電容式柔性觸覺傳感器設(shè)計*

易 藝,宋愛國,李會軍,冷明鑫,徐 波

(1.東南大學儀器科學與工程學院,南京 210096;2.桂林電子科技大學信息科技學院,廣西 桂林 541004;3.國網(wǎng)江西省電力有限公司檢修分公司,南昌 330096)

觸覺傳感器是一種將觸覺信號轉(zhuǎn)換為電信號的器件或裝置,它作為機器人獲取外界環(huán)境信息的非視覺傳感技術(shù)之一,對機器人的智能決策與控制至關(guān)重要[1]。柔性觸覺傳感器是觸覺傳感器的一種[2],它可以覆蓋在機器人或義肢的表面,類似于人類的皮膚,為機器人或穿戴義肢的殘疾人感知外界的環(huán)境信息[3],在智能機器人、可穿戴電子設(shè)備、醫(yī)療檢測和智能義肢等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景[4-5]。

隨著微電子技術(shù)、制造技術(shù)、3D打印技術(shù)、納米技術(shù)的發(fā)展和各種新型材料的出現(xiàn),如何設(shè)計出具有靈敏度高、分辨率高、成本低、結(jié)構(gòu)簡單,且接近人類皮膚性能的電容式柔性觸覺傳感器成為科研工作者研究的熱點問題[6]。美國的Surapaneni R等人[7]設(shè)計了浮動式梳子型電容式柔性觸覺傳感器,通過測量梳子型電極重疊面積的變化來實現(xiàn)剪切力的測量。德國的Cagatay E等人[8]設(shè)計了以噴鍍碳納米管作為電容電極的電容式柔性觸覺傳感器,通過改變介質(zhì)材料隔片來調(diào)整傳感器特性,實現(xiàn)微小壓力的測量。中國科學院半導(dǎo)體研究所的Hu X H等人[9]設(shè)計了以針狀結(jié)構(gòu)作為介質(zhì)層的電容式觸覺傳感器,具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性,但是制作工藝復(fù)雜,成本較高。上海交通大學的ZHUO B G等人[10]提出以微結(jié)構(gòu)的PDMS層作為介質(zhì)層設(shè)計的電容式柔性壓力傳感器,具有成本低、靈敏度高等優(yōu)點,但傳感器的量程較小。

近年來,雖然國內(nèi)外的科研工作者設(shè)計了各種各樣的電容式柔性觸覺傳感器,但是它們大都處于實驗研究階段,產(chǎn)品化的電容式柔性觸覺傳感器不多,廣泛應(yīng)用于機器人的電容式柔性觸覺傳感器更少[11-13]。因此制備結(jié)構(gòu)簡單、低成本、高性能的電容式柔性觸覺傳感器仍為目前科研人員的一個研究熱點[14]。

本文以PORON聚氨酯材料作為電容式觸覺傳感器電極間的彈性絕緣介質(zhì),導(dǎo)電膜作為觸覺傳感器的上、下電極,采用有機硅膠薄膜和導(dǎo)電膜制作屏蔽保護層,設(shè)計了一種制備工藝簡單的電容式柔性觸覺傳感器。

1 電容式柔性觸覺傳感器設(shè)計

1.1 觸覺傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

圖1 電容式柔性觸覺傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)平板電容器的原理,電容式柔性壓力敏感單元由上電極、彈性絕緣介質(zhì)和下電極組成,其結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。它以PORON聚氨酯材料為彈性絕緣電介質(zhì),兩片在空間上呈垂直分布的導(dǎo)電膜分別交叉粘貼于PORON聚氨酯材料的上、下表面構(gòu)成傳感器的上、下電極,它們一起組成電容式柔性壓力敏感單元。由于電容式柔性壓力敏感單元易受到外界環(huán)境的影響,為了提高其抗干擾能力,在傳感器的上、下電極表面都增加了由有機硅膠薄膜和導(dǎo)電膜一起組成的屏蔽層,屏蔽層上的導(dǎo)電膜接地,屏蔽外界干擾信號對電容電極的影響。設(shè)計完成的單點電容式柔性觸覺傳感器結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。

在圖1中,設(shè)A為上、下電極的有效面積,d為上、下電極間的距離(柔性絕緣介質(zhì)的厚度),真空介電常數(shù)為ε0(8.854×10-12F/m),電極間介質(zhì)的相對介電常數(shù)為εr。根據(jù)平板電容的原理可得到該電容式柔性觸覺傳感器的電容量[15]公式為:

(1)

假設(shè)PORON聚氨酯材料為線彈性體,滿足胡克定律,當外力施加于電容式柔性壓力敏感單元的表面時,PORON聚氨酯材料因受到壓力被壓縮,上、下電極之間的距離d減小,由式(1)可知電容式柔性壓力敏感單元的電容量將隨著距離d減小而增加。當施加的外力釋放后,因其具有回彈性,可以恢復(fù)到原來的位置,電容式柔性壓力敏感單元的電容值也會恢復(fù)到初始值,因此可以通過檢測電容的變化量來實現(xiàn)觸覺壓力的檢測。

設(shè)εr和A為常數(shù),電容傳感器未施加壓力時,兩個電極之間的距離為d0,由式(1)可得電容傳感器的初始電容量C0為:

(2)

當給電容傳感器施加壓力時,電極間的絕緣彈性介質(zhì)層因受到壓力被壓縮,上、下電極之間的距離會減小,設(shè)電極之間距離減小了Δd,電容增量為ΔC,由式(1)可得此時的電容值為:

(3)

從式(3)可知,電容傳感器的輸出特性C=f(Δd)不是線性的關(guān)系,只有當Δd/d0?1時,式(3)可以簡化為:

C=C0+ΔC=C0+C0·(Δd/d0)

(4)

此時,由式(4)可知,電容的變化值ΔC與Δd近似為線性關(guān)系。

1.2 柔性觸覺傳感器制作

在實驗階段,電容式柔性觸覺傳感器的制作過程如圖2所示,分為傳感器柔性電容單元的制作、傳感器屏蔽保護層的制作。

圖2 電容式柔性觸覺傳感器制作過程

①傳感器柔性電容單元的制作:選1.9 mm厚的PORON聚氨酯材料作為傳感器電極間的彈性絕緣介質(zhì),將其裁剪為5 mm×5 mm的正方形,然后在其上、下表面分別交叉粘貼導(dǎo)電膜,作為柔性電容單元的上、下電極,導(dǎo)電膜在空間上呈垂直分布[16],導(dǎo)電膜與PORON聚氨酯材料粘貼在一起,形成單個柔性電容單元,如圖2(a)所示。

②傳感器屏蔽保護層的制作:選一層很薄的有機硅膠薄膜作為電容式傳感器的保護層,在其表面粘貼導(dǎo)電膜,作為電容式傳感器的屏蔽層,然后在導(dǎo)電膜的另一表面再粘貼有機硅膠薄膜作為屏蔽層與電容極板間的絕緣層,導(dǎo)電膜與兩片有機硅膠薄膜粘貼在一起,形成電容式柔性觸覺傳感器的屏蔽保護層,如圖2(b)所示。

③將制作好的傳感器屏蔽保護層分別粘貼于柔性電容單元的上、下電極表面,構(gòu)成電容式柔性觸覺傳感器,并用軟屏蔽線將電容式柔性觸覺傳感器的電極引出,得到制作完成的電容式柔性觸覺傳感器的實物圖如圖3所示。

圖3 電容式柔性觸覺傳感器實物圖

2 傳感信號采集與處理系統(tǒng)

2.1 采集與處理系統(tǒng)組成

觸覺傳感信號的采集與處理系統(tǒng)包括控制電路、微弱電容檢測電路、USB轉(zhuǎn)串口電路和上位機,其系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 采集與處理系統(tǒng)框圖

選用STM32F103C8T6微控制器構(gòu)成的最小系統(tǒng)作為控制電路,實現(xiàn)對微弱電容檢測電路的控制和傳感器數(shù)據(jù)的處理,并將傳感器數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給上位機進行顯示,同時微控制器也可以接收上位機的控制命令,實現(xiàn)雙向通信。

為了采集觸覺傳感器的微小電容值,選用ANALOG DEVICES公司生產(chǎn)的24位電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD7746芯片來設(shè)計微弱電容檢測電路。AD7746芯片相對于傳統(tǒng)的微電容檢測電路具有電路簡單、電容測量準確、分辨率和線性度高等優(yōu)點。此外,AD7746芯片還具有一個雙線式I2C兼容的串行接口,方便與控制電路中的微控制器進行數(shù)據(jù)通信。

2.2 電容檢測電路設(shè)計

電容檢測電路采用AD7746芯片來設(shè)計,該芯片具有分辨率高、精度高、線性度好等諸多優(yōu)點。它的電路原理圖如圖5所示,Cx為被測電容傳感器,CP1和CP2為等效的寄生電容。

圖5 電容式柔性觸覺傳感器電容檢測電路

在圖5中,微控制器STM32通過兩個I/O口與AD7746芯片的I2C接口相連接,采用I/O口模擬I2C通信協(xié)議的方法與AD7746芯片進行通信。AD7746芯片對被測電容傳感器采用浮動式的連接方式,即通過CDC(Capacitance-to-Digital Converter)架構(gòu)測量被測電容Cx。在一定范圍內(nèi),寄生電容CP1和CP2不會影響CDC的測量結(jié)果,有效地消除寄生電容對測量結(jié)果的影響[17]。

2.3 采集與處理系統(tǒng)軟件設(shè)計

采集與處理系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要由控制電路的微控制器程序和PC機的上位機程序組成。

在獲取傳感器數(shù)據(jù)的過程中,為了減少采集數(shù)據(jù)頻繁跳變而帶來的誤差,采用算術(shù)均值濾波算法。微控制器在完成10次采集測量后,將10次采集的電容傳感單元的平均值作為最終的測量值,按照預(yù)定的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給上位機。微控制器的程序流程圖如圖6所示,系統(tǒng)初始化主要包括串口初始化、I2C初始化、AD7746初始化和中斷初始化。

圖6 微控制器程序流程圖

上位機軟件設(shè)計選用LabVIEW來進行設(shè)計。LabVIEW是一種采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動方式的圖形化編程語言,程序的執(zhí)行效率非常高[18]。上位機程序結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 上位機程序結(jié)構(gòu)框圖

3 觸覺傳感器標定裝置設(shè)計

為了準確標定電容式柔性觸覺傳感器,本文根據(jù)杠桿平衡的原理,采用3D CAD設(shè)計軟件SolidWorks 2014設(shè)計了小型的觸覺傳感器標定裝置,其軟件裝配圖如圖8所示。選用鋁合金、不銹鋼和ABS塑料作為觸覺傳感器標定裝置加工的原材料,通過對原材料進行加工和裝配,得到傳感器標定裝置實物圖如圖9所示。

圖8 傳感器標定裝置Solid Works裝配圖

圖9 觸覺傳感器標定裝置實物圖

在圖9中,指針和指示孔相互配合,用來指示觸覺傳感器標定裝置是否平衡,配重主要用來調(diào)節(jié)標定裝置平衡。掛鉤和探針分別通過螺紋與橫梁配合,可以通過互換探針和掛鉤的位置,來調(diào)整標定的量程范圍。

4 傳感器實驗測試與分析

將傳感信號采集與處理系統(tǒng)、觸覺傳感器標定裝置和安裝有上位機軟件的PC機搭建電容式柔性觸覺傳感器標定平臺,如圖10所示。

圖10 觸覺傳感器標定平臺實物圖

4.1 觸覺傳感器的標定實驗

按圖10所示,使用觸覺傳感器標定裝置對觸覺傳感器在0～20 N(0～800 kPa,電容極板有效面積為25 mm2)范圍內(nèi)進行連續(xù)加載和卸載標定實驗,然后取其中3組標定數(shù)據(jù)進行分析,得到其滯后特性曲線如圖11所示。

圖11 電容式觸覺傳感器滯后性

從圖11可知,3組標定數(shù)據(jù)中傳感器的最大滯后誤差為17.20%,滯后誤差較大。其主要原因是:在標定過程中,電容傳感器的介質(zhì)在短時間內(nèi)受到很大壓力的作用,產(chǎn)生了塑性形變,在短時間內(nèi)無法恢復(fù)至原來的狀態(tài)引起的。另外,電容式觸覺傳感器在20 N壓力的作用下,電容式觸覺傳感器極板間距變化量很大,不滿足Δd/d0?1。因此,圖11中電容式觸覺傳感器的特性曲線不滿足線性關(guān)系,符合第1節(jié)中的理論分析。

在應(yīng)用中,為了減小滯后誤差對測量結(jié)果的影響,采用Origin軟件對觸覺傳感器3組正行程標定數(shù)據(jù)和3組反行程標定數(shù)據(jù)分別進行多項式擬合,尋找出傳感器的最佳擬合曲線及其方程,如圖12所示。

圖12 電容式觸覺傳感器擬合曲線

圖12中的(a)和(b)分別為電容式觸覺傳感器正行程和反行程的最佳多項式擬合曲線及其方程。它們的最大擬合誤差Δemax分別為6.44%和5.91%。

在量程范圍內(nèi),使用MATLAB軟件對傳感器正行程、反行程的擬合曲線方程分別求微分,得到電容式觸覺傳感器正行程、反行程的靈敏度范圍分別為3.57% pF/N～14.59% pF/N和0.37% pF/N～20.53% pF/N。因此,該傳感器的靈敏度范圍為0.37% pF/N～20.53% pF/N。

為了檢測電容式柔性觸覺傳感器的重復(fù)性,在0～20 N內(nèi)對電容式柔性觸覺傳感器分別進行連續(xù)重復(fù)加載或卸載實驗,取其中4次加載和卸載的實驗數(shù)據(jù)分別繪制曲線圖,如圖13所示。

從圖13可以看出,該電容式柔性觸覺傳感器具有較好的重復(fù)性,且卸載方向的重復(fù)性誤差比加載方向的重復(fù)性誤差要小,由傳感器的重復(fù)性誤差公式可以計算出傳感器加載方向和卸載方向的重復(fù)性誤差。傳感器的重復(fù)性誤差公式[19]為:

(5)

式中:α為置信系數(shù),通常取α=2或3,在這里取α=2,置信概率為95.4%;σmax為各個校準點標準偏差中的最大值,本文采用極差法進行計算σmax;yF.S.為理論滿量程輸出值。

極差法計算標準偏差的公式為:

(6)

式中:Wn是極差,dn是極差系數(shù),其值與測量次數(shù)n有關(guān),實驗的測量次數(shù)是4,通過查表可知,dn=2.24。采用重復(fù)性誤差公式和極差公式對4次加載和卸載的測量數(shù)據(jù)進行分析計算可得,加載方向的重復(fù)性誤差為eR=6.29%;卸載方向的重復(fù)性誤差為eR=2.96%。因此,該傳感器的重復(fù)性誤差為eR=6.29%。

圖13 電容式觸覺傳感器重復(fù)性

4.2 觸覺傳感器的壓力檢測實驗

對電容式觸覺傳感器進行不同的壓力檢測實驗,實驗結(jié)果如表1所示。

表1 觸覺壓力實驗結(jié)果及誤差

從表1可知,在0～20 N(0～800 kPa)量程范圍內(nèi)觸覺傳感器對壓力的檢測結(jié)果與真實壓力值之間最大相對誤差小于10%,能夠較好地實現(xiàn)對壓力的檢測。實驗誤差產(chǎn)生的主要原因包括:擬合曲線存在擬合誤差;電容傳感器的介質(zhì)材料不能迅速回彈而引起的測量誤差。

用探針對電容式觸覺傳感器施加或釋放壓力進行壓力檢測實驗,其實驗結(jié)果如圖14所示。

圖14中的實驗結(jié)果表明,電容式觸覺傳感器可以實現(xiàn)對壓力的檢測。

圖14 壓力檢測實驗

5 結(jié)論

本文以PORON聚氨酯作為核心材料,設(shè)計了一種電容式柔性觸覺傳感器。闡述了柔性觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)原理、設(shè)計與制作方法,并根據(jù)其特點設(shè)計了相應(yīng)的傳感信號采集與處理系統(tǒng)、傳感器標定裝置,最后對傳感器進行實驗標定、測試和分析。實驗結(jié)果表明,該電容式柔性觸覺傳感器及其信號采集與處理系統(tǒng)能夠檢測0～20 N的壓力,擬合最大誤差為6.44%,重復(fù)性誤差為6.29%,能夠?qū)崿F(xiàn)觸覺壓力的檢測,為在機器人指端實現(xiàn)觸覺壓力的檢測提供一種參考。