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(jì)、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?；贑C2530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)。可分別滿足法向力0～5 N范圍檢測(cè)靈敏度為6.87 fF/N以及剪切力0～3 N時(shí)靈敏度為10.96 fF/N的觸覺感知，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)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(duì)動(dòng)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(duì)動(dòng)態(tài)觸覺力的檢測(cè)，缺乏對(duì)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(jì)了一種具備高可拉伸特點(diǎn)的壓阻式電子皮膚，由于整個(gè)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(dòng)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(cè)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(jì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)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(cè)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(shí)檢測(cè)功能，為感知觸覺信息提供了一種設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)法向力與切向力觸覺傳感單元可看作由4個(gè)尺寸相同、圓心為90°的扇形下極板和一個(gè)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(guó)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)對(duì)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(duì)介電常數(shù)，Ci為受力時(shí)平行板電容值，i=1，2，3，4。以ΔCnormal表示法向力Fz作用時(shí)4個(gè)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(dòng)上極板發(fā)生相對(duì)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(jì)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(cè)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(shí)，滿足

使用ANSYS有限元仿真軟件對(duì)該電容式三維力柔性觸覺傳感器的檢測(cè)機(jī)理進(jìn)行可行性驗(yàn)證，設(shè)計(jì)中分別對(duì)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(shí)。

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(jì)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(jiǎn)化了傳感器制備流程，尤其對(duì)微結(jié)構(gòu)觸覺傳感器的設(shè)計(jì)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(shí)顯示。服從 I2C通信協(xié)議的AD7147-1通過在總線上掛接多個(gè)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(shí)，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(duì)地之間的寄生電容，提高了數(shù)據(jù)提取準(zhǔn)確性。同時(shí)，針對(duì)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(gè)器件，分時(shí)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(hào)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(hào)檢測(cè)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(jì)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，圖8a和圖8b分別為法向力與切向力加載平臺(tái)示意圖。圖9為對(duì)電容式三維力觸覺傳感器施加法向力Fz時(shí)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(cè)試Fig.8 The characteristics of tactile sensor

圖10和圖11為分對(duì)電容式三維力柔性觸覺傳感單元加載切向力FX/FY時(shí)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(duì)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(duì)電容式三維力觸覺傳感器間隔施加作用力，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性如圖12所示。其響應(yīng)時(shí)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(dòng)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(duì)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(jì)的的電容式三維力柔性觸覺傳感器在檢測(cè)量程范圍內(nèi)其相對(duì)誤差均低于8%，具有較好的檢測(cè)準(zhǔn)確度。針對(duì)誤差產(chǎn)生主要原因主要有:1)溫濕度等環(huán)境變量對(duì)電容式三維力觸覺觸感器造成的測(cè)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(shí)極板面積的變化對(duì)輸出電容的影響，同時(shí)在進(jìn)行反演壓力值時(shí)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(cè)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(shí)處理與顯示。圖15為三維力觸覺感知測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)靈敏度為6.87 fF/N，切向力0～3 N內(nèi)為10.96 fF/N，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間約226 ms。針對(duì)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(shí)，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(hào)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(duì)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(cè)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(hào))

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。