulation results of capacitive slip sensor under frictional force

電容式滑覺傳感器制作工藝主要是基于3D 打印技術與硅橡膠流體成型技術，利用SolidWorks 或AutoCAD 等三維建模軟件設計出電容式滑覺傳感器結構所需各部分模具，設計中使用XLFDM211515 型3D 打印機設計傳感器模具，并將硅橡膠注入模具成型，待材料固化后脫模取出即得電容式滑覺傳感器各部分組件，最后將各個器件組裝到一起即可。圖4 為本文3D 打印機實物圖和制備電容式滑覺傳感器所需(部分)模具，具備傳感結構與制備工藝簡單、成本低等優勢。

圖4 3D 打印機與滑覺傳感器模具Fig 4 3D printer and moulds of slip sensor

2 觸覺感知系統

2.1 系統整體結構

文中使用AD7147—1 型電容/數字轉換器(CDC)對電容式滑覺傳感器輸出電容信息進行采集，其具有多路容性轉換通道、16 位轉換精度，片內采用有源交流屏蔽技術有效地降低雜質電容，可靈活構建電容式滑覺信息感知系統。系統框圖如圖5 所示，選用低功耗CC2530 為微控制器，終端節點與滑覺傳感單元構成一體化便攜結構，采集滑覺傳感器輸出的容性觸覺信息并以無線方式發送至協調器，協調器接收滑覺信息后通過串口于LabVIEW 上位機進行滑覺力信息的實時顯示。

2.2 容性滑覺感知

電容式滑覺陣列傳感器信號采集系統軟件負責采集容性滑覺信息并以無線方式發送至協調器，協調器接收下位機數據包后通過串口于LabVIEW 上位機進行力信息的實時顯示。主要包括下位機對電容信號的提取、發送和上位機接收數據并實時圖形化顯示兩部分。其中，上位機開發選取NI(National Instruments)公司的圖形化編程開發平臺，LabVIEW 具備強大的實時數據處理功能與顯示功能，其內部自帶的函數庫能較方便對數據進行更高級的運算和處理，很大程度上提高了測試效率［11］。

圖5 電容式滑覺傳感器滑覺感知系統框圖Fig 5 Block diagram of slip perception system of capacitive slip sensor

微控制器程序流程圖如圖6(a)所示，控制器完成一次陣列掃描后按預定通信協議格式將數據打包發送至上位機。上位機程序流程圖如圖6(b)所示，LabVIEW 接到下位機發送的數據包，解析數據包并判斷無誤后顯示實驗結果。

圖6 程序流程圖Fig 6 Flow chart of program

3 實驗與討論

3.1 傳感器輸出特性

圖7 和圖8 分別為沿X 軸正方向與Y 軸正方向進行切向加載測試時，各差分電容器的輸出與切向力之間的特性關系。

為驗證其滑覺檢測的多方向性，當沿與X 軸正方向呈45°斜向上施加切向力，其差分電容器輸出曲線如圖9，通過上述輸出特性曲線，可以看出，差分電容器在不同方向的輸出電容具有良好的線性度，且與滑覺感知機理分析保持較好的一致性。

3.2 標定與誤差分析

圖7 X 軸方向滑覺傳感器輸出特性Fig 7 Output characteristics of slip sensor in X axis

圖8 Y 軸方向滑覺傳感器輸出特性Fig 8 Output characteristic of slip sensor in Y axis

圖9 與X 軸方向呈45°滑覺傳感器輸出特性Fig 9 Output characteristic of slip sensor in 45°direction with X axis

依據電容式滑覺傳感器的輸出與滑動力之間的關系便可反演出所受壓力值，對電容式滑覺傳感器進行標定實驗其誤差如圖10 所示。

圖10 電容式滑覺傳感器的誤差Fig 10 Error of capacitive slip sensor

從圖10 可知:本文提出的電容式滑覺傳感器相對誤差均低于8%(均在8%誤差帶內)，該電容式滑覺傳感器具有較好的檢測準確度，具備良好的滑覺感知能力。

圖11 為電容式滑覺傳感器應用于滑覺檢測時輸出結果，通過差分電容的輸出特性曲線可以看出:滑動發生于X軸正方向。

通過對電容式滑覺傳感器的輸出特性實驗和滑覺檢測感知等說明了電容式滑覺傳感器具有線性度好、滑覺檢測靈敏等特點，可穿戴于智能機器人實現“軟”抓取功能，為安全人機交互提供了一種可行性方案。

4 結 論

圖11 電容式滑覺傳感器檢測滑動信號時實驗結果Fig 11 Experimental result of sliding signal detected by capacitive slip sensor

本文提出了一種可以用智能機器人仿生皮膚的電容式滑覺傳感器，闡述了電容式滑覺傳感器的結構設計、滑覺感知機理以及構建容性滑覺感知系統，并借助ANSYS 有限元仿真軟件進行滑覺感知機理驗證。本電容式滑覺傳感器可等效為4 只差分式電容器，提高了其檢測靈敏度。其滑覺檢測方向不再局限于單一方向，根據差分電容式滑覺傳感器輸出電容值變化的特點可以判斷滑覺發生的方向。同時，電容式滑覺傳感器極板引線可引至柔性基體面，易于構成電容式滑覺傳感器陣列，實現大面積、高分辨率滑覺感知功能。

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