仿人機械手觸覺傳感器的設計

李濤，謝東，吳昊，王俊豪，王克潔

(銅陵學院電氣工程學院，安徽銅陵244000)

通信作者：謝東(1968— )，男，博士，教授，xdy@tlu.edu.cn。

隨著工業自動化水平的不斷提高，可以感知三維力的機械手成為研究熱點。機械手研究的一個核心問題是設計出性能良好的傳感器，以測量來自不同方向的觸覺與滑覺信號。本文選用聚偏二氟乙烯(PVDF)壓電薄膜作為傳感器的材料，構成基于壓電效應的傳感器。該傳感器柔軟，重量輕，頻帶寬，可無源工作。當我們拉伸或壓縮壓電薄膜時，在薄膜的兩極表面間會產生一個電荷信號或者電壓信號，該信號正比于壓電薄膜拉伸或壓縮的形變量。如果壓電傳感器被設置成三維的空間結構，就可感受來自不同方向上的應力。本文以PVDF壓電薄膜為感應材料，設計了仿人機械手的觸覺傳感器。分析與測試結果表明，本文所設計的觸覺傳感器能使仿人機械手清晰地區分出三維的觸覺和滑覺信號，從而有效地判斷出相應的感覺信息。

1 PVDF壓電薄膜工作原理

PVDF是靈敏性高、化學穩定性高的高分子聚合物。給PVDF壓電薄膜施加應力使其產生形變時，薄膜內部的電荷會被極化而向兩極移動，其兩個相對表面上匯聚大小相等、符號相反的電荷，且產生的電荷數量與形變量成正比[1]。外力撤去后，極化電荷又恢復到初始狀態，此時PVDF壓電薄膜不帶電。另外，極化電荷的極性隨著所加外力方向的改變而改變，這時候的傳感器等同一個用壓電材料做電介質的電容。表1是PVDF的性能參數。

表1 PVDF的性能參數

在PVDF壓電薄膜的上、下兩面鍍上電極，使其構成換能電容。當作用在薄膜上的應力發生變化時，換能電容兩極產生的電荷量為

(1)

式中：Δq為單位面積上的電荷量；Δσj為應力變化量；d3j(j=1，2，3)為各方向的壓電應變常數。

將換能電容接到圖1中以R為輸入電阻的放大器上，其壓電效應方程為

(2)

式中，i是換能電容的漏電流。

對于換能電容上的一點(x,y)，設其初始時刻電荷面密度是q(x,y,t0)，則t時刻其電荷面密度為

(3)

設PVDF壓電薄膜總面積為SP，則其電荷量為

假定PVDF壓電薄膜只受到垂直方向的作用力，且所受應力均勻變化，則其電荷量為

Q(t)=Spd33exp [-t/(RC)]ε(t)

(5)

式中，ε(t)表示階躍函數。

式(5)表明，PVDF壓電薄膜上的電荷量按指數規律衰減，這是換能電容與放大器的泄漏造成的，可通過數據處理來補償。

圖1 PVDF壓電薄膜換能模型

2 三維力觸覺傳感器設計與制作

為提升機械手的性能，本文設計了一種可以感受三維力的觸覺傳感器，設計重點在于設計出性能優良的傳感頭。圖2為本文所采用的傳感頭結構，主要包括PVDF壓電薄膜、四棱臺及基座。

圖2 觸覺傳感器的傳感頭結構

圖2中，將PVDF壓電薄膜粘貼在四棱臺的4個側面，可以有效獲取接觸面所受到的三維力信息。如果有外力F作用于四棱臺的接觸面，則外力F會按矢量法則分解，分別作用于四棱臺4個側面的壓電薄膜上。各側面壓電薄膜產生的電荷量大小正比于所受到的力。對電荷量進行測量，即可算出各側面上F的分力大小，進而獲得物體在三維方向上的受力信息[2]。

本文所述觸覺傳感器的總體設計思路為：由傳感頭感知的反映觸覺與滑覺的電信號，經信號調理電路預處理；再經模數轉換后提供給計算機做進一步處理，以分析判斷接觸、滑動等動作行為；計算機輸出的觸覺與滑覺信號可通過示波器進行觀察。傳感器的工藝制作分為以下幾個步驟。首先，根據所要求的傳感頭大小和形狀對PVDF壓電薄膜進行裁剪，并清除裁口留下的毛刺，這樣可防止出現短路。其次，通過筆式熱點焊法從薄膜內表面的電極上引出導線，將薄膜的下表面與基座平整粘合在一起，再將四棱臺置于薄膜的上表面，注意接觸面不要凸起，避免由于接觸面所受應力不均勻而造成測量誤差。然后，用導電膠對焊點作二次加固以防止焊點與薄膜電極層間接觸不良，并在焊點周圍用膠粘劑進行封裝，以確保焊點與外界絕緣。最后，在印制線路板上制作信號調理電路，并將傳感頭、信號調理電路、計算機和示波器之間的連線接好，從而構成一個完整的觸覺傳感器測試系統。觸覺傳感器需置于機械手之中，傳感頭表面尺寸設定為5 mm×5 mm，而印制線路板做成長方形，尺寸為3 cm×2.2 cm，線路板上元件均為貼片封裝。

3 信號調理電路的設計

當物體接觸到PVDF壓電薄膜或在其表面滑動時，首先要通過信號調理電路進行信號的轉換、放大與濾波，這里詳細介紹信號調理電路中電荷放大器和低通濾波器的設計方法。

3.1 電荷放大器

電荷放大器的作用是將PVDF壓電薄膜產生的電荷信號轉換為電壓信號并放大，其電路如圖3所示。

圖3 電荷放大器

PVDF壓電薄膜受壓后，兩個相對表面的正負電荷量較少且其輸出阻抗高，導致很難精確地計算出其受力情況。為了彌補這一缺點，本文選擇運算放大器件CA3140為核心構成高輸入阻抗集成放大電路，將電荷信號放大為可以直接測量的電壓信號[3]。在放大器可視為開路并且開環增益非常大的情況下，輸出電壓正比于薄膜的輸出電荷，即

U1=KQ

(6)

式中，U1為集成放大電路的輸出電壓，K為開環增益，Q為PVDF的輸出電荷。

正常情況下PVDF壓電薄膜傳感器的內阻最高可達1 TΩ，在受到動態應力并且頻率小于100 Hz時，傳感器的內阻降至10 ～100 MΩ。本文選用的CA3140作為高輸入阻抗運放器件，其反饋電容為C1=0.1 μF，反饋電阻為R1=10 MΩ，其放大倍數為2 000左右。同時，還采用標準的運算放大器構成一個電壓放大級，進行電壓信號的進一步放大，使電壓放大至適合于數據采集系統采集的-5～+5 V的范圍。 通過測量放大后的電壓，可準確地測出PVDF壓電薄膜的受力情況。

3.2 低通濾波電路

PVDF壓電薄膜的低頻響應將最初微弱的電荷信號放大成較大的電壓信號，它具有一定的信噪比，會干擾信號的測量，所以在將放大后的電壓信號送到數據采集系統前需要進行信號的濾波處理，盡可能將噪聲清除，保證測量結果的準確性。由于人體的動作頻率通常小于100 Hz，因此滿足要求的濾波器通頻帶范圍應該為0.1～100 Hz。圖4為本文所設計的低通濾波器的電路圖，其截止頻率為66.7 Hz，截止頻率的計算公式為

(7)

4 數據處理與測試結果分析

圖4 低通濾波電路

從信號調理電路輸出的信號需做進一步的數據處理，以分析觸覺和滑覺信號的不同形態特征，本文采用特征值法來分析觸覺和滑覺信號。由于物體對傳感器的接觸力與PVDF壓電薄膜輸出電壓峰值具有線性關系，且響應速度很快，故采用信號均值作為觸覺信號的特征值[4]。考慮到PVDF壓電薄膜靜態性能較差，夾緊速度慢時適當減小閾值，以補償慢速夾緊物體時傳感器輸出信號的衰減。與觸覺信號相比，滑覺信號具有持續交變性的特征，它是連續接觸和釋放信號的疊加，所以可采用信號方差作滑覺信號特征值。考慮到物體接觸時方差與滑動時方差差別較小，需要嚴格控制采樣周期，讓采集到的滑動信號有一系列的峰值點。當微機系統檢測到傳感器輸出信號有多個拐點且各拐點間差值滿足閾值要求時，可判定有滑動產生。

為檢驗本文所設計的仿人機械手觸覺傳感器的實際效果，構建了觸覺感知系統進行實驗測試。測試方法如下：將以PVDF為感應材料的觸覺傳感器置于壓力測試平臺上，測試物體分別在傳感器表面接觸與滑動，通過示波器觀察傳感器觸覺與滑覺信號的輸出波形。實驗波形如圖5所示。

由圖5(a)可知，傳感器觸覺信號的輸出波形是單個大幅值的脈沖信號。圖5(b)中傳感器滑覺信號的輸出波形，是一系列連續波動的小幅值信號，與觸覺信號的輸出波形有很大區別。圖 5表明，以PVDF為感應材料的觸覺傳感器可有效感知物體的接觸與滑動，并能夠明顯區分觸覺信號與滑覺信號。

圖5 觸覺與滑覺實驗波形

5 結論

為提高工業自動化水平，可以應用仿人機械手來代替人工進行危險枯燥的勞動。本文設計了一種可感受到三維力的觸、滑覺機械手，它具有結構簡單、生產成本低的特點，易于大量生產。理論分析與實驗測試結果表明，本文所設計的仿人機械手觸覺傳感器具有合理性及可行性，能有效分析與判斷觸覺和滑覺信息，可代替人工操作。