一種三維柔性力傳感單元的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)*

胡廣宇,潘宏青,許玉云,趙 星,雙 豐,3*

(1.中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所,合肥 230031;2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),合肥 230026;3.安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院,安徽 蕪湖 241000)

隨著智能機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,如何從不確定或復(fù)雜的環(huán)境中獲取有用信息變得尤為重要。觸覺(jué)作為獲取外界環(huán)境信息的一種重要手段,可讓機(jī)器人直接感知環(huán)境和目標(biāo)對(duì)象的多種物理性質(zhì),但外科手術(shù)、康復(fù)醫(yī)療、航天以及食品加工等領(lǐng)域?qū)τ|覺(jué)技術(shù)提出了更高的要求,而能夠模仿人類(lèi)皮膚的柔性觸覺(jué)傳感器將在這些領(lǐng)域起到關(guān)鍵作用。觸覺(jué)傳感器按工作原理可分為壓阻式、壓電式和電容式等[1-4]。文獻(xiàn)[5-6]設(shè)計(jì)了由4個(gè)電容器組成的同面多電極結(jié)構(gòu)的柔性觸覺(jué)傳感器,在外力作用下引起電容變化,從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量三維力的功能,結(jié)果表明該傳感器可檢測(cè)0～10 N的三維力。文獻(xiàn)[7]利用力敏導(dǎo)電橡膠的壓阻效應(yīng)研究設(shè)計(jì)出能滿足柔性需求可檢測(cè)多維力觸覺(jué)傳感器,但采用力敏導(dǎo)電橡膠具有較大的粘彈性。文獻(xiàn)[8-9]提出了整體式框架結(jié)構(gòu),節(jié)點(diǎn)行之間獨(dú)立的具有多層次交叉線陣列式結(jié)構(gòu),能感知多維力信息的柔性觸覺(jué)傳感器系統(tǒng),但制作過(guò)程比較復(fù)雜。文獻(xiàn)[10]提出了基于N型結(jié)構(gòu)的觸覺(jué)傳感器陣列,目前還僅在理論上能實(shí)現(xiàn)對(duì)多維力的連續(xù)追蹤,文獻(xiàn)[11]采用銀納米線為電極材料,PDMS為柔性襯底,設(shè)計(jì)出靈敏度為1.0 kPa-1三明治結(jié)構(gòu)的電容式柔性壓力傳感器。

上述研究結(jié)果表明,觸覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣對(duì)傳感器的數(shù)學(xué)模型、靈敏度、測(cè)量精度以及傳感器制作都有很大影響,并且電容式傳感器容易外界受干擾。本研究采用柔性壓阻膜片作為敏感單元,柔性硅橡膠作為填充物,設(shè)計(jì)了一種新型的擁有正四面體結(jié)構(gòu)特征的三維力傳感器件。該傳感器在滿足柔韌性要求的前提下,將傳感器表面受到的力分解到四面體3個(gè)貼有敏感單元的側(cè)面上,降低了結(jié)構(gòu)耦合對(duì)力測(cè)量的影響,能滿足檢測(cè)多維力信息的要求。另外,由于采用了壓阻測(cè)量技術(shù),有效避免了電容式傳感器抗干擾能力差的缺點(diǎn)[12]。

1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)

采用四面體形微型立體支架作為三維柔性力傳感器的核心結(jié)構(gòu)部件。圖1(a)為傳感器正四面體結(jié)構(gòu)示意圖,1、2和3為壓阻膜片(fsr400),α、β、γ為正四面體3個(gè)下側(cè)面,其中壓阻膜片分別粘附在3個(gè)對(duì)應(yīng)下側(cè)面的中心位置。該膜片將施加在貼敷區(qū)域上的壓力轉(zhuǎn)換成電阻值的變化,從而獲得壓力信息。壓力越大,則電阻越低。該正四面體結(jié)構(gòu)填充的為邵氏硬度為5的硅橡膠材料,以該正四面體結(jié)構(gòu)的3個(gè)下側(cè)面α、β、γ的交點(diǎn)為原點(diǎn)O建立三維直角坐標(biāo)系,以四面體結(jié)構(gòu)上端面的其中一條邊平行于Y軸,另外兩條邊交點(diǎn)的投影落在X軸正方向上。

圖1 傳感器正四面體結(jié)構(gòu)示意圖和結(jié)構(gòu)模型

1.2 傳感器結(jié)構(gòu)受力分析

當(dāng)外力施加在傳感器表面上,正四面體結(jié)構(gòu)發(fā)生形變,導(dǎo)致相應(yīng)的壓阻膜片變形,繼而電阻值也發(fā)生相應(yīng)的變化。如圖2(a)所示,當(dāng)對(duì)傳感器表面施加沿Z軸方向的法向力Fz時(shí),正四面體結(jié)構(gòu)整體下壓,3個(gè)側(cè)面αβγ均發(fā)生變形,對(duì)應(yīng)的壓阻膜片的電阻值發(fā)生改變。當(dāng)對(duì)傳感器施加沿X軸正方向的剪切力Fx時(shí),傳感器的形變?nèi)鐖D2(b)所示,正四面體沿X軸正方向發(fā)生位移形變,導(dǎo)致下側(cè)面αβγ的的壓阻膜片2、3受力變形,相應(yīng)電阻值發(fā)生變化;而當(dāng)施加的力是沿著X軸負(fù)方向的剪切力時(shí),會(huì)導(dǎo)致下側(cè)面αβγ上的壓阻膜片3受力。同理,當(dāng)對(duì)傳感器表面施加沿y軸正方向或負(fù)方向的剪切力Fy時(shí),對(duì)應(yīng)αβγ側(cè)面的壓阻膜片1、2的電阻值發(fā)生變化。

圖2 形變示意圖

當(dāng)對(duì)傳感器表面施加三維力F時(shí),該力可分解到正四面體結(jié)構(gòu)的3個(gè)下側(cè)面上,對(duì)應(yīng)的壓阻膜片的電阻根據(jù)壓力的大小發(fā)生相應(yīng)的變化。根據(jù)壓阻與壓力的狀態(tài)方程Fi=f(ΔRi)可解耦求得每個(gè)下側(cè)面受到的壓力大小,i表示3個(gè)下側(cè)面對(duì)應(yīng)的電阻值1、2和3,f由壓阻膜片性質(zhì)決定的。如圖3(a)、3(b)所示,柔性力傳感單元受力分解如下:

Fx=f1(F2cosφ+F3cosφ-F1sinθ)
Fy=f2(F2sinφ-F3sinφ)
Fz=f3(F1cosφ+F2cosφ+F3cosθ)

(1)

圖3 F1、F2、F3的分析圖

1.3 有限元仿真

利用COMSOL有限元軟件驗(yàn)證該傳感器結(jié)構(gòu)的合理性。由于傳感器正四面體結(jié)構(gòu)和圓柱部分填充了不同硬度的硅橡膠材料,因此兩種材料的楊氏模量有所差別,假設(shè)兩種材料都是不可壓縮的,故泊松比設(shè)置為0.49。同時(shí)為了仿真正四面體3個(gè)下側(cè)面中心壓阻膜片電阻變化,等效利用正四面體體電阻變化,在COMSOL中設(shè)置四面體3個(gè)下側(cè)面中心位置為接地端,上表面中心為終端,設(shè)置正四面體相對(duì)介電常數(shù)為2.75。

具體參數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性

圖4(a)顯示了當(dāng)Z方向受到300 kPa的壓強(qiáng)時(shí),傳感器的變形圖;圖5(b)顯示了當(dāng)X正方向受到200 kPa的壓強(qiáng)時(shí),傳感器的變形圖。

在仿真中,橡膠材料不可壓縮可視為超彈性體,受外力作用后體積不變,其電阻值滿足:

(2)

式中:li表示終端到接地端的長(zhǎng)度,v表示的正四面體體積,隨著壓力的變化,li變化,導(dǎo)致Ri產(chǎn)生變化。

圖4 最大位移圖

圖5 力與下側(cè)面電阻的變化曲線

當(dāng)對(duì)傳感器施加Z方向壓力的過(guò)程中,隨著力的增大,3個(gè)側(cè)面上壓阻膜片的電阻值隨著下側(cè)面的壓力的增大呈減小趨勢(shì)。如圖5(a)所示,可以看出仿真結(jié)果R1、R2和R3的變化趨勢(shì)完全一致呈減小趨勢(shì),這是由于li長(zhǎng)度隨著壓力的增大而變小。但R1、R2和R3的初始值不一致,因?yàn)?個(gè)下側(cè)面的接地端沒(méi)有完全處于下側(cè)面的中心位置(實(shí)際傳感器制作中壓阻膜片貼片過(guò)程中存在誤差,很難貼在中心位置)。

當(dāng)對(duì)傳感器在X正方向施加作用力的過(guò)程中,如圖5(b)所示,R2和R3呈相同的減小趨勢(shì),而R1增大,這是由于當(dāng)受到沿作用力的時(shí)候下側(cè)面α產(chǎn)生的形變的方向與X正方向相反,終端與下側(cè)面α的中心位置長(zhǎng)度由于切向力作用變長(zhǎng),因此電阻值增大。該結(jié)果也與式(1)的計(jì)算相符。

1.4 傳感器的制作

利用雕刻機(jī)加工傳感器模具,將壓阻膜片貼在模具內(nèi)的四面體側(cè)面上,并澆灌邵氏硬度為10的硅膠,然后用柔性導(dǎo)線引出膜片引腳,固化脫模后,對(duì)另一面澆灌邵氏硬度為5的硅膠形成正四面體結(jié)構(gòu),常溫固化后,兩種不同硬度的硅膠以及壓阻膜片粘結(jié)成一體形成如圖6所示的三維柔性力傳感單元,其三維力量程為0～11 N。

圖6 柔性力傳感器實(shí)物圖

圖7 電阻轉(zhuǎn)電壓電路

2 實(shí)驗(yàn)與討論

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

為了采集傳感器數(shù)據(jù),如圖7所示,根據(jù)Vout=(VccRref)/R利用電阻轉(zhuǎn)電壓模塊將傳感器中的電阻值轉(zhuǎn)換成電壓值進(jìn)行采集,其中Vout是輸出電壓,R是壓阻膜片的電阻,Vcc是電源電壓,Rref是反饋電阻。當(dāng)對(duì)傳感器表面施加力,傳感器電阻發(fā)生變化,信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻轉(zhuǎn)電壓電路模塊處理后,傳遞給采集卡,然后通過(guò)usb接口顯示在計(jì)算機(jī)界面上。

圖8(a)所示為傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該系統(tǒng)硬件部分由以下部分組成:a為對(duì)傳感器施加力的標(biāo)定平臺(tái),b為柔性力傳感器,c為電阻轉(zhuǎn)電壓模塊,d為數(shù)據(jù)采集卡,e為外部電源。圖8(b)表示對(duì)傳感器施加切向力的方式。

圖8 傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和加載切向力方式

軟件系統(tǒng)采用基于圖形化編程語(yǔ)言的Labview編寫(xiě),實(shí)現(xiàn)了壓力信號(hào)的實(shí)時(shí)采集及處理。采集卡為ztic公司的usb7660系列采集卡,在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中,默認(rèn)的采樣頻率是1 kHz,分辨率為16位。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為減小隨機(jī)噪聲和瞬時(shí)擾動(dòng),在程序中使用了滑動(dòng)平均濾波法處理采集到的信號(hào)。

2.2 傳感器的標(biāo)定與解耦

對(duì)傳感器表面分別施加Fx、Fy和Fz3個(gè)方向的力,對(duì)每個(gè)方向的分別從0到11 N每間隔1 N進(jìn)行力的加載,每次記錄5組數(shù)據(jù)取均值。另外作用于力傳感器表面由于存在負(fù)方向切向力,需要對(duì)Fx,Fy增加從-11 N到0 N每間隔1 N進(jìn)行力的加載的標(biāo)定。標(biāo)定結(jié)果在表2中列出(為避免數(shù)據(jù)表格過(guò)長(zhǎng),省略了Fy負(fù)切向力的數(shù)據(jù))。

表2中,F表示的是三維力,V1、V2和V3分別表示的是對(duì)應(yīng)的壓阻膜片輸出的電壓值的大小。

由表2可知,對(duì)傳感器施加法向力,壓力與輸出電壓呈非線性關(guān)系。由于在仿真中采用的是理想模型,電阻與壓力呈線性變化。對(duì)傳感器表面施加沿X軸正方向的切向力,可以看出V1基本沒(méi)有變化,這是因?yàn)閺膫鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)上可以看出在X方向施加正方向的法向力,壓阻膜片1受力面與施加力的方向相反,從而導(dǎo)致沒(méi)有受力或者受力很小,可以忽略不計(jì)。同理可分析沿X軸負(fù)方向切向力以及沿Y軸方向切向力。

表2 標(biāo)定結(jié)果

對(duì)于電壓與壓力關(guān)系,可利用式(1)通過(guò)求解多項(xiàng)式得到矩陣關(guān)系,缺點(diǎn)是計(jì)算量較大。我們利用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[13],通過(guò)采集到的電壓值解耦出傳感器所受到的三維力大小。在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法中,以輸出的電壓值V=[V1,V2,V3]作為輸入向量,以對(duì)應(yīng)的力傳感器表面受到的三維力F=[Fx,Fy,Fz]作為輸出,訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。然后再利用訓(xùn)練好的BP網(wǎng)絡(luò)模型解耦出測(cè)試樣本中的三維力,并求出相對(duì)誤差。圖9是設(shè)計(jì)的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程性能圖。

2.3 耦結(jié)果分析

從圖9可知,BP網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)64次迭代完成了樣本的訓(xùn)練過(guò)程。從測(cè)試樣本中隨機(jī)抽取15個(gè)樣本,每個(gè)樣本對(duì)應(yīng)一個(gè)三維力,圖10描述了這些樣本所受外部壓力的解耦絕對(duì)誤差。可以看出最大的誤差超過(guò) 0.6 N,絕大部分解耦誤差都在[-0.5 N,0.5 N]范圍內(nèi)。

圖9 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能圖

圖10 測(cè)試樣本的絕對(duì)解耦誤差圖

圖10中可以看出該三維力柔性傳感器的相對(duì)誤差在施加力比較小的情況下較大,并且實(shí)際采集的值和仿真結(jié)果存在著一定的偏差,原因主要有以下幾方面:①柔性膜片封裝在硅膠內(nèi),硅膠變形會(huì)導(dǎo)致與膜片之間產(chǎn)生縫隙,而且粘貼位置也會(huì)對(duì)測(cè)量造成較大影響;②柔性壓阻膜片的力與電阻之間存在較大的非線性關(guān)系,不同于模擬實(shí)驗(yàn)中采用的線性方法;③對(duì)硅膠表面施加力時(shí),力通過(guò)四面體傳導(dǎo)存在一定的非線性衰減,給解耦帶來(lái)一定的誤差;④信號(hào)采集過(guò)程中的干擾誤差。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型的正四面體式三維柔性力傳感單元,并進(jìn)行了理論推導(dǎo)和仿真分析,得出該傳感器的電阻(電壓)與三維力之間的關(guān)系。并基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦方法,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該傳感器能對(duì)三維力進(jìn)行測(cè)量。

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