面向微小軟排線裝配的陣列觸覺狀態(tài)感知技術(shù)

林杰 胡智凱 劉思源 唐維威 楚中毅

摘要 ：針對微小軟排線裝配操作中器件體積小且存在視覺遮擋的問題，提出一種基于電容式陣列觸覺傳感器的機器人軟排線裝配狀態(tài)感知技術(shù)。首先，對電容式三維觸覺感知機理進行分析，并針對軟排線裝配的小尺寸空間感知需求，設(shè)計了一種基于垂直拓撲網(wǎng)狀介質(zhì)層的高靈敏陣列觸覺傳感器，實現(xiàn)微小軟排線裝配狀態(tài)的高靈敏感知。其次，為突破布線復(fù)雜度與陣列掃描周期的限制，基于電容數(shù)字芯片拓展實現(xiàn)高動態(tài)三維陣列信息掃描系統(tǒng)的設(shè)計與微小軟排線裝配狀態(tài)的高動態(tài)感知，并完成小型化電容式陣列觸覺傳感器的一體化制備。最后，搭建機器人軟排線裝配操作系統(tǒng)并實時采集和分析軟排線裝配過程中的陣列觸覺信息特征，以驗證所提出技術(shù)的準確性和有效性。

關(guān)鍵詞 ：軟排線裝配操作；狀態(tài)感知；電容式；陣列觸覺傳感器

中圖分類號 ：TG95；TP212

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2024.02.013

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Assembly Array Tractile State Sensing Technology of Micro Flexible

Flat Cables

LIN Jie 1 HU Zhikai 2 LIU Siyuan 2 TANG Weiwei 2 CHU Zhongyi 2

1.Suzhou Luster VISION Intelligent Equipment Limited Liability Company，Suzhou，Jiangsu，215000

2.School of Instrumentation and Optoelectronic Engineering，Beihang University，Beijing，100191

Abstract ： For the problems of small device size and visual occlusion during the micro flexible flat cable assembly operations， an assembly state sensing technology of micro flexible flat cables was proposed based on capacitive array tactile sensors herein. Firstly， the mechanism of capacitive three-dimensional tactile sensing was analyzed， and a highly sensitive array tactile sensor based on vertical topological mesh dielectric layer was designed to realize highly sensitive sensing of the assembly state of the micro flexible flat cables. Secondly， in order to overcome the limitation of wiring complexity and array scanning cycle， based on the expansion of capacitive digital chip， the highly dynamic three-dimensional array information scanning system was designed and the highly dynamic sensing for assembly states of micro flexible flat cables was realized， and the miniaturized capacitive array tactile sensors were fabricated integrally. Finally， the robot micro flexible flat cable assembly operating system was built and the array tactile information features were collected and analyzed in real time during the assembly processes， so as to verify the accuracy and effectiveness of the proposed technology.

Key words ： flexible flat cable assembly; state sensing; capacitive; array of tactile sensor

0 引言

隨著3C（computer，communication，consumer electronics）電子產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展和需求增長，軟排線作為電子產(chǎn)品中不可或缺的連接元件，在現(xiàn)代制造業(yè)中具有舉足輕重的地位。然而，由于軟排線的質(zhì)態(tài)具有不確定性，且軟排線和連接主板之間的精度較高，軟排線層次較多，長度不一，尤其軟排線裝配操作時容易發(fā)生視覺遮擋，故當前生產(chǎn)工廠絕大多數(shù)均采用人工扣合的方式，難以實現(xiàn)基于視覺伺服的裝配操作自動化甚至智能化 ?［1］ 。觸覺作為機器人感知外部接觸信息的另一個重要手段 ?［2］ ，已經(jīng)引起研究人員的廣泛興趣。然而，現(xiàn)有機器人的傳統(tǒng)腕力、扭矩和本體感知傳感器無法獲得力、力方向、接觸狀態(tài)等參數(shù)。就軟排線裝配等精細操作而言，實時測量和識別陣列式法向力與剪切力的能力是提供操作目標狀態(tài)信息的必要條件 ?［3］ 。

三維觸覺傳感器按照傳感原理可以分為壓阻式 ?［4-5］ 、壓電式 ?［6］ 、電容式 ?［7-9］ 等。相對而言，電容式三維觸覺傳感器因具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)快、溫飄小、功耗低等優(yōu)點而得到廣泛的研究 ?［10］ 。具體地，電容式三維觸覺傳感器實現(xiàn)三維測量通常可以通過接近傳感原理和平行板原理來實現(xiàn)，而基于平行板電容變面積原理和變間距原理的三維觸覺傳感器擁有更優(yōu)異的力解耦能力。例如，VIRY等 ?［11］ 提出柔性介質(zhì)的電容式三維測量，通過上層公共電極、介質(zhì)、下層四個感應(yīng)電極檢測切向和法向受力。然而，為了實現(xiàn)小型化設(shè)計，傳感器的介質(zhì)層往往設(shè)計得很薄，這限制了電介質(zhì)進一步形變的能力 ?［12］ ，導(dǎo)致靈敏度較低，為此，學(xué)者們引入了一些微結(jié)構(gòu)設(shè)計傳感器的介質(zhì)層以提高介質(zhì)的受力形變能力及傳感器的靈敏度，如微錐結(jié)構(gòu) ?［13］ 、金字塔結(jié)構(gòu) ?［14］ 、半球結(jié)構(gòu) ?［15］ 等。然而上述微結(jié)構(gòu)不僅制備工藝復(fù)雜成本高（基于光刻工藝），而且會造成明顯的非線性測量，限制了傳感器的應(yīng)用。因此，如何實現(xiàn)三維觸覺傳感器的高靈敏線性測量，對軟排線裝配等精細操作狀態(tài)感知具有顯著的現(xiàn)實意義和研究價值。

需要特別指出的是，面向微小復(fù)雜的操作對象及機器人操作過程中存在視覺遮擋無法定位的問題，執(zhí)行器末端的三軸力信息已不能滿足復(fù)雜的3C裝配場景的觸覺信息需求。近年來，學(xué)者們已將電容式三維觸覺傳感器進行陣列拓展，以實現(xiàn)空間觸覺信息的獲取 ?［16-17］ 。例如，F(xiàn)ERNANDES等 ?［18］ 利用單個公共電極與4個感應(yīng)電極組成三軸力測量單元，并進行了尺寸為1 cm 2的陣列拓展。然而，電容式三維測量單元需要4倍數(shù)量的電容信號進行解算，且信號處理電路不宜遠離敏感區(qū)域。LIANG等 ?［19］ 在測量4×4三維觸覺陣列時，需要完成8×8次數(shù)據(jù)掃描，這限制了陣列觸覺測量的實時性。總之，現(xiàn)有電容式三維觸覺陣列傳感器仍存在因布線復(fù)雜而導(dǎo)致感知密度低、掃描時間長的問題，無法適應(yīng)軟排線裝配的小尺寸感知與高動態(tài)測量的需求。因此，如何進一步優(yōu)化電容式三維陣列觸覺信息的感知方法，并實現(xiàn)高動態(tài)觸覺信息感知，是實現(xiàn)軟排線裝配狀態(tài)感知的核心關(guān)鍵技術(shù)。

為解決上述難題，本文提出了一種基于電容式陣列觸覺傳感器的軟排線裝配狀態(tài)感知技術(shù)。

1 軟排線裝配狀態(tài)感知技術(shù)

1.1 電容式陣列觸覺傳感器測量原理分析

為實現(xiàn)3C軟排線裝配狀態(tài)感知，首先設(shè)計電容式陣列觸覺傳感器。如圖1a所示，陣列傳感器可視作由多個傳感單元陣列排布而成。具體地，對于每個傳感單元，由上至下包括：上層柔性基底、上層電極（公共電極）、電介質(zhì)層、四片下層電極（感應(yīng)電極）和下層柔性基底。四片感應(yīng)電極的幾何中心與公共電極的幾何中心重合，感應(yīng)電極以2×2的形式排布，包絡(luò)面積略大于公共電極。傳感單元通過感受環(huán)境三維力對電介質(zhì)層造成的形變，改變上下層電極之間的相對位置，實現(xiàn)與三維力對應(yīng)的容值輸出變化。陣列傳感器的整體敏感尺寸為1 cm 2。

電容式三維觸覺陣列傳感器陣列的敏感單元基于平行板電容原理如下：

C=ε ?r ε 0A/d 0 ?（1）

其中，ε ?r 、ε 0、A和d 0分別是相對介電常數(shù)、真空介電常數(shù)、電容器的表面積和兩板之間的距離，如圖1 b 所示。具體地，平行板電容輸出與力輸入之間的關(guān)系可以表征為

Δ C ?n ?F ?n ?= 1 A ?s E C ??n ，0 = ε ?r ε 0A d 0A ?s E

Δ C ?s ?F ?s ?= εL A ?s G ???（2）

式中，F(xiàn) ?n 、F ?s 分別為施加在平行板電容上的法向力和剪切力；C ?n 、C ?s 分別為平行板電容法向力和剪切力的電容輸出；A ?s 、E、G分別為電介質(zhì)的面積、彈性模量、剪切模量；L為極板的邊長。

由式（2）可見，電容輸出與力輸入存在線性的測量關(guān)系。

具體地，當上極板受法向力向下運動時，圖1 b 中4個電容信號因極板間距的減小而增大。當上極板受到剪切力水平移動時，例如X方向，右側(cè)兩電容因極板面積的增大而增大，左側(cè)兩電容因極板面積的減小而減小，右側(cè)與左側(cè)電容產(chǎn)生差分電容輸出；而因為4個電容的極板總面積不變，4個電容信號之和保持不變，實現(xiàn)切向力與法向力的解耦測量。敏感單元的電容輸出與力輸入之間的關(guān)系 ?［20］ 為

F x=k x（- Δ C 1+ Δ C 2- Δ C 3+ Δ C 4）

F y=k y（- Δ C 1- Δ C 2+ Δ C 3+ Δ C 4）

F z=k z（ Δ C 1+ Δ C 2+ Δ C 3+ Δ C 4） ??（3）

式中，F(xiàn) x、F y、F z分別為敏感區(qū)域上受力的三軸分量；k x、k y、k z分別為式（2）體現(xiàn)的電容與力之間的線性系數(shù)； Δ C 1～ Δ C 4為敏感區(qū)域中在施加負載下的電容變化。

最終，傳感器通過橫向與縱向陣列拓展，實現(xiàn)了1 ?cm ?2內(nèi)16陣列密度的空間觸覺輸出。同時，傳感器可將16個陣列單元的三軸輸出矢量相加，以反映3 C 軟排線裝配的整體受力情況。

1.2 陣列觸覺傳感器的高靈敏感知方法

如式（2）所示，隨著觸覺傳感器陣列密度的增大，電容器極板面積A和邊長L縮小，進而顯著降低傳感器靈敏度。此外，隨著傳感面積的增大，介質(zhì)層的面積遠大于介質(zhì)的厚度，會使介質(zhì)的等效壓縮剛度急劇增大，使傳感器的法向靈敏度嚴重衰減，等效彈性模量

E ?e =E（4d 2 0+s 2）/（3d 2 0） ?（4）

式中，s為介質(zhì)的邊長。

為了提高傳感器的陣列測量性能，需在不影響傳感器現(xiàn)有線性測量的基礎(chǔ)上提高傳感器靈敏度。為此，本文提出一種互垂拓撲結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層，用于陣列式觸覺傳感器（圖2）。具體地，互垂拓撲結(jié)構(gòu)介質(zhì)層由兩層相互垂直的條狀介質(zhì)組成，每層厚度為d 0/2。互垂條狀的重合位置形成厚度為d 0、俯瞰為正方形的長方體電介質(zhì)陣列。其中，每一個陣列互垂結(jié)構(gòu)與上極板的公共電極重合。假設(shè)互垂結(jié)構(gòu)中，正方形截面的邊長為a。已知傳感器的面積為A ?1 s ?，則傳感器介質(zhì)層的等效填充率

ρ=16a 2/A ?1 s ???（5）

集成了互垂拓撲結(jié)構(gòu)介質(zhì)層的電容式三維觸覺傳感器，其電容輸出與力輸入之間的關(guān)系可以進一步優(yōu)化為

Δ C ?n ?F ?n ?= 1 ρA ?1 s ?E C ??n ，0 = ε ?r ε 0A ρd 0A ?1 s ?E

Δ C ?s ?F ?s ?= εL ρA ?1 s ?G ???（6）

可見，隨著互垂拓撲結(jié)構(gòu)介質(zhì)填充率的減小，三軸觸覺陣列傳感器的靈敏度會急劇增大，有望實現(xiàn)3 C 軟排線裝配狀態(tài)高靈敏感知。

1.3 陣列觸覺傳感器的高動態(tài)感知方法

隨著陣列密度的增大，陣列傳感器布線復(fù)雜度和陣列掃描周期顯著增加。為此，面向軟排線裝配的高動態(tài)感知需求，本文提出一種基于拓展CDC芯片的陣列感知方法，感知原理如圖3 所示。

該方法將電容式三維觸覺陣列傳感器分為觸覺模組與采樣模組。其中，采樣模組包括CDC電路、控制處理電路和陣列掃描電路。為了實現(xiàn)采樣模組對觸覺模組中電容信號的陣列掃描和采樣，陣列掃描電路對上層公共電極進行選路以接通激勵源或直流屏蔽；CDC電路將CDC芯片信號端CINx與下層電極（感應(yīng)電極）進行連接，以測試信號端與上層接激勵源（SRC）電極間的容值；掃描電路控制某路上層電極選擇連接激勵源或直流屏蔽信號（DCS），當待測電容兩段分別連接CINx與SRC時，其電容值將被CDC芯片獲得;控制處理電路接收CDC電路傳輸來的電容測量結(jié)果，并發(fā)送至上位機。最終采樣模組通過對觸覺模組的容值變化進行采樣與傳輸，實現(xiàn)三維力觸覺信息的測量。可見，通過使用CDC芯片的多通道測量，替代了列掃描所需的模擬開關(guān)，實現(xiàn)了多列電容信號的同步測量，明顯減少了電路復(fù)雜度。

為了進一步提高陣列傳感器的信號采集速度，以CDC芯片拓展的方式實現(xiàn)多組傳感單元的同步測量。具體地，CDC芯片檢測 N 路電容信號，該 N 路電容形成一組傳感單元組。隨著 X 片CDC芯片與傳感單元組的橫向拓展，采樣模組實現(xiàn)了 X 組傳感單元組的同步測量。因此，基于拓展CDC芯片的陣列感知方法的 M行N×X 列觸覺陣列傳感器，其整體響應(yīng)時間僅為傳統(tǒng)陣列傳感器的1/ X ，有望實現(xiàn)高動態(tài)的陣列觸覺與3C軟排線裝配狀態(tài)感知。

2 電容式陣列觸覺傳感器的制備

電容式三維觸覺陣列傳感器的制備流程如圖4所示。首先，如圖4a所示，預(yù)先生產(chǎn)印有電極和引線的上下層柔性電路板（flexible printed circuit， FPC）；其次，在上下層FPC電極表面涂布黏結(jié)劑（Kafuter K-706，圖4b），用于增加介質(zhì)層與FPC之間的黏性；然后，在上下層FPC表面涂布硅膠（TAP Silicone RTV），并將預(yù)制的鋼網(wǎng)互垂固定于兩層FPC之間，在保持一定壓力的作用下固化，而多余的硅膠會被擠出兩層FPC之外，形成互垂拓撲介質(zhì)層（圖4c～圖4e）；最后，抽出鋼網(wǎng)，清理上一步溢出的硅膠，最終形成柔性觸覺模組。該方法制備的觸覺模組及其互垂拓撲結(jié)構(gòu)介質(zhì)層為一體化壓模成形制成，代替?zhèn)鹘y(tǒng)多次制膜多次粘貼的方式，實現(xiàn)低成本、大批量的制備工藝。

此外，為了減小體積、降低噪聲、提高良品率，采樣模組分為CDC電路、陣列掃描電路和控制處理電路三片，三片電路板通過排針連接，最終實現(xiàn)采樣模組的集成（圖4g）。最終，通過焊接觸覺模組與采樣模組，形成電容式三維觸覺傳感器陣列。

3 3C軟排線裝配狀態(tài)感知實驗與分析

3.1 基于觸覺的軟排線裝配系統(tǒng)設(shè)計

首先，對陣列式觸覺傳感器進行必要的性能測試，如圖5所示。其中，對傳感器的切向和法向進行量程測試，按順序加載1 N、2 N、3 N、4 N、 5 N、 6 N、8 N、10 N、12 N，各保持10 s，并按順序卸載，觸覺傳感器輸出與標準傳感器的輸出如圖5a、圖5b所示，可見傳感器量程達20 N，遲滯小 于5%。一般地，使用一階沃爾泰拉級數(shù)的補償器可進一步減少遲滯 ?［20］ 。 進一步，測試該傳感器的線性度，如圖5c、圖5d所示。對切向和法向按順序加載1～12 N，記錄傳感器輸出。可見，該傳感器整體可實現(xiàn)法向0.12 pF/N、切向0.12 pF/N的高靈敏測量，且線性度 R ?2＞99.99%。最后，對傳感器進行循環(huán)加載測試1000次，如圖5e所示。傳感器輸出穩(wěn)定，可見該陣列傳感器擁有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。此外，陣列傳感器單元之間的耦合輸出可以由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)標定法進行解耦，實現(xiàn)陣列傳感器對空間觸覺狀態(tài)的準確感知 ?［20］ 。

將傳感器安裝在固定模具上，進行性能測試（圖6a）。經(jīng)過砝碼標定，該傳感器整體可實現(xiàn)法向0.12 pF/N、切向0.12 pF/N的高靈敏測量。傳感器利用雙CDC拓展實現(xiàn)高動態(tài)陣列傳感器輸出，其陣列觸覺的動態(tài)刷新率為50 Hz。將軟排線座子（母頭）放置在基座上，然后將軟排線公頭放置在軟排線的母頭座子上，尾端用夾具輕微固定，模擬視覺粗定位后軟排線公頭與母頭座子不能對齊的情況（圖6b）。進一步，將傳感器固定在位移平臺上，配合電子顯微鏡，完成實驗平臺的搭建（圖6c），以此觀察傳感器將公頭按壓進母頭座子的操作過程。

3.2 實驗與數(shù)據(jù)分析

如圖7所示，軟排線安裝操作可大致分為三個階段：①在位移平臺帶動下，傳感器向下運動，實現(xiàn)與軟排線公頭背面的初始接觸；②在傳感器的帶動下，軟排線公頭實現(xiàn)移動和搜孔操作；③公頭移動到母頭座子范圍內(nèi)，完成按壓動作。

傳感器與排線接觸面積主要集中在2×4范圍內(nèi)， 該范圍內(nèi)法向與切向敏感單元的整體輸出（2×4陣列）如圖8所示。在傳感器帶動軟排線公頭搜孔的過程中，傳感器的切向力和法向力逐漸增大；當軟排線公頭進入母頭范圍時，公頭在切向與母頭內(nèi)壁抵觸不再繼續(xù)移動，公頭的法向上失去母頭外延的支撐，因此傳感器感受的切向力急劇增大而法向力突然減小；進而按壓軟排線公頭，法向力由于母頭內(nèi)壁摩擦略微增大，而切向力略微減小。

圖7體現(xiàn)了軟排線裝配操作中的受力特征，顯示了傳感器高靈敏設(shè)計的有效性；此外，軟排線裝配操作過程往往只有1～2 s，而傳感器充分反映了該時長內(nèi)軟排線裝配操作過程的特征信息，展現(xiàn)了傳感器高動態(tài)感知的有效性和先進性。進一步，本文驗證了陣列傳感器的空間分布信息感知能力。如圖9所示，軟排線公頭在母頭上搜孔移動的過程中，陣列傳感器的切向2×4輸出及其感應(yīng)電極

（4×8）輸出展現(xiàn)了軟排線公頭與母頭不同相對位置下的力分布信息。特別地，感應(yīng)電極的峰值移動充分反映了軟排線的壓力分布和移動方向，為軟排線裝配操作提供了必要的空間信息，展現(xiàn)了觸覺陣列傳感器在微小3C裝配操作中的優(yōu)勢。

4 結(jié)語

本文針對手機微小軟排線裝配操作中器件存在視覺遮擋以及3D視覺定位引導(dǎo)精度不足的問題，提出了一種基于電容式陣列觸覺傳感器的機器人軟排線裝配感知技術(shù)，并進行了實驗驗證。通過采集并分析軟排線裝配過程中的陣列觸覺信息特征，可以看出，基于電容式陣列觸覺傳感器的高靈敏（法向0.15 pF/N，切向0.2 pF/N）、高動態(tài)（50 Hz的4×4觸覺陣列輸出）特性為3C軟排線裝配狀態(tài)的準確感知奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)和核心硬件支撐。下一步將對采集的陣列觸覺的感知信息，結(jié)合深度強化學(xué)習(xí)的算法開展研究，實現(xiàn)微小排線的智能化裝配。

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（ 編輯 陳 勇 ）

作者簡介 ：

林 杰 ，男，1980年生，高級工程師。研究方向為電子制造領(lǐng)域、智能精密組裝關(guān)鍵技術(shù)、智能傳感技術(shù)、人工智能檢測技術(shù)等。 E-mail：jie.lin.2012@gmail.com。

楚中毅 （通信作者），男，1977年生，教授、博士。研究方向為先進機器人傳感與控制技術(shù)。E-mail： chuzy@buaa.edu.cn。