一種三維柔性力傳感單元的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)*

胡廣宇,潘宏青,許玉云,趙 星,雙 豐,3*

(1.中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所,合肥 230031;2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),合肥 230026;3.安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽 蕪湖 241000)

隨著智能機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,如何從不確定或復(fù)雜的環(huán)境中獲取有用信息變得尤為重要。觸覺作為獲取外界環(huán)境信息的一種重要手段,可讓機(jī)器人直接感知環(huán)境和目標(biāo)對象的多種物理性質(zhì),但外科手術(shù)、康復(fù)醫(yī)療、航天以及食品加工等領(lǐng)域?qū)τ|覺技術(shù)提出了更高的要求,而能夠模仿人類皮膚的柔性觸覺傳感器將在這些領(lǐng)域起到關(guān)鍵作用。觸覺傳感器按工作原理可分為壓阻式、壓電式和電容式等[1-4]。文獻(xiàn)[5-6]設(shè)計(jì)了由4個電容器組成的同面多電極結(jié)構(gòu)的柔性觸覺傳感器,在外力作用下引起電容變化,從而實(shí)現(xiàn)測量三維力的功能,結(jié)果表明該傳感器可檢測0～10 N的三維力。文獻(xiàn)[7]利用力敏導(dǎo)電橡膠的壓阻效應(yīng)研究設(shè)計(jì)出能滿足柔性需求可檢測多維力觸覺傳感器,但采用力敏導(dǎo)電橡膠具有較大的粘彈性。文獻(xiàn)[8-9]提出了整體式框架結(jié)構(gòu),節(jié)點(diǎn)行之間獨(dú)立的具有多層次交叉線陣列式結(jié)構(gòu),能感知多維力信息的柔性觸覺傳感器系統(tǒng),但制作過程比較復(fù)雜。文獻(xiàn)[10]提出了基于N型結(jié)構(gòu)的觸覺傳感器陣列,目前還僅在理論上能實(shí)現(xiàn)對多維力的連續(xù)追蹤,文獻(xiàn)[11]采用銀納米線為電極材料,PDMS為柔性襯底,設(shè)計(jì)出靈敏度為1.0 kPa-1三明治結(jié)構(gòu)的電容式柔性壓力傳感器。

上述研究結(jié)果表明,觸覺傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣對傳感器的數(shù)學(xué)模型、靈敏度、測量精度以及傳感器制作都有很大影響,并且電容式傳感器容易外界受干擾。本研究采用柔性壓阻膜片作為敏感單元,柔性硅橡膠作為填充物,設(shè)計(jì)了一種新型的擁有正四面體結(jié)構(gòu)特征的三維力傳感器件。該傳感器在滿足柔韌性要求的前提下,將傳感器表面受到的力分解到四面體3個貼有敏感單元的側(cè)面上,降低了結(jié)構(gòu)耦合對力測量的影響,能滿足檢測多維力信息的要求。另外,由于采用了壓阻測量技術(shù),有效避免了電容式傳感器抗干擾能力差的缺點(diǎn)[12]。

1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)

采用四面體形微型立體支架作為三維柔性力傳感器的核心結(jié)構(gòu)部件。圖1(a)為傳感器正四面體結(jié)構(gòu)示意圖,1、2和3為壓阻膜片(fsr400),α、β、γ為正四面體3個下側(cè)面,其中壓阻膜片分別粘附在3個對應(yīng)下側(cè)面的中心位置。該膜片將施加在貼敷區(qū)域上的壓力轉(zhuǎn)換成電阻值的變化,從而獲得壓力信息。壓力越大,則電阻越低。該正四面體結(jié)構(gòu)填充的為邵氏硬度為5的硅橡膠材料,以該正四面體結(jié)構(gòu)的3個下側(cè)面α、β、γ的交點(diǎn)為原點(diǎn)O建立三維直角坐標(biāo)系,以四面體結(jié)構(gòu)上端面的其中一條邊平行于Y軸,另外兩條邊交點(diǎn)的投影落在X軸正方向上。

圖1 傳感器正四面體結(jié)構(gòu)示意圖和結(jié)構(gòu)模型

1.2 傳感器結(jié)構(gòu)受力分析

當(dāng)外力施加在傳感器表面上,正四面體結(jié)構(gòu)發(fā)生形變,導(dǎo)致相應(yīng)的壓阻膜片變形,繼而電阻值也發(fā)生相應(yīng)的變化。如圖2(a)所示,當(dāng)對傳感器表面施加沿Z軸方向的法向力Fz時,正四面體結(jié)構(gòu)整體下壓,3個側(cè)面αβγ均發(fā)生變形,對應(yīng)的壓阻膜片的電阻值發(fā)生改變。當(dāng)對傳感器施加沿X軸正方向的剪切力Fx時,傳感器的形變?nèi)鐖D2(b)所示,正四面體沿X軸正方向發(fā)生位移形變,導(dǎo)致下側(cè)面αβγ的的壓阻膜片2、3受力變形,相應(yīng)電阻值發(fā)生變化;而當(dāng)施加的力是沿著X軸負(fù)方向的剪切力時,會導(dǎo)致下側(cè)面αβγ上的壓阻膜片3受力。同理,當(dāng)對傳感器表面施加沿y軸正方向或負(fù)方向的剪切力Fy時,對應(yīng)αβγ側(cè)面的壓阻膜片1、2的電阻值發(fā)生變化。

圖2 形變示意圖

當(dāng)對傳感器表面施加三維力F時,該力可分解到正四面體結(jié)構(gòu)的3個下側(cè)面上,對應(yīng)的壓阻膜片的電阻根據(jù)壓力的大小發(fā)生相應(yīng)的變化。根據(jù)壓阻與壓力的狀態(tài)方程Fi=f(ΔRi)可解耦求得每個下側(cè)面受到的壓力大小,i表示3個下側(cè)面對應(yīng)的電阻值1、2和3,f由壓阻膜片性質(zhì)決定的。如圖3(a)、3(b)所示,柔性力傳感單元受力分解如下:

Fx=f1(F2cosφ+F3cosφ-F1sinθ)
Fy=f2(F2sinφ-F3sinφ)
Fz=f3(F1cosφ+F2cosφ+F3cosθ)

(1)

圖3 F1、F2、F3的分析圖

1.3 有限元仿真

利用COMSOL有限元軟件驗(yàn)證該傳感器結(jié)構(gòu)的合理性。由于傳感器正四面體結(jié)構(gòu)和圓柱部分填充了不同硬度的硅橡膠材料,因此兩種材料的楊氏模量有所差別,假設(shè)兩種材料都是不可壓縮的,故泊松比設(shè)置為0.49。同時為了仿真正四面體3個下側(cè)面中心壓阻膜片電阻變化,等效利用正四面體體電阻變化,在COMSOL中設(shè)置四面體3個下側(cè)面中心位置為接地端,上表面中心為終端,設(shè)置正四面體相對介電常數(shù)為2.75。

具體參數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性

圖4(a)顯示了當(dāng)Z方向受到300 kPa的壓強(qiáng)時,傳感器的變形圖;圖5(b)顯示了當(dāng)X正方向受到200 kPa的壓強(qiáng)時,傳感器的變形圖。

在仿真中,橡膠材料不可壓縮可視為超彈性體,受外力作用后體積不變,其電阻值滿足:

(2)

式中:li表示終端到接地端的長度,v表示的正四面體體積,隨著壓力的變化,li變化,導(dǎo)致Ri產(chǎn)生變化。

圖4 最大位移圖

圖5 力與下側(cè)面電阻的變化曲線

當(dāng)對傳感器施加Z方向壓力的過程中,隨著力的增大,3個側(cè)面上壓阻膜片的電阻值隨著下側(cè)面的壓力的增大呈減小趨勢。如圖5(a)所示,可以看出仿真結(jié)果R1、R2和R3的變化趨勢完全一致呈減小趨勢,這是由于li長度隨著壓力的增大而變小。但R1、R2和R3的初始值不一致,因?yàn)?個下側(cè)面的接地端沒有完全處于下側(cè)面的中心位置(實(shí)際傳感器制作中壓阻膜片貼片過程中存在誤差,很難貼在中心位置)。

當(dāng)對傳感器在X正方向施加作用力的過程中,如圖5(b)所示,R2和R3呈相同的減小趨勢,而R1增大,這是由于當(dāng)受到沿作用力的時候下側(cè)面α產(chǎn)生的形變的方向與X正方向相反,終端與下側(cè)面α的中心位置長度由于切向力作用變長,因此電阻值增大。該結(jié)果也與式(1)的計(jì)算相符。

1.4 傳感器的制作

利用雕刻機(jī)加工傳感器模具,將壓阻膜片貼在模具內(nèi)的四面體側(cè)面上,并澆灌邵氏硬度為10的硅膠,然后用柔性導(dǎo)線引出膜片引腳,固化脫模后,對另一面澆灌邵氏硬度為5的硅膠形成正四面體結(jié)構(gòu),常溫固化后,兩種不同硬度的硅膠以及壓阻膜片粘結(jié)成一體形成如圖6所示的三維柔性力傳感單元,其三維力量程為0～11 N。

圖6 柔性力傳感器實(shí)物圖

圖7 電阻轉(zhuǎn)電壓電路

2 實(shí)驗(yàn)與討論

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

為了采集傳感器數(shù)據(jù),如圖7所示,根據(jù)Vout=(VccRref)/R利用電阻轉(zhuǎn)電壓模塊將傳感器中的電阻值轉(zhuǎn)換成電壓值進(jìn)行采集,其中Vout是輸出電壓,R是壓阻膜片的電阻,Vcc是電源電壓,Rref是反饋電阻。當(dāng)對傳感器表面施加力,傳感器電阻發(fā)生變化,信號經(jīng)過電阻轉(zhuǎn)電壓電路模塊處理后,傳遞給采集卡,然后通過usb接口顯示在計(jì)算機(jī)界面上。

圖8(a)所示為傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該系統(tǒng)硬件部分由以下部分組成:a為對傳感器施加力的標(biāo)定平臺,b為柔性力傳感器,c為電阻轉(zhuǎn)電壓模塊,d為數(shù)據(jù)采集卡,e為外部電源。圖8(b)表示對傳感器施加切向力的方式。

圖8 傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和加載切向力方式

軟件系統(tǒng)采用基于圖形化編程語言的Labview編寫,實(shí)現(xiàn)了壓力信號的實(shí)時采集及處理。采集卡為ztic公司的usb7660系列采集卡,在數(shù)據(jù)采集過程中,默認(rèn)的采樣頻率是1 kHz,分辨率為16位。實(shí)驗(yàn)過程中為減小隨機(jī)噪聲和瞬時擾動,在程序中使用了滑動平均濾波法處理采集到的信號。

2.2 傳感器的標(biāo)定與解耦

對傳感器表面分別施加Fx、Fy和Fz3個方向的力,對每個方向的分別從0到11 N每間隔1 N進(jìn)行力的加載,每次記錄5組數(shù)據(jù)取均值。另外作用于力傳感器表面由于存在負(fù)方向切向力,需要對Fx,Fy增加從-11 N到0 N每間隔1 N進(jìn)行力的加載的標(biāo)定。標(biāo)定結(jié)果在表2中列出(為避免數(shù)據(jù)表格過長,省略了Fy負(fù)切向力的數(shù)據(jù))。

表2中,F表示的是三維力,V1、V2和V3分別表示的是對應(yīng)的壓阻膜片輸出的電壓值的大小。

由表2可知,對傳感器施加法向力,壓力與輸出電壓呈非線性關(guān)系。由于在仿真中采用的是理想模型,電阻與壓力呈線性變化。對傳感器表面施加沿X軸正方向的切向力,可以看出V1基本沒有變化,這是因?yàn)閺膫鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)上可以看出在X方向施加正方向的法向力,壓阻膜片1受力面與施加力的方向相反,從而導(dǎo)致沒有受力或者受力很小,可以忽略不計(jì)。同理可分析沿X軸負(fù)方向切向力以及沿Y軸方向切向力。

表2 標(biāo)定結(jié)果

對于電壓與壓力關(guān)系,可利用式(1)通過求解多項(xiàng)式得到矩陣關(guān)系,缺點(diǎn)是計(jì)算量較大。我們利用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[13],通過采集到的電壓值解耦出傳感器所受到的三維力大小。在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法中,以輸出的電壓值V=[V1,V2,V3]作為輸入向量,以對應(yīng)的力傳感器表面受到的三維力F=[Fx,Fy,Fz]作為輸出,訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。然后再利用訓(xùn)練好的BP網(wǎng)絡(luò)模型解耦出測試樣本中的三維力,并求出相對誤差。圖9是設(shè)計(jì)的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程性能圖。

2.3 耦結(jié)果分析

從圖9可知,BP網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過64次迭代完成了樣本的訓(xùn)練過程。從測試樣本中隨機(jī)抽取15個樣本,每個樣本對應(yīng)一個三維力,圖10描述了這些樣本所受外部壓力的解耦絕對誤差?？梢钥闯鲎畲蟮恼`差超過 0.6 N,絕大部分解耦誤差都在[-0.5 N,0.5 N]范圍內(nèi)。

圖9 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能圖

圖10 測試樣本的絕對解耦誤差圖

圖10中可以看出該三維力柔性傳感器的相對誤差在施加力比較小的情況下較大,并且實(shí)際采集的值和仿真結(jié)果存在著一定的偏差,原因主要有以下幾方面:①柔性膜片封裝在硅膠內(nèi),硅膠變形會導(dǎo)致與膜片之間產(chǎn)生縫隙,而且粘貼位置也會對測量造成較大影響;②柔性壓阻膜片的力與電阻之間存在較大的非線性關(guān)系,不同于模擬實(shí)驗(yàn)中采用的線性方法;③對硅膠表面施加力時,力通過四面體傳導(dǎo)存在一定的非線性衰減,給解耦帶來一定的誤差;④信號采集過程中的干擾誤差。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型的正四面體式三維柔性力傳感單元,并進(jìn)行了理論推導(dǎo)和仿真分析,得出該傳感器的電阻(電壓)與三維力之間的關(guān)系。并基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦方法,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該傳感器能對三維力進(jìn)行測量。

參考文獻(xiàn):

[1] 曹建國,周建輝,繆存孝,等. 電子皮膚觸覺傳感器研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,49(1):1-13.

[2] Ilker Murat Koc,Akca E. Design of a Piezoelectric Based Tactile Sensor with Bio-Inspired Micro/Nano-Pillars[J]. Tribology International,2013,59(1):321-331.

[3] Kim H K,Lee S,Yun K S. Capacitive Tactile Sensor Array for Touch Screen Application[J]. Sensors and Actuators A Physical,2011,165(1):2-7.

[4] Sumer B,Aksak B,Ssahin,et al. Piezoelectric Polymer Fiber Arrays for Tactile Sensing Applications[J]. Sensor Letters,2011,9(2):457-463.

[5] Huang Y,Yuan H,Kan W,et al. A Flexible Three-Axial Capacitive Tactile Sensor with Multilayered Dielectric for Artificial Skin Applications[J]. Microsystem Technologies,2017,23(6):1847-1852.

[6] 袁海濤. 一種復(fù)合多介質(zhì)層的電容式柔性三維力觸覺傳感器研究[D]. 合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2015.

[7] 明小慧,黃英,向蓓,等. 三維力柔性觸覺傳感器設(shè)計(jì)[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,36(s1):146-150.

[8] 丁俊香,許剛,陳向春,等. 三維柔性陣列觸覺傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào),2012,33(12):2721-2722.

[9] Ding J,Xu F,Li S,et al. Structures and Information Acquisition Algorithms for Three-Dimensional Flexible Tactile Sensor[C]//IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. IEEE,2010:862-867.

[10] Wang F,Song Y,Zhang Z,et al. Structure Analysis and Decoupling Research of a Novel Flexible Tactile Sensor Array[J]. Journal of Sensors,2015,(2015):1-10.

[11] 全勇,魏雄邦,肖倫,等. 微納結(jié)構(gòu)對電容式柔性壓力傳感器性能影響的研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2017,30(3):337-340.

[12] 王良澤. 基于壓阻效應(yīng)的柔性三維力觸覺傳感器的研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2016.

[13] 曹會彬,孫玉香,劉利民,等. 多維力傳感器耦合分析及解耦方法的研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2011,24(8):1136-1140.