基于壓電薄膜的多信息觸覺檢測系統

惠乾鑫，高鑫宇，崔 猛，辛 毅

(吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春 130026)

0 引言

觸覺是人類通過皮膚感知外界環境的一種形式，如感知來自外界的溫度、濕度、壓力、振動等,以及感受目標物體的形狀、大小、材質、軟硬程度等[1]。皮膚的感知只能定性而非定量檢測，而觸覺傳感器不僅可以模仿人類皮膚的功能，還可以將外部信息定量地轉化為電信號，從而實現更精確的檢測和識別功能[2]。通過觸覺傳感器獲取目標物體表面特性信息具有很大的現實意義,在紡織領域，可將物體表面紋理特征用于評估和識別織物[3-4]；在機器人應用領域，通過分析物體表面特性，有助于實現機器人軟抓取功能[5]；在構建虛擬環境領域，需要對物體真實表面進行有效測量，通過有效分析物體表面特性，可創建更逼真的虛擬物體[6-7]。

聚偏氟乙烯(PVDF)壓電薄膜因具有柔韌性強,機械強度高,靈敏度高及頻響范圍寬等優點，在觸覺傳感器領域具有廣泛的應用前景[8-10]。目前基于PVDF壓電薄膜觸覺的研究大多局限于觸、滑、熱3種宏觀維度，并未對其進行深入細分。因此，設計了一套基于X_Z二維絲杠移動系統的多信息觸覺檢測系統，該系統可實現對物體表面柔軟度、黏性、紋理粗糙度、紋理規律性、熱度5種維度信息的檢測識別。

1 總體設計

1.1 系統總體設計方案

不同于視覺與聽覺這類被動感覺，觸覺是與運動緊密結合的一種主動感覺，人們通過觸摸運動來感知觸覺。基于此，搭建了一套X_Z二維絲杠移動系統模擬人類感知觸覺時所需的輕觸、縱向按壓、橫向撫滑等運動。

圖1為多信息觸覺檢測系統的總體設計框圖。將自制凸點型PVDF壓電薄膜粘附于3D打印手指上，搭載X_Z二維絲杠移動系統通過輕觸、縱向按壓、橫向撫滑等幾種運動，采集物體表面信息，經信號調理電路后由24位ADS1256采集，通過藍牙無線傳輸至由MATLAB-GUI設計的上位機進行特征提取及分類，并繪制出物體表面柔軟度、黏性、紋理粗糙度、紋理規律性、熱度這五大維度信息的五感雷達圖。

圖1 系統總體設計框圖

系統總體裝配圖如圖2所示。

圖2 系統裝配圖

1.2 PVDF壓電薄膜原理及5種感覺的特征映射

PVDF壓電薄膜具有壓電效應與熱電效應。壓電效應指PVDF壓電薄膜受到壓力后會在兩極產生相應電荷從而產生電壓差，且相反方向壓力產生的電壓差極性相反。熱電效應是指當PVDF壓電薄膜與被測物體存在溫差時，隨著溫度梯度由高溫區往低溫區移動時，PVDF壓電薄膜所產生電流或電荷堆積導致薄膜兩端產生電壓差。

同時設計一款仿生觸覺傳感器，采用凸點指紋型結構[11]，增加觸覺過程的摩擦力，可以更好地保證觸覺信號的獲取。

最終研究的物體表面柔軟度、黏性、紋理粗糙度、紋理規律性、熱度5種維度信息的定義及檢測原理如表1所示。

表1 5種觸覺維度檢測原理

2 信號調理電路設計

圖3為設計的信號調理電路，共分為四級單元電路。第一級由CA3140構成電荷轉換器將電荷信號轉換為電壓輸出，同時將高阻抗輸入轉換為低阻抗輸出以便于后級電路處理。由于按壓(柔軟度、黏性等)信號和撫滑(紋理粗糙度、紋理規律性)信號幅值相差較大，為了保證信號不失真且方便后級電壓抬升電路處理，設計第二級電路為OP07構成的有源衰減器，衰減倍數為1～5倍。第三級為ADA4817構成的加法器，將輸出的電壓信號抬升1.5 V，便于ADC采集。最后一級為LTC1569-7構成的低通程控濾波器。由于系統中信號頻率均小于30 Hz,故設計低通濾波器的截止頻率為30 Hz,同時消除工頻干擾。其中程控濾波器的程控端方波頻率f方波與低通濾波器的截止頻率fc的關系為

(1)

圖3 信號調理電路

3 信號采集裝置設計

選用24位的ADS1256作為外置ADC進行數據采集。與主控制器STM32采用SPI通信，由于信號頻率在30 Hz以下，故設計采樣率為1 kHz。信號傳輸采用包傳輸方式，每個包為4 096個點。工作時，每接收到一次上位機指令就采樣傳輸一次。

4 上位機設計

人機交互界面采用MATLAB的GUI工具搭建，利用藍牙控制命令實現對X_Z絲杠移動系統、ADC數據采集系統的無線控制及繪制五感雷達圖。

人機交互界面如圖4所示。在交互界面內部分別設置控制X_Z絲杠移動系統串口及控制ADC采集串口的打開與關閉按鈕。利用2個藍牙分別進行指令傳輸，避免在使用同一個藍牙通信時產生數據指令串擾等影響。同時界面設置數據保存及清除按鈕，方便對不同實驗材料數據的存儲及對于不穩定采集情況下產生數據的清除。最后在界面中放置所要分辨的物體表面5種維度信息，不僅可以實現五感圖的繪制，同時還可將所用的實驗材料具體特性清晰地展示出來。

圖4 人機交互界面

軟件總體設計流程圖如圖5所示。

圖5 軟件總體設計流程圖

5 實驗數據處理與分析

根據所要辨識的物體表面5種維度信息，選取了符合要求的實驗材料，并進行觸覺維度等級分類，如表2所示。

表2 觸覺維度等級劃分

5.1 柔軟度及黏性特征分辨

設柔軟度所采集數據的時間序列為Xi(i=1,2,…,4 096)。對Xi進行降序排列得到Yj，取j=1,2,…,10及j=4 087,4 088,…,4 096組成最大值序列MAXa(a=1,2,…,10)和最小值序列MINb(b=1,2,…,10)，并將MAXa和MINb的平均值之差作為分辨柔軟度的特征值λsoft,即:

(2)

經實驗測試，得到λsoft范圍如表3所示。

表3 柔軟度特征區分

對于黏性，則取MINb的平均值作為特征值λvis，若λvis>1.4，則為不黏，否則為黏性。

5.2 紋理粗糙度與紋理規律性特征分辨

設所采集數據的時間序列為Xi(i=1,2,…,4 096)，利用MATLAB的findpeaks函數求取時域波形產生的波峰，得到每個波峰在Xi中的位置i,組成新的序列Yj。設有n個波峰，則序列Yj(j=1,2,…,n)共有n個元素，再求相鄰兩個波峰間的位置間隔Zj=Yj+1-Yj，構成新的時間序列Ak(k=1,2,…,n)，將序列Ak的標準差作為判別紋理規律性的特征值λregular，即

(3)

式中μ為序列Ak的平均值。具體表征如圖6所示。

圖6 波峰間隔示意圖

經實驗測試，若λregular>100，則接觸面粗糙(為不規律的亞克力板)，即為不規律紋理，否則為規律紋理。

圖7 信號頻譜圖

求出頻譜圖的波峰序列Zk及波峰對應的頻率序列Bk，由于信號的頻率均大于5 Hz，故忽略5 Hz以下的波峰，得到頻譜圖如圖8所示。

圖8 處理后的頻譜圖

求出主頻率f作為紋理粗糙度的特征值λrough。

Fmax=MAXIMUM(Zk)

(4)

此時k對應的頻率即為f,則有

λrough=f=Bk

(5)

經實驗測試，得到紋理間距分別為4 mm,6 mm,8 mm時λrough的范圍如表4所示。

表4 紋理粗糙度特征區分

6 結束語

從模擬人類觸覺出發，基于凸點型PVDF壓電薄膜傳感器，搭建穩定的二維X_Z絲杠運動系統，利用3D打印手指進行按壓、撫滑等動作，初步實現對于物體表面柔軟度、黏性、紋理粗糙度、紋理規律性、熱度5種觸覺維度信息的提取分類，并繪制物體表面特性五感圖，為實現觸覺智能提供了參考。