一種全柔性電容式觸覺傳感器設(shè)計與試驗

許德成，高永慧，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，安徽合肥230009）

一種全柔性電容式觸覺傳感器設(shè)計與試驗

許德成1，高永慧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，安徽合肥230009）

為實現(xiàn)法向力與切向力感知，設(shè)計了一種可用于機(jī)器人仿生皮膚的電容式柔性觸覺傳感器，并設(shè)計成陣列結(jié)構(gòu).以硅橡膠為柔性基體，有機(jī)硅導(dǎo)電銀膠為上下兩柔性極板，共同構(gòu)成電容式觸覺敏感單元.分析并介紹電容式柔性觸覺傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計及觸覺信息采集與處理系統(tǒng).可實現(xiàn)法向力0～5 N范圍內(nèi)靈敏度為6.78 fF/N，切向力0～3 N范圍內(nèi)靈敏度為11.45 fF/N的觸覺感知功能.試驗結(jié)果表明，該全柔性電容式觸覺陣列傳感器具有良好的穩(wěn)定性與靈敏度，可用作人工皮膚實現(xiàn)觸覺感知.

觸覺傳感器；電容式傳感器；全柔性；傳感信息處理；人工皮膚

觸覺作為服務(wù)型機(jī)器人感知外界信息的一種有效方式，為復(fù)雜多元的環(huán)境下輔助智能機(jī)器人完成預(yù)期動作或安全人機(jī)交互提供了保障［1-2］.此外，觸覺在人工皮膚研究領(lǐng)域中同樣起著舉足輕重的作用［3-4］，一種能檢測法向力與切向力的柔性觸覺傳感器逐漸成為仿生皮膚研究的熱點(diǎn)之一.A.Cirillo等［5］介紹了一種基于光電技術(shù)的人工皮膚，將觸覺傳感陣列置于印刷電路板基體上可實現(xiàn)觸覺力檢測.M.Philipp等［6］設(shè)計一種模塊化的觸覺傳感單元，可構(gòu)成不同大小敏感“皮膚”實現(xiàn)觸覺感知.上述觸覺傳感器缺乏應(yīng)有的柔性，不宜在服務(wù)型機(jī)器人彎曲表面廣泛應(yīng)用.文獻(xiàn)［7］提出了一種可用在彎曲表面的電阻式“皮膚”，具有一定的可拉伸性，然而缺乏對法向力與切向力同時感知的能力.文獻(xiàn)［8］利用聚偏氟乙烯（PVDF）柔性壓電薄膜制作了一種仿生皮膚，然而PVDF只能檢測動態(tài)力，缺乏對靜態(tài)力的感知功能.文獻(xiàn)［9］介紹了一種高靈敏度、高可拉伸的壓阻式觸覺傳感器，由于共用同一柔性極板，限制了其陣列化結(jié)構(gòu)設(shè)計.

電容式傳感器因具有體積小、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)在機(jī)器人仿生皮膚研究領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用［10］.針對現(xiàn)有觸覺傳感器存在的缺點(diǎn)，文中提出一種可檢測法向力與切向力的電容式柔性觸覺傳感陣列，介紹該傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計及電容敏感信號采集與處理系統(tǒng).

1 觸覺傳感器設(shè)計

1.1 傳感器模型與工作原理

電容式觸覺傳感單元結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，每個觸覺傳感單元可等效為4個上下極板尺寸相同、非完全重合的平行板電容器.文中以GD401（中昊晨光化工研究院有限公司）硅橡膠為柔性基體，YC-2型有機(jī)硅導(dǎo)電銀膠（南京喜力特膠粘劑有限公司）作為平行板電容的上下電極，觸覺傳感器上表面附有半球形觸頭.YC-2型有機(jī)硅導(dǎo)電銀膠常溫下固化后具有良好的延展性、成膜性好等優(yōu)點(diǎn)，使得電容式觸覺傳感單元整體具有柔性，為可穿戴仿生皮膚的研制提供了可能性.

電容式觸覺傳感器結(jié)構(gòu)俯視圖與垂直剖面圖分別如圖2a，b所示，4個平行板電容分別記為C1，C2，C3，C4，上下極板均是邊長l為5 mm的正方形有機(jī)硅導(dǎo)電銀膠膜，且非完全重合，兩層極板由4個半徑為0.5 mm的硅橡膠圓柱支撐，空氣和覆蓋在極板表面的硅橡膠充當(dāng)電容式觸覺傳感器的復(fù)合電介質(zhì).多個觸覺傳感單元可以組成陣列形式，方便實現(xiàn)大面積法向力與切向力檢測.

電容式觸覺傳感器檢測法向力與切向力的機(jī)理如圖3所示.

圖3 a中，當(dāng)電容式觸覺傳感器受法向力Fz作用時，圓形硅橡膠支柱受力被壓縮Δd，等效為極板間距減小Δd（假設(shè)極板表面未發(fā)生變化），此時對應(yīng)輸出電容值滿足公式（1）：

其中：ε0=8.854×10-12F·m-1為真空介電常數(shù)；εr為兩極板間硅橡膠和空氣復(fù)合相對介電常數(shù)；S0= l2為極板初始面積；Ci為受力時平行板電容值，i= 1，2，3，4.理想情況下，受法向力作用時，C1，C2，C3，C4這4個電容變化量ΔC=ΔCi-C0是相同的，C0為平行板電容初始電容值.以ΔCnormal表示法向力Fz作用時4個電容的平均變化量，則滿足公式（2）：

圖3b中，當(dāng)電容式觸覺傳感器受切向力Fx/Fy時，圓形硅橡膠支柱發(fā)生傾斜，上極板沿受力方向發(fā)生位移Δl，電容式觸覺傳感器等效極板面積發(fā)生變化.若沿x軸正方向施加切向力Fx時，C1，C4等效極板面積減小ΔS=l2-l（l-Δl），C2，C3等效極板面積增加ΔS=l（l+Δl）-l2.同理，沿y軸正方向施加切向力Fy時，C3，C4等效極板面積減小，C1，C2等效極板面積增加.與傳統(tǒng)上下極板完全重合的電容式觸覺傳感器結(jié)構(gòu)相比，文中提出的電容式觸覺傳感器在檢測切向力時采用一種差分方式，提高了切向力檢測的靈敏度.另外，電容式觸覺傳感器單元上下兩層平行板由圓形硅橡膠支柱連接，使得在切向力作用時上下極板更容易發(fā)生相對位移.以ΔCshear-x和ΔCshear-y分別表示沿x軸和y軸正方向施加切向力時兩對差分電容的平均變化量，則分別滿足公式（3）和（4）：

利用ANSYS有限元分析軟件［11］對電容式觸覺傳感器進(jìn)行受法向力與切向力仿真，其仿真結(jié)果如圖4所示.

圖4 a為1 N法向力作用于電容式觸覺傳感器中央時ANSYS仿真結(jié)果，可以看出4個電容的變化情況大致相同；圖4b為1 N切向力作用于電容式觸覺傳感器側(cè)面時ANSYS仿真結(jié)果，C2，C3減小，C1，C4增加.可以看出ANSYS仿真和上述檢測原理分析結(jié)果一致.

1.2 電容式觸覺傳感器設(shè)計

電容式觸覺傳感器設(shè)計流程如圖5所示，主要采用3D打印技術(shù)，隨著3D打印技術(shù)日趨成熟，為傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了極大便利并得到一定應(yīng)用［12］，利用Solidworks等三維設(shè)計軟件構(gòu)建需要的模型可靈活打印出所需傳感器微結(jié)構(gòu).3D打印所用材料為ABS（acrylonitrile butadiene styrene plastic）工程塑料，基于硅橡膠的流體成型特性及有機(jī)硅導(dǎo)電銀膠良好的延展性、成膜性，固化脫模后可獲得傳感器對應(yīng)部件結(jié)構(gòu).電容式觸覺傳感器實物如圖6所示.

2 電容式觸覺傳感信息提取系統(tǒng)

2.1 觸覺傳感信息提取系統(tǒng)硬件設(shè)計

文中主控芯片選用意法半導(dǎo)體公司的基于ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核的32位高性能STM32F103VET6微處理器，其豐富的硬件資源與庫函數(shù)很大程度上縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期.綜合電容檢測電路的設(shè)計復(fù)雜度、數(shù)據(jù)精度等因素，選擇具備I2C接口的CDC（capacitance-to-digital converter）AD7147-1，該芯片采用有源交流屏蔽技術(shù)可消除容性輸入對地之間的寄生電容，高達(dá)16位CDC精度，13路容性輸入可方便構(gòu)成電容式觸覺傳感陣列信息提取系統(tǒng)，其4×4電容式觸覺陣列傳感器信號采集系統(tǒng)原理圖如圖7所示.

在4×4電容傳感陣列中選中列接地，作為每行容性輸入的接地極板，其余列接有源屏蔽端.通過控制模擬開關(guān)連接方式與AD7147-1容性輸入配置模式不僅實現(xiàn)了可同時采集4路容性輸入，提高了數(shù)據(jù)采集速率，而且消除了各容性傳感單元間的交叉干擾.

電容式觸覺傳感陣列檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示，微控制器通過控制多路模擬開關(guān)逐次掃描電容式觸覺傳感陣列的某一列，同時，4行容性輸入經(jīng)AD7147-1電容信號處理模塊采集該列傳感信息.微控制器以I2C方式讀取觸覺傳感信息并通過串口傳至上位機(jī)，實時顯示試驗結(jié)果.

2.2 觸覺傳感信息提取系統(tǒng)軟件設(shè)計

電容式柔性觸覺陣列傳感信息提取系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖9所示，上位機(jī)開發(fā)選用NI（national instruments）公司的圖形化編程開發(fā)平臺，LabVIEW具備強(qiáng)大的實時數(shù)據(jù)處理功能與顯示功能，其內(nèi)置分析與控制函數(shù)可較方便地對數(shù)據(jù)進(jìn)行更高級的運(yùn)算和處理.微控制器程序流程圖如圖9a所示，控制器完成一次陣列掃描后按預(yù)定通信協(xié)議格式將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至上位機(jī).上位機(jī)程序流程圖如圖9b所示，LabVIEW接到下位機(jī)發(fā)送的新數(shù)據(jù)，解析數(shù)據(jù)包并判斷無誤后顯示試驗結(jié)果.

3 試 驗

室溫下，使用AIKOH MODEL-762型拉壓力計對文中提出的全柔性電容式觸覺傳感單元的輸入輸出特性進(jìn)行試驗與驗證，其中，法向力與切向力加載平臺示意圖分別如圖10a，b所示.

以0.2 N為步進(jìn)對該全柔性電容式觸覺傳感器施加法向力Fz，其輸出電容值與施加法向力之間曲線關(guān)系如圖11所示.從圖中可以看出，在0～5 N范圍該全柔性電容式觸覺傳感器具備良好的線性度，經(jīng)線性擬合得法向最低靈敏度為6.78 fF·N-1.

同樣，使用AIKOH MODEL-762型拉壓力計以0.2 N為步進(jìn)對文中提出的全柔性電容式觸覺傳感單元加載切向力Fx和Fy作用，其輸出電容與施加切向力之間曲線關(guān)系分別如圖12和13所示.

由圖12，13可見，在施加切向力作用時4個敏感單元構(gòu)成兩對差分結(jié)構(gòu)，在不同切向力作用下其輸出電容值與上文分析切向力檢測原理中結(jié)果相一致.在0～3 N范圍內(nèi)該全柔性電容式觸覺傳感器具備良好的線性度，經(jīng)線性擬合得切向力作用時最低靈敏度為11.45 fF·N-1.

為驗證文中提出全柔性電容式觸覺傳感器的靈敏度、響應(yīng)特性及重復(fù)性，向該電容式觸覺傳感器間隔施加和釋放作用力，以1 N為步進(jìn)，從1到4 N進(jìn)行動態(tài)加載試驗，其傳感單元動態(tài)響應(yīng)特性如圖14所示，其響應(yīng)時間為0.49 s，圖中可以看出該觸覺傳感器能快速感知觸覺信息且具備良好的重復(fù)性.

對電容式觸覺傳感器進(jìn)行5組不同的壓強(qiáng)檢測試驗，測得觸覺傳感器的輸出電容值與對應(yīng)壓強(qiáng)值，其結(jié)果如表1所示.

從上述試驗中可以看出檢測過程中存在一定的誤差，誤差產(chǎn)生的原因一方面來自試驗環(huán)境的干擾，此外，幾乎所有的傳感器都存在時漂和溫漂，后期預(yù)引入溫度補(bǔ)償功能降低溫漂，提高檢測精度.

4 結(jié) 論

文中提出了一種全柔性、可用作智能機(jī)器人敏感皮膚的電容式柔性觸覺陣列傳感器，可實現(xiàn)法向力0～5 N和切向力0～3 N內(nèi)，對應(yīng)靈敏度分別為6.78 fF·N-1和11.45 fF·N-1.針對該電容式柔性觸覺傳感器，闡述了其工作原理、結(jié)構(gòu)模型等，同時，構(gòu)建了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.通過對電容式柔性觸覺傳感器進(jìn)行法向力與切向力特性測試及動態(tài)響應(yīng)與恢復(fù)特性測試結(jié)果表明，該觸覺傳感器可作為一種仿生皮膚實現(xiàn)觸覺可靠感知.

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（責(zé)任編輯 徐紅星）

Design and experiment of a fully com pliant capacitive tactile sensor

Xu Decheng1，Gao Yonghui1，Guo Xiaohui2
（1.College of Information Technology，Jilin Normal University，Siping，Jilin 136000，China；2.School of Electronic Science&Applied Physics，Hefei University of Technology，Hefei，Anhui230009，China）

To realize normal force and shear force perception，a fully compliant capacitive tactile sensor was designed for bio-inspired skin sensor array.The pressure-sensitive unit was constructed with silicone rubber as flexible substrate and silver conductive adhesive as flexible parallel-plate capacitor.The working principle and the structure design of capacitive flexible tactile sensor were introduced.The sensing information acquisition and processing system was also designed and implemented.When the normal load measurement ranges from 0 to 5 N with shear load measurement ranging from 0 to 3 N，the measured sensitivities are 6.78 fF/N and 11.45 fF/N，respectively.The experiment results indicate that the flexible capacitive sensors array and the capacitive signal extraction system have good stability and sensitivity for artificial skin to achieve tactile perception.

tactile sensor；capacitive sensor；fully compliant；sensing information processing；artificial skin

TP212.1

A

1671-7775（2015）03-0337-06

許德成，高永慧，郭小輝.一種全柔性電容式觸覺傳感器設(shè)計與試驗［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015，36（3）：337-342.

10.3969/j.issn.1671-7775.2015.03.016

2014-10-11

吉林省教育廳“十一五”科學(xué)技術(shù)研究項目（吉教科合字第2010135號）

許德成（1977-），男，吉林遼源人，講師，博士研究生（xudechengxdc@163.com），主要從事智能系統(tǒng)控制與傳感技術(shù)的研究.高永慧（1980-），男，遼寧大連人，講師，博士研究生（39225947@qq.com），主要從事通信系統(tǒng)設(shè)計的研究.