基于PVDF的三維指尖力傳感器設計*

魏健雄， 萬 舟， 單 陽， 祝奔奔

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650504)

0 引 言

傳感器技術是智能機械手研究和發展的主要方向之一，智能機械手主要應用六維腕力傳感器和三維指尖柔性觸覺傳感器[1～3]。迄今為止，國內外許多專家學者對六維腕力傳感器的研究已較為深入，但對三維指尖力觸覺傳感器的研究還略有不足[4]。三維指尖觸覺傳感器可感知三維空間的力信息，是實現機械手智能化的重要傳感器[5，6]，隨著工業上對智能機械手控制的可靠性要求不斷提高，準確獲取三維指尖力信息尤為重要。

當前機械手所應用的傳感器通過獲取機器人作業時與外界環境之間的相互作用力，進而實現機器人對力覺、觸覺和滑覺等的感知[7]。本文設計的基于柔性壓電薄膜的指尖力觸覺傳感器，是針對現有大部分相關觸覺傳感器對三維力信息檢測的不足，結合聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)薄膜的壓電特性，而設計的一種可有效檢測指尖力三維信息[8]，且具有推廣價值的觸覺傳感器。與傳統指尖力傳感器相比，該傳感器所測得的三維力信息，能夠更全面地反映指尖力的狀況。

1 傳感器材料選擇

PVDF是一種有機高分子壓電材料，可制成壓電薄膜。用PVDF制成的薄膜不僅柔韌耐用，而且力電轉換靈敏度高[9]。當PVDF壓電薄膜受外力作用時，薄膜上下表層會生成極性相反、大小相等的電荷量[10]。可將其近似看成兩極板上聚集了等量異性電荷，中間為絕緣體的電容器，故可用PVDF作為指尖力傳感器的壓電材料。根據其性質，可將受力狀態的PVDF薄膜理想化為電容器。當薄膜受到垂直于膜面方向壓力，單位面積輸出電荷量與所施加垂直于薄膜表面外力的關系為

δ=dσ

(1)

Δδ=dΔσ

在PVDF薄膜上位置(x，y)，假設0時刻的電荷密度為δ(x,y,t0)，t時刻的密度則為δ(x,y,t)，則

(3)

式中d為垂直薄膜方向的壓電應變常數,C/N；σ為薄膜承受的應力,Pa。

當面積為S壓電薄膜兩極板上因施加壓力，而聚集了電荷，電荷量為

(4)

式中Q(t0)為0時刻電荷量；i(t)=Q(t)/RC為偏電流;S為PVDF薄膜的面積;C為PVDF的等效電容;R為后續放大電路的輸入電阻。

(5)

薄膜由此產生的電壓可表示為

U(t)=Q(t)/C

(6)

2 傳感器設計與原理

基于PVDF薄膜的三維指尖力傳感器，其核心部分是指尖力傳感頭，為了能全面探測指尖力的三維信息，根據PVDF壓電薄膜的測量原理，設計了圖1所示構型的傳感頭，用于指尖力探測。

圖1 傳感頭結構

選取一個帶指尖卡槽的四棱臺，及一個傳感器基座。四棱臺插在基座內部，四棱臺上表面和基座四邊頂部平齊，輪廓均為正方形，背襯上表面平面部分與其下表面，以及基座底部平面平行，基座周圍4個斜面與上表面之間夾角為45°，四棱臺上方的接觸面則為傳感器與指尖的接觸部位，指尖卡槽可以起到固定指尖位置作用。四棱臺背襯底部傳感器基座內側底部留有一部分鏤空，可保證指尖力通過四棱臺背襯完整傳遞到PVDF薄膜上。

將四棱臺四側面延伸，相交于P圖2(a)。傳感頭剖面為一個等腰直角三角形，若受力點為O，從該點引出垂線，分別垂直于A，B兩個面，垂足位于EP與FP上。從而得出FA和FB的方向，如圖2(b)所示。同理可知FC和FD方向。

傳感器安裝于手套指尖部分圖2(c)。

圖2 傳感器結構分析

傳感頭部分受力分析示意圖如圖2(d)所示，可以看出F與各方向分力之間的關系。當在四棱臺凹槽施加指尖力F，棱臺4個側面上安裝的PVDF薄膜會因施力大小、方向不同，而受不同的力，并會生成與該力成正比的電荷量。通過對壓電薄膜電信號的測量，就可計算出力F在垂直于各側面方向上的分力大小，再通過解算，得到指尖力的三維信息。

根據圖2(b)和圖2(d)中對力的分析，可以得到力FA，FB，FC，FD與F在方向分力Fx，Fy，Fz之間的關系

(7)

根據PVDF壓電效應，產生電壓與受到垂直薄膜表面壓力的關系為

V=SF

(8)

式中F為PVDF薄膜所受壓力大小；V為薄膜由此產生的電壓；S為兩者比例系數。

根據式(7)、式(8)，分別對Fx，Fy，Fz進行求導，結果為

(9)

根據式(9)可知:1)膜片A和B對Fx沒有響應作用，膜片C和D對Fy沒有響應作用；2)膜片B對Fy的響應能力和膜片C對Fx的響應能力相同；3)膜片A對Fy的響應能力和膜片D對Fx的響應能力相同；4)膜片A,B,C,D各個對Fz作用產生的電壓均相同。

進而得到力F的相關信息

(10)

上述分析表明：該結構傳感器在檢測指尖力時，原始信號經過解算后，可以得到指尖力的三維信息。這些信息的獲取，現存大部分指尖力傳感器是難以準確完成的。

3 調理電路設計

系統的數據采集電路主要由信號調理電路和多功能數據采集卡這兩個模塊構成。

通常計算機很難獲取PVDF壓力薄膜產生的電信號，因其在外力作用下產生的電信號非常弱，并且PVDF壓力薄膜本身阻抗又很高。因此,需要對信號進行放大處理，使之與后續測試環境相適應。

當所受力達到10 N左右時，其所產生電荷量極小，僅為皮庫級別[11]。因此，需要先使用電荷放大裝置，使電荷信號轉化為電壓信號再進行采集。電荷放大器的作用有2個：把壓電薄膜的高阻抗輸出，轉換成低阻抗輸出；將PVDF壓電薄膜產生的微弱電荷信號進行放大，轉換為電壓信號。為此使用的放大裝置，采用運算放大電路組成的二級放大裝置，其線路如圖5。

圖3 放大電路

第一級是存在電容反饋功能的高輸入阻抗、高增益的電荷放大裝置。在PVDF表面，靜態內阻高達1TΩ。首先使用CA3140高輸入阻抗運算放大裝置，反饋裝置的電容為C1=0.1 μF，電阻R1=10 MΩ，由此產生的放大倍數可達2 000。另一級的作用是電壓放大，為將電壓幅值進一步放大到易于采集的范圍，電壓放大后在-5～+5 V區間之內。

由于PVDF薄膜在制作及粘貼環節存在少許誤差，導致x，y，z方向上的力信號存在一定的藕合。由于這種藕合多數是線性耦合，模擬運算電路可以將其解耦。整個采集系統的硬件框圖如圖4所示。

圖4 信號處理硬件框圖

考慮到采集時需要同時處理各傳感器的多路信號，需采集的數據量較大，同時考慮設備成本，選擇USB7360AF數據采集卡采集電壓信號。信號經過調理電路處理后，通過USB2.0接口送至上位機，并存入數據庫，以便于數據的后續處理。

4 傳感器應用測試

為了能夠更為準確地測量不同方向指尖力的三維信息，在進行具體實驗測試時，按指尖力方向與接觸面之間所呈角度的不同分別測試三維指尖力信息。因此,選取3組β角同為30°，α角分別為0°，45°，90°的指尖力進行實驗測試。指尖力響應曲線如圖5所示。

(a) 指尖方向接觸面呈0°

(b) 指尖方向接觸面呈45°

(c) 指尖方向接觸面呈90°圖5 指尖力響應曲線

上述響應曲線表明：當指尖力發生改變，傳感探頭基座各接觸面上壓電薄膜所受垂直力大小隨之產生變化，經過解算得到的三維力狀況隨之實時變化。由此表明，該傳感器能夠有效測出指尖力三維信息，并且具有很高的靈敏度。

5 結束語

本文基于PVDF柔性壓電薄膜，開發了一種三維指尖力觸覺傳感器。通過分析指尖力測試結果可以看出，所設計的傳感探頭能有效檢測指尖三維力信息，測試結果具有合理性，設計方案可行。相比于現存的指尖力觸覺傳感器，該傳感器具有結構簡單，靈敏度較高等特點，并且在制作成本上有一定優勢，因此具有極大的實用性及推廣價值。