許德成，郭小輝

(1.吉林師范大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，吉林四平136000;2.合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，合肥230009)

用于仿生皮膚的電容式三維力觸覺感知系統(tǒng)

許德成1，郭小輝2

(1.吉林師范大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，吉林四平136000;2.合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，合肥230009)

為解決可穿戴傳感器觸覺感知信息單一，不具備柔性以及可穿戴性差的問題，研究了一種兼?zhèn)浞ㄏ蛄εc切向力感知功能的電容式三維力柔性觸覺傳感器。闡述了傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、觸覺感知機(jī)理，并借助ANSYS傳感器有限元仿真軟件進(jìn)行觸覺感知機(jī)理驗(yàn)證。基于CC2530低功耗微處理器與AD7147-1型電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器構(gòu)建便攜式電容觸覺信息感知系統(tǒng)?？煞謩e滿足法向力0～5 N范圍檢測靈敏度為6.87 fF/N以及剪切力0～3 N時靈敏度為10.96 fF/N的觸覺感知，動態(tài)響應(yīng)時間為226 ms。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電容式三維力觸覺傳感器具備良好的工作穩(wěn)定性與靈敏度，為可穿戴式人工皮膚的研究提供了一種設(shè)計方案。

電容式傳感器;全柔性;傳感信息處理;仿生皮膚;觸覺傳感器;三維力

0 引 言

兼?zhèn)浞ㄏ蛄εc切向力共同感知功能的全柔性、可穿戴電子仿生皮膚是智能機(jī)器人感知外界環(huán)境信息的重要途徑之一［1-3］，Cirillo等［4］通過在印刷電路板上布置光電式觸覺傳感器陣列以實(shí)現(xiàn)觸覺感知功能。Philipp等［5］設(shè)計了一種具有模塊化特點(diǎn)的機(jī)器人用于電子仿生皮膚，為不同大小和形狀的人工皮膚設(shè)計提出一種可行性方案。以上關(guān)于觸覺傳感器的研究均存在不可彎曲，難以滿足電子仿生皮膚的可穿戴性要求。文獻(xiàn)［6］提出一種可拼接式電容式柔性觸覺傳感器，可實(shí)現(xiàn)大面積觸覺感知功能，然而不能同時感知法向力與切向力。文獻(xiàn)［7］給出了基于壓電薄膜實(shí)現(xiàn)對動態(tài)觸覺信息的快速感知仿生皮膚，而壓電薄膜通常用于實(shí)現(xiàn)對動態(tài)觸覺力的檢測，缺乏對靜態(tài)力的感知能力，限制了其應(yīng)用范圍。文獻(xiàn)［8］在一柔性基板上設(shè)計了一種具備高可拉伸特點(diǎn)的壓阻式電子皮膚，由于整個觸覺傳感器設(shè)置在同一柔性基體，不利于陣列化。

電容式觸覺傳感器因具備良好的動態(tài)響應(yīng)、靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，在人工皮膚研究中倍受青睞［9-12］。為解決目前多數(shù)觸覺傳感器存在觸覺感知信息單一，不具備柔性以及可穿戴性差等弊端，筆者提出了一種可實(shí)現(xiàn)切向力與法向力檢測的電容式觸覺傳感器，給出了電容式三維力觸覺傳感器的觸覺感知機(jī)理、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計以及容性觸覺信息提取系統(tǒng)?？蓪?shí)現(xiàn)0～5 N法向力和0～3 N切向力范圍內(nèi)靈敏度分為6.87 fF/N和10.96 fF/N，動態(tài)響應(yīng)時間為226 ms的觸覺感知。通過三維力觸覺傳感單元輸出特性測試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該電容式三維力柔性觸覺傳感器可用作電子仿生皮膚實(shí)現(xiàn)法向力與切向力同時檢測功能，為感知觸覺信息提供了一種設(shè)計方案。

1 三維力觸覺傳感器及感知系統(tǒng)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與感知機(jī)理

圖1 觸覺傳感單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure diagram of tactile sensor cell

圖1 為電容式三維力柔性觸覺感知單元結(jié)構(gòu)，每個法向力與切向力觸覺傳感單元可看作由4個尺寸相同、圓心為90°的扇形下極板和一個公用圓形接地上極板構(gòu)成的單電極類平行板電容器構(gòu)成。選用美國道康寧生產(chǎn)的PDMS為柔性基體，導(dǎo)電銀膠制備類平行板電容的上下電極。同時，在電容式三維力柔性觸覺傳感器上表面附有半球形觸頭，以利于觸覺感知。為實(shí)現(xiàn)電容式三維力觸覺傳感器具備良好的穿戴舒適性，選擇柔性基體和電極構(gòu)成觸覺感知單元。上下極板間空氣層充當(dāng)電容式三維力柔性觸覺傳感器的介電質(zhì)，同時，亦可在兩極板之間填充其他電介質(zhì)［6］以調(diào)節(jié)該結(jié)構(gòu)觸覺傳感器量程、靈敏度、響應(yīng)特性等性能參數(shù)。

圖2為筆者提出的電容式法向力與切向力感知機(jī)理示意圖。圖2a中，當(dāng)電容式三維力柔性觸覺傳感器受法向力Fz作用時，空氣腔受力被壓縮使上下極板間距減小Δd(假設(shè)極板表面未發(fā)生變化)，此時對應(yīng)輸出電容值基本滿足

其中R，r分別為扇形下極板和圓形上極板的半徑，ε0=8．854×10-12F/m為真空介電常數(shù)，εr為兩極板間空氣相對介電常數(shù)，Ci為受力時平行板電容值，i=1，2，3，4。以ΔCnormal表示法向力Fz作用時4個電容的平均變化量，且滿足

圖2b電容式三維力柔性觸覺傳感器在切向力FX/FY作用下，觸頭帶動上極板發(fā)生相對位移，從而致使其等效極板面積發(fā)生變化。相比于傳統(tǒng)意義上的電容式觸覺傳感器，筆者設(shè)計的電容式三維力柔性觸覺傳感器采用差分方式感知切向力信息，提高了其檢測靈敏度。當(dāng)沿X軸和Y軸正方向施加切向力，并分別用ΔCshear-X和ΔCshear-Y表示差分電容的平均變化量時，滿足

使用ANSYS有限元仿真軟件對該電容式三維力柔性觸覺傳感器的檢測機(jī)理進(jìn)行可行性驗(yàn)證，設(shè)計中分別對電容式三維力觸覺傳感器施加法向力與切向力進(jìn)行觸覺仿真驗(yàn)證，其仿真結(jié)果如圖3所示(單位:pF)，可以看出，在三維觸覺力的作用下，筆者提出的結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)觸覺力辨識。

圖3 電容式三維力柔性觸覺傳感器受力仿真結(jié)果Fig.3 The simulation results of capacitive threedimensional tactile sensor under tangential force

1.2 觸覺傳感器制備

電容式三維力柔性觸覺傳感器設(shè)計尺寸參數(shù)如圖4所示，圖5為3D打印技術(shù)［12］制備的電容式三維力柔性觸覺傳感器實(shí)物圖，基于3D打印技術(shù)有效地簡化了傳感器制備流程，尤其對微結(jié)構(gòu)觸覺傳感器的設(shè)計提供了便利條件。

圖4 觸覺傳感器結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)圖Fig.4 The structure and size parameters of tactile sensor

圖5 電容式三維力柔性觸覺傳感器實(shí)物圖Fig.5 The physicalmap capacitive threedimensional force flexible tactile sensor

1.3 容性觸覺感知系統(tǒng)

圖6為電容式柔性織物壓敏單元觸覺感知系統(tǒng)框圖，選用具備高精度、多通道電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)AD7147-1獲取柔性織物壓敏單元的容性信息，配合低功耗微控制器CC2530構(gòu)建便攜式觸覺感知系統(tǒng)［9］，終端節(jié)點(diǎn)采集容性觸覺感知信息并無線發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時顯示。服從 I2C通信協(xié)議的AD7147-1通過在總線上掛接多個CDC可靈活實(shí)現(xiàn)大面積電容敏感信息的采集與處理，同時，片內(nèi)具備有源交流屏蔽技術(shù)的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD7147-1，很大程度上降低了寄生電容帶來的干擾，提高了數(shù)據(jù)提取準(zhǔn)確性。

采用AD7147-1構(gòu)建電容式觸覺信息采集系統(tǒng)，將有源交流屏蔽端與傳感器屏蔽電極相連，有效消除了容性輸入對地之間的寄生電容，提高了數(shù)據(jù)提取準(zhǔn)確性。同時，針對不適合穿戴行列式觸覺傳感器的情形，如足底、手指等不規(guī)則部位，通過I2C總線上掛接多個器件，分時控制每組I2C總線的數(shù)據(jù)線同樣可實(shí)現(xiàn)大面積電容敏感信號的采集與處理，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖6 三維力柔性觸覺傳感器觸覺感知系統(tǒng)框圖Fig.6 Tactile perception system block diagram of three-dimensional force flexible tactile sensor

圖7 串行總線式電容陣列信號檢測系統(tǒng)框圖Fig.7 Block diagram of capacitive array signal detection system based on serial bus

2 實(shí)驗(yàn)與討論

2.1 傳感器輸出特性

為驗(yàn)證筆者提出電容式三維力觸覺傳感單元的輸出特性，采用AIKOH MODEL-762型壓力計對其進(jìn)行測試，圖8a和圖8b分別為法向力與切向力加載平臺示意圖。圖9為對電容式三維力觸覺傳感器施加法向力Fz時電容-壓力間關(guān)系曲線。從圖8中可以看出，在0～5 N范圍其法向最低靈敏度為6.87 fF/N。

圖8 電容式觸覺傳感器特性測試Fig.8 The characteristics of tactile sensor

圖10和圖11為分對電容式三維力柔性觸覺傳感單元加載切向力FX/FY時電容-壓力間關(guān)系曲線。由圖10和圖11可知，當(dāng)外界切向力作用于電容式三維力觸覺感知器后，各類平行板電容單元可構(gòu)成兩對類差分結(jié)構(gòu)，有利于提高觸覺感知靈敏度，其最低靈敏度為10．96 fF/N。對電容式三維力觸覺傳感器間隔施加作用力，其動態(tài)響應(yīng)特性如圖12所示。其響應(yīng)時間約為226 ms。

圖9 電容式三維力柔性觸覺傳感器的輸出與施加法向力的關(guān)系曲線Fig.9 The relationship between the output of capacitive three-dimensional and the normal force

圖10 電容式三維力柔性觸覺傳感器的 輸出電容與切向力FX的關(guān)系曲線Fig.10 The relationship between the output of capacitive three-dimensional and the shear force(FX)

圖11 電容式三維力柔性觸覺傳感器的輸出電容與切向力FY的關(guān)系曲線Fig.11 The relationship between the output of capacitive three-dimensionaland the shear force(FY)

圖12 電容式三維力柔性傳感器 的動態(tài)響應(yīng)特性Fig.12 Time-resolved response is characteristic of capacitive three-dimensional flexible pressure sensor

2.2 標(biāo)定及誤差分析

依據(jù)電容式三維力柔性觸覺傳感器的輸出電容-壓力間的函數(shù)關(guān)系便可反演出所受壓強(qiáng)值，筆者對電容式三維力柔性觸覺傳感器進(jìn)行的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)及誤差分析如圖13所示。

從圖13可知，筆者設(shè)計的的電容式三維力柔性觸覺傳感器在檢測量程范圍內(nèi)其相對誤差均低于8%，具有較好的檢測準(zhǔn)確度。針對誤差產(chǎn)生主要原因主要有:1)溫濕度等環(huán)境變量對電容式三維力觸覺觸感器造成的測量誤差，可通過引入補(bǔ)償算法進(jìn)行校正;2)電容式三維力柔性觸覺傳感器受法向力和切向力時極板面積的變化對輸出電容的影響，同時在進(jìn)行反演壓力值時忽略了線性擬合引入的擬合誤差。

圖13 電容式三維力柔性觸覺傳感器實(shí)驗(yàn)及誤差Fig.13 Experiment errors of capacitive three-dimensional flexible pressure sensor

2.3 應(yīng)用研究

為驗(yàn)證筆者提出電容式三維力柔性觸覺傳感器的感知能力，構(gòu)建了三維力觸覺感知測試系統(tǒng)(見圖14)，通過在傳感器觸頭上施加觸覺力，AD7147-1采集傳感器的輸出并送至微處理器進(jìn)行實(shí)時處理與顯示。圖15為三維力觸覺感知測試結(jié)果，可以看出，沿X軸方向在觸頭上施加三維力，C2、C3的輸出增加，C1、C4的輸出減小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，筆者提出的電容式三維力觸覺感知具備良好的觸覺感知能力，可作為智能機(jī)器人仿生皮膚實(shí)現(xiàn)法向力與切向力的感知。

圖14 三維力觸覺感知測試系統(tǒng)Fig.14 The test system of three dimension force tactile perception

圖15 三維力觸覺感知結(jié)果Fig.15 The results of three dimension force tactile perception

3 結(jié) 語

筆者提出了一種兼?zhèn)浞ㄏ蛄εc切向力檢測功能的全柔性電容式三維力觸覺傳感器，在法向力0～5 N范圍其檢測靈敏度為6.87 fF/N，切向力0～3 N內(nèi)為10.96 fF/N，動態(tài)響應(yīng)時間約226 ms。針對該電容式三維力柔性觸覺傳感器，闡述了其工作原理、結(jié)構(gòu)模型等，同時，基于CC2530低功耗微處理器和AD7147-1電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器構(gòu)建的電容信號采集與處理系統(tǒng)，提高了電容傳感信息的采集速率與可信度。對文中電容式三維力柔性觸覺傳感器進(jìn)行法向力與切向力特性測試，該觸覺傳感器可作為一種仿生皮膚實(shí)現(xiàn)觸覺功能感知。

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(責(zé)任編輯:張潔)

Capacitive Three-Dimensional Force Tactile Perception System for Artificial Skin

XU Decheng1，GUO Xiaohui2

(1.College of Information Technology，Jilin Normal University，Siping 136000，China; 2.School of Electronic Science＆Applied Physics，Hefei University of Technology，Hefei230009，China)

A capacitive three-dimensional force flexible tactile sensor is proposed，which is capable ofmeasuring normal and shear force.The structure design of capacitive three-dimensional force tactile sensor and the working principle are introduced.The tactile perception mechanism is verified by using ANSYS finite element simulation software，and a portable capacitive tactile information perception system was designed based on low power microprocessor CC2530 and AD 7147-1 capacitance-to-digital converter.The sensor has achieved dynamic response time of 226 ms，the normal load measurement is from 0 to 5 N，shear load measurement is from 0 to 3 N and the measured sensitivities are 6.87 fF/N and 10.96 fF/N.The experiment results indicate that the flexible capacitive sensors array and the capacitive signal extraction system have good stability and sensitivity，providing a design proposal for wearable artificial skin.

capacitive sensor;fully compliant;sensing information processing;artificial skin;tactile sensor; three-dimensional force

TP212

A

1671-5896(2015)06-0652-06

2015-07-28

吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究基金資助項(xiàng)目(吉教科合字第2013023號)

許德成(1977— )，男，吉林遼源人，吉林師范大學(xué)講師，主要從事智能系統(tǒng)控制與傳感技術(shù)的研究，(Tel)86-18643425955(E-mail)xudechengxdc@163.com。