柔性阵列电容式触觉传感器设计与实验

柔性阵列电容式触觉传感器设计与实验
刘今越;刘秀丽;肖杰;贾晓辉;郭士杰
【摘要】针对现有柔性触觉传感器柔性差、结构和加工工艺复杂等问题,设计了一种可用于智能机器人和健康监测领域中的柔性阵列电容式触觉传感器.传感器由上电极层、下电极层和中间介电层构成,每个电极层上有多个平行带状电极,且上下层电极互相垂直,电极垂直交叉点形成阵列传感器单元.介绍了柔性阵列电容式触觉传感的理论基础和结构设计,并根据阵列结构建立了信号采集和处理系统.实验证明,该柔性阵列电容式触觉传感器和信号采集系统有很好的稳定性和准确性,可获得其表面的压力分布情况,并可在上位机中图形化呈现.
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2018(000)012
【总页数】6页(P19-24)
【关键词】触觉传感器;柔性;阵列电容;导电橡胶
【作者】刘今越;刘秀丽;肖杰;贾晓辉;郭士杰
【作者单位】河北工业大学机械工程学院,天津 300130;河北工业大学机械工程学院,天津 300130;河北工业大学机械工程学院,天津 300130;河北工业大学机械工程学院,天津 300130;河北工业大学机械工程学院,天津 300130
【正文语种】中文
【中图分类】TP212
0 引言
作为仿生机器人辨识物体特点、感知物体表面特征等环境信息的重要手段，近年来，触觉传感器在医疗设备[1] 、智能机器人[2-3]、健康监测[4]等领域的应用已成为
各国科研工作者的研究热点。

根据原理的不同，当前，柔性触觉传感器主要可分为电容式、电阻式和压电式3类，其中电容式因其高灵敏度、温漂小，利于微小压
力检测，便于携带等优点而广泛应用于众多新兴柔性电子器件，如电子皮肤[5-6]、人体体征监测、智能机器人等。

美国的H.K.LEE[7-8]等人以蒸馏工艺在聚二甲基
硅氧烷(PDMS)材料表面形成铜电极的方式设计制作电容式柔性触觉传感器，具有柔性好、灵敏度高的特点，但其加工工艺复杂，成本高且量程小。

合肥工业大学的黄英[9-12]等人利用力敏导电橡胶的压阻特性设计了一种柔性触觉传感器，并通过实验验证其触觉感知能力及信号采集及处理的稳定性和精准性。

天津大学的孙一心[13-14]等利用FPCB加工工艺制作了基于分布式电容的触觉传感器，但均结构复杂。

本文提出了一种可用于人工皮肤的柔性阵列式电容柔性触觉传感器，该传感器上下电极和介电层均采用柔性材料[15-16]，结构简单，易加工，柔性好，可以随意弯
曲折叠。

本文介绍了该柔性阵列电容式触觉传感器的工作原理和结构设计，以及触觉信息的采集与处理系统。

并加工了2个不同参数的阵列传感器，通过实验验证
了该阵列式电容触觉传感器具有良好的稳定性和灵敏度。

1 结构设计与分析
图1为柔性阵列电容式触觉传感器的单元原理图，图1(a)为传感器单元的初始状
态(即未受外力作用时)，图1(b)为传感器单元受到外界压力作用，发生形变时的状态。

图1 传感器单元原理图
将传感器单元等效为平行板电容，如图1(a)所示，由上、下电极板和中间介电层构成，上、下电极采用导电橡胶材料，介电层采用聚氨酯材料，此时，传感器单元电容为
(1)
式中：ε0为真空中的绝对介电常数，ε0 =8.854×10-12F/m；εr为介电层的相对介电常数；S为电容单元面积，m2；d为2个平行电极间距(介电层厚度)，m。

在传感器单元上极板施加均布力F时，如图1(b)所示，弹性介电层发生形变，由初始厚度d0压缩至d，极板间距减小，此时电容可表示为
(2)
式中Δd=d0-d。

介电层材料视为线弹性体，由式(1)和式(2)可得：
(3)
式中：ΔC=C-C0；k为介电层弹性系数；P=F/S，F=k×Δd。

由式(3)可知，传感器单元电容容值由外界施加的压力决定，随外加压力的改变而改变。

考虑到该传感器主要面向医疗检测、机器人皮肤等领域，具有接触面积大、三维表面形状复杂以及要求接触顺应性高等特点，因此，将该触觉传感器单元设计为阵列式结构，如图2所示。

该柔性触觉传感器包括上电极层、介电层、下电极层3部分，介电层位于上下电极层之间，形成三明治结构，上电极层和下电极层上分别铺设m条和n条带状平行电极，上、下电极层上的平行电极在空间上相互垂直，交叉区域构成一个电容式传感器单元，共m×n个传感器单元阵列式分布。

该柔性触
觉传感器电极材料为导电橡胶，采用丝网印刷工艺将其铺设于柔性基底表面构成上、下电极层；介电层采用兼具良好柔性和弹性的聚氨酯泡沫材料。

图2 柔性电容式触觉传感器阵列结构示意图
图3所示为本实验室制作的3×3阵列(图3(a))和7×7阵列(图3(b))触觉传感器结
构图，其参数如表1所示。

(a)3×3阵列
(b)7×7阵列图3 触觉传感器结构图表1 阵列电容式触觉传感器参数
传感器电极宽度/mm电极间距/mm介电层厚度/mm整体尺寸/mm23×3阵列202390×907×7阵列14143250×250
相较于其他柔性电容式阵列传感器，本文所研制的柔性阵列电容式触觉传感器中主要采用高柔性、高弹性的聚氨酯泡沫和导电橡胶等高分子材料，未使用任何硬度较大的金属材料，从而保证了传感器较高的灵活性，良好的柔性以及与人接触时的舒适性。

另外，传感器结构简单，触觉单元无需单独制作，制作工艺简单易加工，成本低，适于大批量生产。

2 信号采集与处理
将每一个上、下电极层上平行电极垂直交叉区域等效为一个电容C，其余部分电极和导线等效为一个电阻Rc，那么上述单个传感器单元的等效电路如图4所示。

图4 传感器单元信号采集图
如图4所示，在传感器后串联一个阻值R0的采样电阻，再接入一个交流激励电源，那么由激励电源、传感器单元以及采样电阻可构成一个回路。

当施加外力作用时，受压的传感器单元介电层厚度改变，使得电容容值发生改变，回路电流亦随之改变，引起采样电阻两端电压的变化，待电路中电容充放电达到稳定状态后，采集采样电阻两端电压作为输出电信号。

若R0>>Rc，整个回路中电容容抗为
(4)
式中:f为信号源的频率，Hz；C为电容容值，F。

回路复阻抗为
(5)
回路电流为
(6)
采样电阻两端的电压为
(7)
以电容值0～50 pF，误差<5%的瓷片电容为参考进行实验，在电容上加载一个频率为1 kHz、振幅为±5 V的交流信号源，并将其与一个阻值为1 MΩ的采样电阻相接形成回路。

当电容值发生变化时，测量采样电阻两端的电压以及电源内阻分担的电压，采用NI Multisim进行仿真，结果如图5所示。

图5 不同电容对应的输出电压关系图
利用TH2829C LCR测试仪测量柔性阵列电容式触觉传感器单元的初始电容值，在1 kHz条件下，测量位于不同阵列的传感器单元电容值。

在不同的传感器单元上分别加载交流信号源，并将其与采样电阻相连，测量采样电阻两端电压，实验结果如图5所示。

分析图5可知：对于电容值在0～50 pF范围内的小电容，实测结果和仿真结果间误差为5.4%，对应不同阵列传感器单元，其实验结果与仿真结果之间误差最大为5.3%，在可接受范围之内，这说明该传感器单元容值测量方法以及传感器单元等
效电路的设计均是可靠正确的。

图6为本文中所用的柔性电容式阵列触觉传感器的信号检测图，以3×3阵列传感
器为例。

采用行列扫描的方法进行信号检测，行扫描和列扫描由PXI-2521多路开关进行控制，将阵列传感器的行电极和列电极分别与多路开关相接，行扫描端的多路开关公共端连接由NI VirutalBench 提供的交流信号源，列扫描端的多路开关
接入信号采集电路，当两个多路开关闭合的位置不同时，选通不同的传感器单元，多路开关在行列之间依次切换，将所有传感器单元依次扫描；每次待多路开关行和列切换稳定后，利用PXI-6251数据采集卡，采集选通的传感器单元的信号，扫描完整个周期后，数据保存至上位机，利用LabVIEW软件进行数据处理，以图像的方式呈现作用于柔性触觉传感器上的压力分布状态，得到压力分布图像。

图6 信号检测图
当采用行列扫描方法采集传感器的电压信号时，将选中的传感器单元接采样电阻后接地(如图4所示)，以降低电路对信号的干扰。

为了减少环境中磁场、市电电压对设备的干扰噪声，采用较高精度的PXI-6251数据采集卡，且选用屏蔽电缆来传输信号，利用带通滤波器滤除高频干扰以及工频干扰。

同时，为减小传感器阵列单元之间由于共用电极而带来的耦合干扰问题，我们将经过滤波处理后的数据进行均值处理，将连续采集的电压有效值以10个为1组，取平均值，作为最终电压有效值，以此来减小传感器单元受力时对临近单元的干扰。

3 实验
首先，为测试本文中所提出的柔性触觉传感器采用材料的可行性和结构设计的合理性，对传感器单元进行灵敏度和稳定性试验；其次，为验证阵列传感器的触觉性能，分别对2种不同质数的阵列传感器进行实验。

3.1 触觉传感器单元灵敏度实验
选择阵列传感器中的一个阵列单元，使用不同重量的M2级的标准砝码，对该柔
性阵列电容式触觉传感器单元进行压力加载试验，测得该电容的输出信号与所受压力的关系曲线，如图7所示。

图7 电容式触觉传感器的输出与施加压力之间的关系
分析图7可知，在触觉传感器单元受力<10 N时，其灵敏度可达到
3.3 %V/N；>10 N时由于受到介电层材料弹性的影响，其灵敏度为1.1 %V/N。

同时，与文献[8，15]中相比，文中提出的柔性阵列触觉传感器的测量量程大幅度
增大。

3.2 稳定性实验
将柔性阵列式电容传感器放置在平整的实验平台上，控制多路开关，选通一个传感器单元，再将一个50 g的M2级砝码放置到该传感器单元上，然后进行数据采集，保持连续采集10 min，实验结果如图8所示。

图8 稳定性实验结果
分析图8可知，在测量过程中，传感器单元电压输出信号稳定，无漂移，输出电
压有效值稳定在0.065 V左右，波动范围不超过4%，这说明该阵列传感器信号输出具有良好的稳定性。

3.3 阵列扫描实验
为验证本文所提出的柔性阵列式电容传感器的性能，分别对3×3阵列、7×7阵列传感器进行实验。

在对3×3阵列传感器进行实验时，将一个500 g的M2级标准砝码放置在3×3
柔性阵列电容式触觉传感器左上角的4个单元范围内，控制多路开关进行行列扫描，依次采集每个传感器单元采样电阻两端电压，并在上位机LabVIEW软件波形图表输出，实验结果如图9所示。

图9(a)为3×3阵列传感器的9个单元在未放砝码之前采集的电压信号，每个阵列单元输出电压大小基本一致；图9(b)为放置砝
码后，传感器上的电压信号输出，对比两图，可以明显看出位于砝码下方的左上角
4个传感器单元输出信号变大，其邻近单元电压信号也略微变大，而距离砝码位置最远，完全位于砝码压力范围之外的，右下角处的传感器单元的电压信号基本未发生变化。

为了进行触觉力分布测试，用同种材质制作了形状、大小(40 mm×40 mm，90 mm×70 mm)各异的2枚试件，如图10(a)、图10(c)所示，将其分别放置在7×7柔性阵列电容式触觉传感器阵列传感器上，为了保证传感器单元与试件的充分接触，测试过程中，用手规律而均匀地按压物体，以确保传感器单元的充分反应，待稳定后，控制多路开关依次扫描各传感器单元，采集数据并传输至上位机中，利用LabVIEW软件进行数据处理，最终将采集的电压信号的有效值图形化显示，如图10(b)和图10(d)所示。

由图10可知：传感器对放置于其上的不同形状物体的基本形状进行了准确的读取，也就是说，当受到外界压力作用时，该传感器能够进行及时检测，并准确识别其上的压力分布形态。

但考虑到此次实验所用试件为刚性体，形状边缘轮廓清晰，对其临近传感器单元的介电层形变影响较小，所以在采集信号时，临近单元受干扰较小，使得两枚试件的形状清晰地呈现在上位机上。

另外，实验中，将传感器平铺在刚性的实验平台表面，平台表面受到试件压力作用时产生的变形忽略不计，其对传感器检测准确度的影响并未考虑。

出于应用范围考虑，未来将针对上述问题开展工作。

4 结论
本文提出一种可用于医疗检测、机器人皮肤的柔性阵列式触觉传感器，阐述了该柔性阵列电容式触觉传感器的理论基础、结构设计以及信号采集与处理，并加工了
3×3和7×7两种不同参数、大小的柔性阵列电容式触觉传感器。

实验结果表明了该传感器采集的电压信号可稳定在输出电压有效值的4%以内，同时其灵敏度可达3.3 %V/N。

通过行列扫描方法检测传感器单元的电压信号，获得其表面的受力情况，验证了其良好的触觉感知功能。

(a)初始采集信号
(b)受压采集信号图9 3×3阵列传感器砝码测试实验
(a)“┌”形测试实验照片
(b)“┌”形测试上位机显示图
(c)“L”形测试实验照片
(d)“L”形测试上位机显示图图10 7×7阵列传感器触觉信息测试实验
参考文献：
【相关文献】
[1] WANG X，GU Y，XIONG Z，et al.Silk-molded flexible，ultrasensitive，and highly stable electronic skin for monitoring human physiological signals[J].Advanced Materials，2014，26(9):1336-1342.
[2] GD M，CN S P.Force/tactile sensor for robotic applications[J].Sensors & Actuators A Physical，2012，175(175):60-72.
[3] MI T，ARRIDH S，STEPHEN J R，et al.Characterization of a capacitive tactile shear sensor for application in robotic and upper limb prostheses[J].Sensors & Actuators A Physical，2011，165(2):164-172.
[4] TOSHIHARU M，KAZUYA M，YO K，et al.Determination of locations on a tactile sensor suitable for respiration and heartbeat measurement of a person on a
bed[J].Engineering in Medicine and Biology Society，2014，36:66-69.
[5] 曹建国，周建辉，缪存孝，等.电子皮肤触觉传感器研究进展与发展趋势[J].哈尔滨工业大学学报，2017，49(1):1-11.
[6] 郭小辉，黄英，毛磊东，等.可穿戴式电子织物仿生皮肤设计与应用研究[J].仪器仪表学报，2016，37(4)：938-944.
[7] LEE H K，CHANG S I，YOON E.A flexible polymer tactile sensor:fabrication and modular expandability for large area deployment[J].Journal of Microelectromechanical Systems.2006，15(6):1681-1686.
[8] LEE，H K.CHANG J，SUN C.Normal and shear force measurement using a flexible polymer sensor with embedded multiple capacitor[J].Journal of Microelectromechanical Systems，2008，179(4):934-942.
[9] 黄英，郭小辉，刘家俊，等.可拼接式全柔性电容式触觉阵列传感器设计与实验[J].机器人，2015，37(2):136-141.
[10] 郭小辉，黄英，腾珂，等.全柔性电容式触觉传感器阵列设计与实验[J].电子测量与仪器学报，2015，29(9)：1278-1285；
[11] 郭小辉，黄英，袁海涛，等.柔性复合传感器阵列信号采集及温度补偿系统[J].电子测量与仪器
学报，2014，28(11):1254-1261;
[12] 黄英，黄攀峰，王磊，等.新型柔性触觉传感器阵列结构设计及仿真研究[J].仪表技术与传感器，2008(11)：4-8；
[13] 孙一心，钟莹，王向鸿，等.电容式触觉传感器信号检测系统的设计[J].纳米技术与精密工程，2015，13(1)：28-33；
[14] 孙一心，钟莹，王向鸿，等.柔性电容式触觉传感器的研究与实验[J].电子测量与仪器学报，2014，28(12)，1394-1400；
[15] 徐菲，葛运建，双丰，等.基于新型导电橡胶的三维力柔性阵列触觉传感器研究[J].仪器仪表学报，2011，32(6)：1350-1356；
[16] SHIJIE G，TAKAHISA S，SEISHO I，et al.A two-ply polymer-based flexible tactile sensor sheet using electric capacitance[J].Sensors，2014，14:2225-2238.。