基于壓電薄膜的多信息觸覺檢測(cè)系統(tǒng)

惠乾鑫，高鑫宇，崔 猛，辛 毅

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026)

0 引言

觸覺是人類通過(guò)皮膚感知外界環(huán)境的一種形式，如感知來(lái)自外界的溫度、濕度、壓力、振動(dòng)等,以及感受目標(biāo)物體的形狀、大小、材質(zhì)、軟硬程度等[1]。皮膚的感知只能定性而非定量檢測(cè)，而觸覺傳感器不僅可以模仿人類皮膚的功能，還可以將外部信息定量地轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)更精確的檢測(cè)和識(shí)別功能[2]。通過(guò)觸覺傳感器獲取目標(biāo)物體表面特性信息具有很大的現(xiàn)實(shí)意義,在紡織領(lǐng)域，可將物體表面紋理特征用于評(píng)估和識(shí)別織物[3-4]；在機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域，通過(guò)分析物體表面特性，有助于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人軟抓取功能[5]；在構(gòu)建虛擬環(huán)境領(lǐng)域，需要對(duì)物體真實(shí)表面進(jìn)行有效測(cè)量，通過(guò)有效分析物體表面特性，可創(chuàng)建更逼真的虛擬物體[6-7]。

聚偏氟乙烯(PVDF)壓電薄膜因具有柔韌性強(qiáng),機(jī)械強(qiáng)度高,靈敏度高及頻響范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在觸覺傳感器領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[8-10]。目前基于PVDF壓電薄膜觸覺的研究大多局限于觸、滑、熱3種宏觀維度，并未對(duì)其進(jìn)行深入細(xì)分。因此，設(shè)計(jì)了一套基于X_Z二維絲杠移動(dòng)系統(tǒng)的多信息觸覺檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)物體表面柔軟度、黏性、紋理粗糙度、紋理規(guī)律性、熱度5種維度信息的檢測(cè)識(shí)別。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

不同于視覺與聽覺這類被動(dòng)感覺，觸覺是與運(yùn)動(dòng)緊密結(jié)合的一種主動(dòng)感覺，人們通過(guò)觸摸運(yùn)動(dòng)來(lái)感知觸覺?；诖?，搭建了一套X_Z二維絲杠移動(dòng)系統(tǒng)模擬人類感知觸覺時(shí)所需的輕觸、縱向按壓、橫向撫滑等運(yùn)動(dòng)。

圖1為多信息觸覺檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖。將自制凸點(diǎn)型PVDF壓電薄膜粘附于3D打印手指上，搭載X_Z二維絲杠移動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)輕觸、縱向按壓、橫向撫滑等幾種運(yùn)動(dòng)，采集物體表面信息，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后由24位ADS1256采集，通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線傳輸至由MATLAB-GUI設(shè)計(jì)的上位機(jī)進(jìn)行特征提取及分類，并繪制出物體表面柔軟度、黏性、紋理粗糙度、紋理規(guī)律性、熱度這五大維度信息的五感雷達(dá)圖。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)總體裝配圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)裝配圖

1.2 PVDF壓電薄膜原理及5種感覺的特征映射

PVDF壓電薄膜具有壓電效應(yīng)與熱電效應(yīng)。壓電效應(yīng)指PVDF壓電薄膜受到壓力后會(huì)在兩極產(chǎn)生相應(yīng)電荷從而產(chǎn)生電壓差，且相反方向壓力產(chǎn)生的電壓差極性相反。熱電效應(yīng)是指當(dāng)PVDF壓電薄膜與被測(cè)物體存在溫差時(shí)，隨著溫度梯度由高溫區(qū)往低溫區(qū)移動(dòng)時(shí)，PVDF壓電薄膜所產(chǎn)生電流或電荷堆積導(dǎo)致薄膜兩端產(chǎn)生電壓差。

同時(shí)設(shè)計(jì)一款仿生觸覺傳感器，采用凸點(diǎn)指紋型結(jié)構(gòu)[11]，增加觸覺過(guò)程的摩擦力，可以更好地保證觸覺信號(hào)的獲取。

最終研究的物體表面柔軟度、黏性、紋理粗糙度、紋理規(guī)律性、熱度5種維度信息的定義及檢測(cè)原理如表1所示。

表1 5種觸覺維度檢測(cè)原理

2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

圖3為設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路，共分為四級(jí)單元電路。第一級(jí)由CA3140構(gòu)成電荷轉(zhuǎn)換器將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓輸出，同時(shí)將高阻抗輸入轉(zhuǎn)換為低阻抗輸出以便于后級(jí)電路處理。由于按壓(柔軟度、黏性等)信號(hào)和撫滑(紋理粗糙度、紋理規(guī)律性)信號(hào)幅值相差較大，為了保證信號(hào)不失真且方便后級(jí)電壓抬升電路處理，設(shè)計(jì)第二級(jí)電路為OP07構(gòu)成的有源衰減器，衰減倍數(shù)為1～5倍。第三級(jí)為ADA4817構(gòu)成的加法器，將輸出的電壓信號(hào)抬升1.5 V，便于ADC采集。最后一級(jí)為L(zhǎng)TC1569-7構(gòu)成的低通程控濾波器。由于系統(tǒng)中信號(hào)頻率均小于30 Hz,故設(shè)計(jì)低通濾波器的截止頻率為30 Hz,同時(shí)消除工頻干擾。其中程控濾波器的程控端方波頻率f方波與低通濾波器的截止頻率fc的關(guān)系為

(1)

圖3 信號(hào)調(diào)理電路

3 信號(hào)采集裝置設(shè)計(jì)

選用24位的ADS1256作為外置ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。與主控制器STM32采用SPI通信，由于信號(hào)頻率在30 Hz以下，故設(shè)計(jì)采樣率為1 kHz。信號(hào)傳輸采用包傳輸方式，每個(gè)包為4 096個(gè)點(diǎn)。工作時(shí)，每接收到一次上位機(jī)指令就采樣傳輸一次。

4 上位機(jī)設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面采用MATLAB的GUI工具搭建，利用藍(lán)牙控制命令實(shí)現(xiàn)對(duì)X_Z絲杠移動(dòng)系統(tǒng)、ADC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的無(wú)線控制及繪制五感雷達(dá)圖。

人機(jī)交互界面如圖4所示。在交互界面內(nèi)部分別設(shè)置控制X_Z絲杠移動(dòng)系統(tǒng)串口及控制ADC采集串口的打開與關(guān)閉按鈕。利用2個(gè)藍(lán)牙分別進(jìn)行指令傳輸，避免在使用同一個(gè)藍(lán)牙通信時(shí)產(chǎn)生數(shù)據(jù)指令串?dāng)_等影響。同時(shí)界面設(shè)置數(shù)據(jù)保存及清除按鈕，方便對(duì)不同實(shí)驗(yàn)材料數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及對(duì)于不穩(wěn)定采集情況下產(chǎn)生數(shù)據(jù)的清除。最后在界面中放置所要分辨的物體表面5種維度信息，不僅可以實(shí)現(xiàn)五感圖的繪制，同時(shí)還可將所用的實(shí)驗(yàn)材料具體特性清晰地展示出來(lái)。

圖4 人機(jī)交互界面

軟件總體設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 軟件總體設(shè)計(jì)流程圖

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)所要辨識(shí)的物體表面5種維度信息，選取了符合要求的實(shí)驗(yàn)材料，并進(jìn)行觸覺維度等級(jí)分類，如表2所示。

表2 觸覺維度等級(jí)劃分

5.1 柔軟度及黏性特征分辨

設(shè)柔軟度所采集數(shù)據(jù)的時(shí)間序列為Xi(i=1,2,…,4 096)。對(duì)Xi進(jìn)行降序排列得到Y(jié)j，取j=1,2,…,10及j=4 087,4 088,…,4 096組成最大值序列MAXa(a=1,2,…,10)和最小值序列MINb(b=1,2,…,10)，并將MAXa和MINb的平均值之差作為分辨柔軟度的特征值λsoft,即:

(2)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到λsoft范圍如表3所示。

表3 柔軟度特征區(qū)分

對(duì)于黏性，則取MINb的平均值作為特征值λvis，若λvis>1.4，則為不黏，否則為黏性。

5.2 紋理粗糙度與紋理規(guī)律性特征分辨

設(shè)所采集數(shù)據(jù)的時(shí)間序列為Xi(i=1,2,…,4 096)，利用MATLAB的findpeaks函數(shù)求取時(shí)域波形產(chǎn)生的波峰，得到每個(gè)波峰在Xi中的位置i,組成新的序列Yj。設(shè)有n個(gè)波峰，則序列Yj(j=1,2,…,n)共有n個(gè)元素，再求相鄰兩個(gè)波峰間的位置間隔Zj=Yj+1-Yj，構(gòu)成新的時(shí)間序列Ak(k=1,2,…,n)，將序列Ak的標(biāo)準(zhǔn)差作為判別紋理規(guī)律性的特征值λregular，即

(3)

式中μ為序列Ak的平均值。具體表征如圖6所示。

圖6 波峰間隔示意圖

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，若λregular>100，則接觸面粗糙(為不規(guī)律的亞克力板)，即為不規(guī)律紋理，否則為規(guī)律紋理。

圖7 信號(hào)頻譜圖

求出頻譜圖的波峰序列Zk及波峰對(duì)應(yīng)的頻率序列Bk，由于信號(hào)的頻率均大于5 Hz，故忽略5 Hz以下的波峰，得到頻譜圖如圖8所示。

圖8 處理后的頻譜圖

求出主頻率f作為紋理粗糙度的特征值λrough。

Fmax=MAXIMUM(Zk)

(4)

此時(shí)k對(duì)應(yīng)的頻率即為f,則有

λrough=f=Bk

(5)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到紋理間距分別為4 mm,6 mm,8 mm時(shí)λrough的范圍如表4所示。

表4 紋理粗糙度特征區(qū)分

6 結(jié)束語(yǔ)

從模擬人類觸覺出發(fā)，基于凸點(diǎn)型PVDF壓電薄膜傳感器，搭建穩(wěn)定的二維X_Z絲杠運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，利用3D打印手指進(jìn)行按壓、撫滑等動(dòng)作，初步實(shí)現(xiàn)對(duì)于物體表面柔軟度、黏性、紋理粗糙度、紋理規(guī)律性、熱度5種觸覺維度信息的提取分類，并繪制物體表面特性五感圖，為實(shí)現(xiàn)觸覺智能提供了參考。