基于金字塔結(jié)構(gòu)的高靈敏滑觸覺傳感器研究*

黃 英， 孫志廣， 解志誠， 毛磊東

0 引 言

觸覺傳感器[1]的研究對智能機(jī)器人的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)器人皮膚必須具備一定的滑覺感知[1]能力，在抓取物體的過程中需要實(shí)時(shí)調(diào)整抓取力[2]的大小，以免抓取力過大導(dǎo)致物體損壞或抓取力過小導(dǎo)致物體脫落。因此，需要對智能機(jī)器人皮膚滑覺感知[3]能力進(jìn)行深入研究。對滑覺傳感器滑動(dòng)信息的檢測占據(jù)愈加重要的地位，既要具備類似人觸覺感知的能力，還要能夠準(zhǔn)確地獲取空間三維力[4]的信息。

目前，國內(nèi)外在滑觸覺傳感器的研制方面，取得了諸多顯著的成果，但滑觸覺傳感器受傳感材料及敏感結(jié)構(gòu)的制約，僅能感知單維力或者單一觸覺[5]信息，無法實(shí)現(xiàn)具備三維力和滑移檢測的功能。因此，在滿足觸覺測量精度的前提下，選用合適的傳感材料和合理的傳感結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)滑觸覺信息的有效提取顯得尤為重要。

本文設(shè)計(jì)了一種滑觸覺傳感器，具有靈敏度高，易于陣列化等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)三維力檢測和滑覺感知功能。

1 滑觸覺傳感器制備

基于金字塔結(jié)構(gòu)的高靈敏的滑觸覺傳感器包括上柔性印刷電路板和下柔性印刷電路板；傳感器整體結(jié)構(gòu)呈上下電極分立結(jié)構(gòu)，其中下層柔性電極分為中心電極(邊長為5 mm正方形)和上下左右4個(gè)大小相同的感應(yīng)電極(長為5 mm，寬1.5 mm矩形)，下層中心電極與各感應(yīng)電極間距為0.5 mm，4個(gè)矩形感應(yīng)電極圍繞中心電極的中心原點(diǎn)成對稱排布；且在上柔性印刷電路板的表面印刷有上層公共電極尺寸為7.5 mm×7.5 mm，下層中心電極與上層公共電極的中心在同一豎直線上。介質(zhì)層的下表面將下層中心電極和4個(gè)感應(yīng)電極全覆蓋；且上層公共電極在下柔性印刷電路板表面的正投影將下層中心電極全覆蓋，將各感應(yīng)電極沿長邊中線半覆蓋。

在上柔性印刷電路板和下柔性印刷電路板之間設(shè)置有介質(zhì)層，介質(zhì)層由一平面層和位于平面層上的金字塔結(jié)構(gòu)2部分組成：介質(zhì)層的底部平面長8 mm、寬8 mm、厚度為1 mm，位于其上的金字塔結(jié)構(gòu)的底面邊長2 mm、層高為1 mm、傾角為45°。上層公共電極、下層中心電極和各感應(yīng)電極的厚度均為0.25 mm，柔性保護(hù)層和兩柔性電極的柔性基底的厚度均為0.25 mm。介質(zhì)層的上表面一體化成型有金字塔結(jié)構(gòu)；上層公共電極與金字塔結(jié)構(gòu)的塔頂接觸，下層中心電極與介質(zhì)層的下表面接觸；增加金字塔結(jié)構(gòu)層可以提高傳感器的分辨力、檢測微小的觸覺信息，同時(shí)平面層的存在增大了傳感器的量程。在上柔性印刷電路板上通過柔性保護(hù)層固定有硅橡膠半球形觸頭，半徑為4 mm，整個(gè)傳感器單元整體高度為7.25 mm。其中上層公共電極層與下層中心電極用于感知觸覺信息；上層公共電極與4個(gè)矩形感應(yīng)電極用于感知切向信息和滑覺信息。

柔性保護(hù)層是旋涂于上柔性印刷電路板上的一薄層硅橡膠，用于保護(hù)上柔性印刷電路板、傳導(dǎo)觸頭作用力。柔性保護(hù)層選用中昊晨光化工研究院有限公司的GD401型硅橡膠為材料，該硅橡膠可以在室溫下自行固化成型，且成型后具有很好的柔性。

硅橡膠半球形觸頭利用3D打印技術(shù)打印半徑為8 mm的半球形模具，將適量的硅橡膠和固化劑倒入該模具中，待其固化成型，從模具中取出已成型的觸頭層即可。介質(zhì)層所需的模具是通過3D打印工藝技術(shù)制備，打印分辨率可以達(dá)到0.02 mm，3D打印材料具備優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、良好的兼容性和可降解性能。

基于柔性印刷電路板(flexible printing circuit board,FPCB)技術(shù)，上柔性印刷電路板和下柔性印刷電路板的柔性基底以聚酰亞胺為材質(zhì)，相應(yīng)電極層是鍍在柔性基底聚酰亞胺表面的一層銅箔。介質(zhì)層以聚二甲基硅氧烷(polydimethyl-siroxane,PDMS)(10：1)為敏感材料。利用3D打印技術(shù)打印倒金字塔形狀模具，為保證傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性，將PDMS的2種組分混合攪拌均勻后，在真空室脫氣，然后注入模具中。將模具置于下柔性印刷電路板的下層中心電極和感應(yīng)電極上，使模具與各電極對齊，待混合均勻在室溫下成型，在90 ℃條件下固化60 min后，取下模具，即可獲得理想形狀的金字塔結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層。將介質(zhì)層、兩柔性印刷電路板、柔性保護(hù)層以及硅橡膠半球形觸頭均經(jīng)過等離子體處理90 s后粘合在一起?；|覺傳感器的電極結(jié)構(gòu)及其制備流程如圖1所示。制備過程中應(yīng)保證填料分布均勻，形成穩(wěn)定的力學(xué)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)良好的機(jī)械性能。

圖1 滑觸覺傳感器單元電極結(jié)構(gòu)及制備流程

傳感器陣列的空間分辨率為相同方向的2相鄰傳感單元間的中心距離。本文設(shè)計(jì)的滑觸覺傳感單元的尺寸均為10 mm×10 mm，陣列間隙為3 mm，則滑觸覺傳感陣列的陣列分辨率為13 mm。滑觸覺傳感陣列呈正方形分布,含有5×5=25個(gè)滑觸覺傳感單元，傳感器陣列的整體長度為70.00 mm，寬度為70.00 mm?；|覺傳感陣列具有良好的柔性，可較方便地穿戴在機(jī)械手上。其中每個(gè)傳感單元均可以單獨(dú)進(jìn)行三維力的測量與滑動(dòng)信息的提取?；|覺傳感器陣列電極結(jié)構(gòu)及引線如圖2所示，其中圖2(a)為滑觸覺傳感陣列的下柔性電極層；圖2(b)為滑觸覺傳感陣列的上柔性電極層。每層電極均可獨(dú)立制備，每層的制備方式與滑觸覺傳感單元相同，最終將電極和介質(zhì)層通過導(dǎo)電銀膠粘結(jié)起來。

圖2 滑觸覺傳感器陣列電極結(jié)構(gòu)及引線示意

2 滑觸覺傳感單元三維力加載試驗(yàn)

以下層中心電極的中心為原點(diǎn)、以向上垂直于印刷電路板上的方向?yàn)閆軸正方向、以垂直且指向第四感應(yīng)電極的方向?yàn)閄軸正方向，以垂直且指向第一感應(yīng)電極的方向?yàn)閅軸正方向，構(gòu)建基于金字塔結(jié)構(gòu)的柔性高靈敏的滑觸覺傳感器的三維坐標(biāo)系。

滑觸覺電容式傳感器檢測觸覺的機(jī)理如下：假設(shè)所施加的外界三維力為集中力，且接觸點(diǎn)均為半球形觸頭的最高點(diǎn)。半球形觸頭在三維力作用下，電極間距、正對面積和介質(zhì)層的相對介電常數(shù)隨即改變，導(dǎo)致電容值的變化。通過AD7147—1采集電容信號，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入微處理器，即可構(gòu)建作用在傳感器三維力大小與電容值的特征關(guān)系?；诮鹱炙Y(jié)構(gòu)的電容式滑觸覺5×5陣列信號采集系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 滑觸覺陣列信號采集系統(tǒng)

為了對比驗(yàn)證金字塔結(jié)構(gòu)的有效性，將本文的金字塔介質(zhì)層由“底部平面+金字塔”的結(jié)構(gòu)，改為8 mm×8 mm×2 mm的平面結(jié)構(gòu)，其余結(jié)構(gòu)均相同，構(gòu)成基于平面介質(zhì)層結(jié)構(gòu)的傳感器。

在硅橡膠半球形的觸頭中心力的集中點(diǎn)，施加沿Z軸負(fù)方向作用的法向力FZ于半圓型硅橡膠觸頭時(shí)，在三維力的整體作用下，基于金字塔結(jié)構(gòu)的滑觸覺傳感器聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)介質(zhì)層被壓縮，空氣介質(zhì)層厚度減小，下層4個(gè)矩形感應(yīng)電極和下層中心電極與上層公共電極極板之間的相對介電常數(shù)增加，上下極板之間的距離變小，上下極板正對面積不變，C0增加，C1，C2，C3，C4電容值同等程度的變大?；诮鹱炙Y(jié)構(gòu)的滑觸覺傳感器與基于平面介質(zhì)層結(jié)構(gòu)的傳感器在三維力作用下的電容值變化曲線如圖4(a)所示。在0～4 N范圍內(nèi)，基于金字塔結(jié)構(gòu)的傳感器的靈敏度為0.01/kPa，而基于平面介質(zhì)層結(jié)構(gòu)的柔性傳感器靈敏度為0.000 5/kPa。金字塔結(jié)構(gòu)的加入，使基于金字塔結(jié)構(gòu)的傳感器在小量程段具有更高的靈敏度，法向靈敏度提升了20倍左右，能夠更好地分辨和檢測觸覺力。

圖4 2種結(jié)構(gòu)傳感器在三維力作用下的電容值變化

預(yù)加載FZ=2 N的條件下，施加一沿Y軸正向作用的剪切力FY時(shí)，半球形觸頭在法向力FZ和沿Y軸正向作用的剪切力FY的共同作用下，使沿FY方向，介質(zhì)層壓縮，PDMS介質(zhì)層取代部分被壓縮的空氣介質(zhì)層的位置，Y軸正方方向上下電極正對面積增加，PDMS的介電常數(shù)大于空氣的介電常數(shù)，矩形感應(yīng)電極和上層公共電極之間的有效介電常數(shù)增加，正對面積增加，極板之間的間距減小，電容值C1增加，而在FY負(fù)方向，介質(zhì)層厚度基本不變，空氣介質(zhì)層厚度增加，矩形感應(yīng)電極和上層公共電極之間的有效介電常數(shù)減小，正對面積也減小，電容值C3減小。在正交方向，介質(zhì)層的形變量互相抵消，因此C2，C4幾乎不變，如圖4(b)所示?；诮鹱炙Y(jié)構(gòu)的滑觸覺傳感器的靈敏度為0.062 5/kPa，而基于平面介質(zhì)層結(jié)構(gòu)的傳感器的靈敏度為0.025/kPa，剪切方向的靈敏度提升了3倍左右。對比可知，在同等條件下，基于金字塔結(jié)構(gòu)的傳感器在剪切方向上較之基于平面介質(zhì)層結(jié)構(gòu)的傳感器更為靈敏?；|覺傳感陣列在Z,X和Y3個(gè)方向的量程分別為0～10 N,-5～5 N,-5～5 N。

本文基于金字塔結(jié)構(gòu)的滑觸覺傳感器綜合采用變面積A式、變間距s式、變介電常數(shù)ε式以提高傳感器的在法向力、剪切力方向上的靈敏度。在三維力研究基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)基于金字塔結(jié)構(gòu)的滑觸覺傳感器的滑覺檢測功能。該電容式滑觸覺傳感器，既能分辨較小的觸覺力，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)對各個(gè)方向剪切力的測量，大幅提高了傳感器的靈敏度，實(shí)現(xiàn)了傳感器在剪切方向的滑覺檢測功能。

提取在靜態(tài)法向力為2N狀態(tài)下，沿X軸正向施加均勻增加的動(dòng)態(tài)切向力時(shí)電容值C4的變化，輸出電容值信號的變化隨著剪切力的增加，如圖5所示。當(dāng)切向力增加到4 N之前，電容一直穩(wěn)定增加。當(dāng)剪切力大于4 N之后，電容值基本不變。為此，提取了0～10 N范圍內(nèi)電容值變化的信息。可以發(fā)現(xiàn)，在剪切力增加至4 N左右的瞬間，電容值信號出現(xiàn)明顯的抖動(dòng)，頻率增加，但隨后趨于穩(wěn)定。因此，將完整的加載過程分為3個(gè)過程：預(yù)滑動(dòng)、滑動(dòng)和穩(wěn)定的滑動(dòng)。滑動(dòng)信息的實(shí)時(shí)提取與反饋對物體的軟抓取具有重要的指導(dǎo)意義。

3 基于LabVIEW的滑觸覺傳感陣列的感知應(yīng)用研究

本文通過傳感器對外界加載三維力的響應(yīng)輸出的信號來判定滑移。定義傳感器單元為Cij(i=1，2，3，4，5；j=1，2，3，4，5)。利用LabVIEW數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示各個(gè)滑觸覺傳感單元的受力狀態(tài)及分布情況。

將滑觸覺傳感陣列與三維力加載平臺(tái)固定，將4個(gè)“H”,“F”,“U”,“T”字樣的樣品依次分別置于5×5滑觸覺傳感陣列的正上方，并對整個(gè)柔性傳感陣列進(jìn)行觸覺力的分布狀態(tài)和大小等信息的實(shí)時(shí)測試，機(jī)械手在物體抓取過程中的觸覺力的測試結(jié)果如圖6(a)所示。結(jié)果表明：研制的滑觸覺傳感陣列不僅能夠測量三維觸覺力，并通過研制的數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示出三維觸覺力的分布，并由此可以判斷接觸點(diǎn)位置與觸覺力的實(shí)時(shí)情況。將一個(gè)4 mm×4 mm的立方體物塊置于柔性滑觸覺傳感陣列表面，以13 mm/s的速度水平勻速向X方向拉，如圖6(b)所示。在向X軸正向移動(dòng)的過程中，由LabVIEW色溫圖知，Cij>C(i-1)j，即表明物體在向右移動(dòng)過程中，右側(cè)傳感器單元受到較大的力。當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閄Y軸的對角線時(shí)，由LabVIEW色溫圖可知，Cij>C(i-1)(j-1)，表明在滑動(dòng)方向上受到較大的力，結(jié)果如圖6(c)所示。

圖6 5×5滑觸覺傳感陣列感知應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

因此，可以根據(jù)滑觸覺傳感器的響應(yīng)狀態(tài)有效判定物體的位置、大小、滑動(dòng)方向等具體的信息。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種靈敏度高、易于陣列化、可用作智能機(jī)器人仿生皮膚的基于金字塔結(jié)構(gòu)的滑觸覺傳感陣列，可實(shí)現(xiàn)真正意義上的三維力檢測和滑覺感知的功能，有效解決了傳感器量程較小，靈敏度低、維護(hù)性差的缺陷。研制的掃描檢測電路和數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手抓取過程中的三維力和滑移檢測，初步實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手軟抓取過程中的滑觸覺感知需求。

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