一种全柔性电容式触觉传感器设计与试验

一种全柔性电容式触觉传感器设计与试验
许德成;高永慧;郭小辉
【摘要】为实现法向力与切向力感知,设计了一种可用于机器人仿生皮肤的电容式柔性触觉传感器,并设计成阵列结构.以硅橡胶为柔性基体,有机硅导电银胶为上下两柔性极板,共同构成电容式触觉敏感单元.分析并介绍电容式柔性触觉传感器的工作原理、结构设计及触觉信息采集与处理系统.可实现法向力0～5N范围内灵敏度为6.78 fF/N,切向力0～3N范围内灵敏度为11.45 fF/N的触觉感知功能.试验结果表明,该全柔性电容式触觉阵列传感器具有良好的稳定性与灵敏度,可用作人工皮肤实现触觉感知.
【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2015(036)003
【总页数】6页(P337-342)
【关键词】触觉传感器;电容式传感器;全柔性;传感信息处理;人工皮肤
【作者】许德成;高永慧;郭小辉
【作者单位】吉林师范大学信息技术学院,吉林四平136000;吉林师范大学信息技术学院,吉林四平136000;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥230009
【正文语种】中文
【中图分类】TP212.1
触觉作为服务型机器人感知外界信息的一种有效方式，为复杂多元的环境下辅助智能机器人完成预期动作或安全人机交互提供了保障［1-2］.此外，触觉在人工皮肤研究领域中同样起着举足轻重的作用［3-4］，一种能检测法向力与切向力的柔性触觉传感器逐渐成为仿生皮肤研究的热点之一.A.Cirillo等［5］介绍了一种基于光电技术的人工皮肤，将触觉传感阵列置于印刷电路板基体上可实现触觉力检
测.M.Philipp等［6］设计一种模块化的触觉传感单元，可构成不同大小敏感“皮肤”实现触觉感知.上述触觉传感器缺乏应有的柔性，不宜在服务型机器人弯曲表面广泛应用.文献［7］提出了一种可用在弯曲表面的电阻式“皮肤”，具有一定的可拉伸性，然而缺乏对法向力与切向力同时感知的能力.文献［8］利用聚偏氟乙烯（PVDF）柔性压电薄膜制作了一种仿生皮肤，然而PVDF只能检测动态力，缺乏对静态力的感知功能.文献［9］介绍了一种高灵敏度、高可拉伸的压阻式触觉传感器，由于共用同一柔性极板，限制了其阵列化结构设计.
电容式传感器因具有体积小、灵敏度高等优点在机器人仿生皮肤研究领域中得到广泛应用［10］.针对现有触觉传感器存在的缺点，文中提出一种可检测法向力与切向力的电容式柔性触觉传感阵列，介绍该传感器的工作原理、结构设计及电容敏感信号采集与处理系统.
1.1 传感器模型与工作原理
电容式触觉传感单元结构模型如图1所示，每个触觉传感单元可等效为4个上下极板尺寸相同、非完全重合的平行板电容器.文中以GD401（中昊晨光化工研究院有限公司）硅橡胶为柔性基体，YC-2型有机硅导电银胶（南京喜力特胶粘剂有限公司）作为平行板电容的上下电极，触觉传感器上表面附有半球形触头.YC-2型有机硅导电银胶常温下固化后具有良好的延展性、成膜性好等优点，使得电容式触觉传感单元整体具有柔性，为可穿戴仿生皮肤的研制提供了可能性.
电容式触觉传感器结构俯视图与垂直剖面图分别如图2a，b所示，4个平行板电
容分别记为C1，C2，C3，C4，上下极板均是边长l为5 mm的正方形有机硅导
电银胶膜，且非完全重合，两层极板由4个半径为0.5 mm的硅橡胶圆柱支撑，
空气和覆盖在极板表面的硅橡胶充当电容式触觉传感器的复合电介质.多个触觉传
感单元可以组成阵列形式，方便实现大面积法向力与切向力检测.
电容式触觉传感器检测法向力与切向力的机理如图3所示.
图3 a中，当电容式触觉传感器受法向力Fz作用时，圆形硅橡胶支柱受力被压缩
Δd，等效为极板间距减小Δd（假设极板表面未发生变化），此时对应输出电容值满足公式（1）：
其中：ε0=8.854×10-12F·m-1为真空介电常数；εr为两极板间硅橡胶和空气复合相对介电常数；S0= l2为极板初始面积；Ci为受力时平行板电容值，i= 1，2，3，4.理想情况下，受法向力作用时，C1，C2，C3，C4这4个电容变化量ΔC=ΔCi-
C0是相同的，C0为平行板电容初始电容值.以ΔCnormal表示法向力Fz作用时4个电容的平均变化量，则满足公式（2）：
图3b中，当电容式触觉传感器受切向力Fx/Fy时，圆形硅橡胶支柱发生倾斜，上极板沿受力方向发生位移Δl，电容式触觉传感器等效极板面积发生变化.若沿x轴
正方向施加切向力Fx时，C1，C4等效极板面积减小ΔS=l2-l（l-Δl），C2，C3
等效极板面积增加ΔS=l（l+Δl）-l2.同理，沿y轴正方向施加切向力Fy时，C3，C4等效极板面积减小，C1，C2等效极板面积增加.与传统上下极板完全重合的电
容式触觉传感器结构相比，文中提出的电容式触觉传感器在检测切向力时采用一种差分方式，提高了切向力检测的灵敏度.另外，电容式触觉传感器单元上下两层平
行板由圆形硅橡胶支柱连接，使得在切向力作用时上下极板更容易发生相对位移.
以ΔCshear-x和ΔCshear-y分别表示沿x轴和y轴正方向施加切向力时两对差分电容的平均变化量，则分别满足公式（3）和（4）：
利用ANSYS有限元分析软件［11］对电容式触觉传感器进行受法向力与切向力仿
真，其仿真结果如图4所示.
图4 a为1 N法向力作用于电容式触觉传感器中央时ANSYS仿真结果，可以看出4个电容的变化情况大致相同；图4b为1 N切向力作用于电容式触觉传感器侧面时ANSYS仿真结果，C2，C3减小，C1，C4增加.可以看出ANSYS仿真和上述检测原理分析结果一致.
1.2 电容式触觉传感器设计
电容式触觉传感器设计流程如图5所示，主要采用3D打印技术，随着3D打印技术日趋成熟，为传感器结构设计带来了极大便利并得到一定应用［12］，利用Solidworks等三维设计软件构建需要的模型可灵活打印出所需传感器微结构.3D 打印所用材料为ABS（acrylonitrile butadiene styrene plastic）工程塑料，基于硅橡胶的流体成型特性及有机硅导电银胶良好的延展性、成膜性，固化脱模后可获得传感器对应部件结构.电容式触觉传感器实物如图6所示.
2.1 触觉传感信息提取系统硬件设计
文中主控芯片选用意法半导体公司的基于ARM Cortex-M3处理器内核的32位高性能STM32F103VET6微处理器，其丰富的硬件资源与库函数很大程度上缩短了产品开发周期.综合电容检测电路的设计复杂度、数据精度等因素，选择具备I2C 接口的CDC（capacitance-to-digital converter）AD7147-1，该芯片采用有源交流屏蔽技术可消除容性输入对地之间的寄生电容，高达16位CDC精度，13路容性输入可方便构成电容式触觉传感阵列信息提取系统，其4×4电容式触觉阵列传感器信号采集系统原理图如图7所示.
在4×4电容传感阵列中选中列接地，作为每行容性输入的接地极板，其余列接有源屏蔽端.通过控制模拟开关连接方式与AD7147-1容性输入配置模式不仅实现了可同时采集4路容性输入，提高了数据采集速率，而且消除了各容性传感单元间的交叉干扰.
电容式触觉传感阵列检测系统整体结构框图如图8所示，微控制器通过控制多路模拟开关逐次扫描电容式触觉传感阵列的某一列，同时，4行容性输入经
AD7147-1电容信号处理模块采集该列传感信息.微控制器以I2C方式读取触觉传感信息并通过串口传至上位机，实时显示试验结果.
2.2 触觉传感信息提取系统软件设计
电容式柔性触觉阵列传感信息提取系统软件设计流程图如图9所示，上位机开发选用NI（national instruments）公司的图形化编程开发平台，LabVIEW具备强大的实时数据处理功能与显示功能，其内置分析与控制函数可较方便地对数据进行更高级的运算和处理.微控制器程序流程图如图9a所示，控制器完成一次阵列扫描后按预定通信协议格式将数据打包发送至上位机.上位机程序流程图如图9b所示，LabVIEW接到下位机发送的新数据，解析数据包并判断无误后显示试验结果.
室温下，使用AIKOH MODEL-762型拉压力计对文中提出的全柔性电容式触觉传感单元的输入输出特性进行试验与验证，其中，法向力与切向力加载平台示意图分别如图10a，b所示.
以0.2 N为步进对该全柔性电容式触觉传感器施加法向力Fz，其输出电容值与施加法向力之间曲线关系如图11所示.从图中可以看出，在0～5 N范围该全柔性电容式触觉传感器具备良好的线性度，经线性拟合得法向最低灵敏度为6.78 fF·N-1. 同样，使用AIKOH MODEL-762型拉压力计以0.2 N为步进对文中提出的全柔性电容式触觉传感单元加载切向力Fx和Fy作用，其输出电容与施加切向力之间曲线关系分别如图12和13所示.
由图12，13可见，在施加切向力作用时4个敏感单元构成两对差分结构，在不同切向力作用下其输出电容值与上文分析切向力检测原理中结果相一致.在0～3 N 范围内该全柔性电容式触觉传感器具备良好的线性度，经线性拟合得切向力作用时最低灵敏度为11.45 fF·N-1.
为验证文中提出全柔性电容式触觉传感器的灵敏度、响应特性及重复性，向该电容式触觉传感器间隔施加和释放作用力，以1 N为步进，从1到4 N进行动态加载
试验，其传感单元动态响应特性如图14所示，其响应时间为0.49 s，图中可以看出该触觉传感器能快速感知触觉信息且具备良好的重复性.
对电容式触觉传感器进行5组不同的压强检测试验，测得触觉传感器的输出电容
值与对应压强值，其结果如表1所示.
从上述试验中可以看出检测过程中存在一定的误差，误差产生的原因一方面来自试验环境的干扰，此外，几乎所有的传感器都存在时漂和温漂，后期预引入温度补偿功能降低温漂，提高检测精度.
文中提出了一种全柔性、可用作智能机器人敏感皮肤的电容式柔性触觉阵列传感器，可实现法向力0～5 N和切向力0～3 N内，对应灵敏度分别为6.78 fF·N-1和11.45 fF·N-1.针对该电容式柔性触觉传感器，阐述了其工作原理、结构模型等，
同时，构建了电容信号采集与处理系统，提高了电容传感信息的采集速率与可信度.通过对电容式柔性触觉传感器进行法向力与切向力特性测试及动态响应与恢复特性测试结果表明，该触觉传感器可作为一种仿生皮肤实现触觉可靠感知.
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