許德成，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)

0 引 言

機(jī)器人滑覺傳感技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一，觸覺傳感器是機(jī)器人與環(huán)境直接作用的必須媒介［1，2］，是模仿人手使之具有感知功能實(shí)現(xiàn)軟抓取的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，滑覺信息的可靠感知是機(jī)器人在復(fù)雜多元環(huán)境下完成預(yù)定抓取功能的可靠保障［3］。常用的觸覺傳感器按被測物理量主要可分為電阻式［4～6］、電容式［7，8］、光電式［9］、壓電式［10］等。電阻式滑觸覺傳感器存在體積大、不易集成且力敏電阻漏電流不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。光電式滑覺傳感具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)合理及抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但光電式滑覺傳感器在兩向力以上共同作用時(shí)，很難保持線性關(guān)系，且存在標(biāo)定困難、精度難以提高等不足。壓電式滑觸覺傳感器的應(yīng)用最為廣泛，能同時(shí)檢測滑覺信息與觸覺信息，然而滑覺信息與觸覺信息的分離存在一定難度，且壓電式滑觸覺傳感器同時(shí)存在壓電響應(yīng)與熱電響應(yīng)，此外，壓電式滑觸覺傳感器無法實(shí)現(xiàn)對靜態(tài)觸覺信息的感知。

本文提出的電容式滑覺傳感器因具有動(dòng)態(tài)范圍廣，良好的線性響應(yīng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單等顯著優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。

1 滑覺傳感器設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與感知機(jī)理

電容式滑覺傳感單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，每只電容式滑覺傳感器可等效為由四對互成直角排列的差分式電容器構(gòu)成，從而提高了滑覺傳感的靈敏度。本文選用美國道康寧產(chǎn)生的PDMS 為滑覺傳感器的柔性基體，YC—2型有機(jī)硅導(dǎo)電銀膠(南京喜力特膠粘劑有限公司)作為差分式電容的兩端固定極板和中間可動(dòng)極板，同時(shí)，在滑覺傳感器上表面附有半球形觸頭以利于滑覺感知。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)，使得電容式滑覺傳感單元整體具有柔性，為“軟”抓取功能的實(shí)現(xiàn)提供了可能性。

圖1 滑覺傳感單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Structure diagram of slip sensing cell

電容式滑覺傳感器實(shí)現(xiàn)滑覺檢測機(jī)理如圖2 所示，未受摩擦力作用時(shí)，4 對差分式電容器輸出值相等(C11=C12，C21=C22，C31=C32，C41=C42)，當(dāng)受摩擦力作用時(shí)，防滑橡膠觸頭在摩擦力帶動(dòng)下發(fā)生傾斜，從而聯(lián)動(dòng)4 對差分式電容器的可動(dòng)極板發(fā)生傾斜，導(dǎo)致4 對差分式電容器輸出發(fā)生變化，根據(jù)4 個(gè)電容值的變化特點(diǎn)可以判斷滑動(dòng)的方向和滑覺信息，且其檢測方向不再是單一方向。圖2(a)為沿X 軸正方向發(fā)生滑動(dòng)時(shí)各電容變化示意圖，可以看出此時(shí)C12－C11和C32－C31輸出增加，C42－C41和C22－C21幾乎不變(隨著位移增加，會(huì)有減小趨勢)，沿Y 軸時(shí)原理類似;圖2(b)為沿與X 軸正方成45°向發(fā)生滑動(dòng)時(shí)各電容變化示意圖，此時(shí)C12－C11，C42－C41，C32－C31和C22－C21(均表示絕對值)輸出均增加，根據(jù)每個(gè)電容值的變化可以判斷滑動(dòng)產(chǎn)生的方向性。

圖2 觸覺感知機(jī)理Fig 2 Mechanism of tactile perception

為進(jìn)一步驗(yàn)證文中提出電容式滑覺傳感器檢測機(jī)理的可行性，使用ANSYS 有限元仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證，分別對其沿X 軸正方向和沿與X 軸正方成45°方向發(fā)生滑動(dòng)，其仿真結(jié)果如圖3 所示，可以看出ANSYS 對4 個(gè)差分式電容的變化仿真結(jié)果與上述感知機(jī)理分析結(jié)果保持一致。

1.2 滑覺傳感器制備

圖3 電容式滑覺傳感器受摩擦力作用時(shí)仿真結(jié)果Fig 3 Simulation results of capacitive slip sensor under frictional force

電容式滑覺傳感器制作工藝主要是基于3D 打印技術(shù)與硅橡膠流體成型技術(shù)，利用SolidWorks 或AutoCAD 等三維建模軟件設(shè)計(jì)出電容式滑覺傳感器結(jié)構(gòu)所需各部分模具，設(shè)計(jì)中使用XLFDM211515 型3D 打印機(jī)設(shè)計(jì)傳感器模具，并將硅橡膠注入模具成型，待材料固化后脫模取出即得電容式滑覺傳感器各部分組件，最后將各個(gè)器件組裝到一起即可。圖4 為本文3D 打印機(jī)實(shí)物圖和制備電容式滑覺傳感器所需(部分)模具，具備傳感結(jié)構(gòu)與制備工藝簡單、成本低等優(yōu)勢。

圖4 3D 打印機(jī)與滑覺傳感器模具Fig 4 3D printer and moulds of slip sensor

2 觸覺感知系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

文中使用AD7147—1 型電容/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)對電容式滑覺傳感器輸出電容信息進(jìn)行采集，其具有多路容性轉(zhuǎn)換通道、16 位轉(zhuǎn)換精度，片內(nèi)采用有源交流屏蔽技術(shù)有效地降低雜質(zhì)電容，可靈活構(gòu)建電容式滑覺信息感知系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖5 所示，選用低功耗CC2530 為微控制器，終端節(jié)點(diǎn)與滑覺傳感單元構(gòu)成一體化便攜結(jié)構(gòu)，采集滑覺傳感器輸出的容性觸覺信息并以無線方式發(fā)送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收滑覺信息后通過串口于LabVIEW 上位機(jī)進(jìn)行滑覺力信息的實(shí)時(shí)顯示。

2.2 容性滑覺感知

電容式滑覺陣列傳感器信號采集系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)采集容性滑覺信息并以無線方式發(fā)送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收下位機(jī)數(shù)據(jù)包后通過串口于LabVIEW 上位機(jī)進(jìn)行力信息的實(shí)時(shí)顯示。主要包括下位機(jī)對電容信號的提取、發(fā)送和上位機(jī)接收數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)圖形化顯示兩部分。其中，上位機(jī)開發(fā)選取NI(National Instruments)公司的圖形化編程開發(fā)平臺，LabVIEW 具備強(qiáng)大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理功能與顯示功能，其內(nèi)部自帶的函數(shù)庫能較方便對數(shù)據(jù)進(jìn)行更高級的運(yùn)算和處理，很大程度上提高了測試效率［11］。

圖5 電容式滑覺傳感器滑覺感知系統(tǒng)框圖Fig 5 Block diagram of slip perception system of capacitive slip sensor

微控制器程序流程圖如圖6(a)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6(b)所示，LabVIEW 接到下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，解析數(shù)據(jù)包并判斷無誤后顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖6 程序流程圖Fig 6 Flow chart of program

3 實(shí)驗(yàn)與討論

3.1 傳感器輸出特性

圖7 和圖8 分別為沿X 軸正方向與Y 軸正方向進(jìn)行切向加載測試時(shí)，各差分電容器的輸出與切向力之間的特性關(guān)系。

為驗(yàn)證其滑覺檢測的多方向性，當(dāng)沿與X 軸正方向呈45°斜向上施加切向力，其差分電容器輸出曲線如圖9，通過上述輸出特性曲線，可以看出，差分電容器在不同方向的輸出電容具有良好的線性度，且與滑覺感知機(jī)理分析保持較好的一致性。

3.2 標(biāo)定與誤差分析

圖7 X 軸方向滑覺傳感器輸出特性Fig 7 Output characteristics of slip sensor in X axis

圖8 Y 軸方向滑覺傳感器輸出特性Fig 8 Output characteristic of slip sensor in Y axis

圖9 與X 軸方向呈45°滑覺傳感器輸出特性Fig 9 Output characteristic of slip sensor in 45°direction with X axis

依據(jù)電容式滑覺傳感器的輸出與滑動(dòng)力之間的關(guān)系便可反演出所受壓力值，對電容式滑覺傳感器進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)其誤差如圖10 所示。

圖10 電容式滑覺傳感器的誤差Fig 10 Error of capacitive slip sensor

從圖10 可知:本文提出的電容式滑覺傳感器相對誤差均低于8%(均在8%誤差帶內(nèi))，該電容式滑覺傳感器具有較好的檢測準(zhǔn)確度，具備良好的滑覺感知能力。

圖11 為電容式滑覺傳感器應(yīng)用于滑覺檢測時(shí)輸出結(jié)果，通過差分電容的輸出特性曲線可以看出:滑動(dòng)發(fā)生于X軸正方向。

通過對電容式滑覺傳感器的輸出特性實(shí)驗(yàn)和滑覺檢測感知等說明了電容式滑覺傳感器具有線性度好、滑覺檢測靈敏等特點(diǎn)，可穿戴于智能機(jī)器人實(shí)現(xiàn)“軟”抓取功能，為安全人機(jī)交互提供了一種可行性方案。

4 結(jié) 論

圖11 電容式滑覺傳感器檢測滑動(dòng)信號時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig 11 Experimental result of sliding signal detected by capacitive slip sensor

本文提出了一種可以用智能機(jī)器人仿生皮膚的電容式滑覺傳感器，闡述了電容式滑覺傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、滑覺感知機(jī)理以及構(gòu)建容性滑覺感知系統(tǒng)，并借助ANSYS 有限元仿真軟件進(jìn)行滑覺感知機(jī)理驗(yàn)證。本電容式滑覺傳感器可等效為4 只差分式電容器，提高了其檢測靈敏度。其滑覺檢測方向不再局限于單一方向，根據(jù)差分電容式滑覺傳感器輸出電容值變化的特點(diǎn)可以判斷滑覺發(fā)生的方向。同時(shí)，電容式滑覺傳感器極板引線可引至柔性基體面，易于構(gòu)成電容式滑覺傳感器陣列，實(shí)現(xiàn)大面積、高分辨率滑覺感知功能。

［1］ Hammock M L，Chortos A，Tee B C K，et al.The evolution of electronic skin(E－Skin):A brief history，design considerations，and recent progress［J］.Advanced Materials，2013，25(42):5997－6038.

［2］ 黃 英，郭小輝，劉家俊，等.可拼接式全柔性電容觸覺陣列傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)［J］.機(jī)器人，2015，37(2):136－141，151.

［3］ 胡燕清，陳進(jìn)軍，胡國清.一種聲電式滑覺傳感器的實(shí)現(xiàn)與測試［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2011，30(3):128－131.

［4］ Park J，Lee Y，Hong J，et al.Tactile－direction－sensitive and stretchable electronic skins based on human－skin－inspired interlocked microstructures［J］.ACS Nano，2014，8(12):12020－12029.

［5］ 郭小輝，黃 英，袁海濤，等.柔性復(fù)合傳感器陣列信號采集及溫度補(bǔ)償系統(tǒng)［J］.電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2014，28(11):1254－1261.

［6］ 田合雷，劉 平，郭小輝，等.基于導(dǎo)電橡膠的柔性壓力/溫度復(fù)合感知系統(tǒng)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2015，34(10):100－103.

［7］ 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(jì)與試驗(yàn)［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2015，36(3):337－342.

［8］ 郭小輝，黃 英，騰 珂，等.柔性溫度壓力仿生皮膚的模塊化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)器人，2015，38(5):1－6.

［9］ White M S，Kaltenbrunner M，G?owacki E D，et al.Ultrathin，highly flexible and stretchable PLEDs［J］.Nature Photonics，2013，7(10):811－816.

［10］Schoepfer M，Schuermann C，Pardowitz M，et al.Using a piezoresistive tactile sensor for detection of incipient slippage［C］∥2010 41st International Symposium on Robotics(ISR)，and 2010 The 6th German Conference on Robotics(ROB)，2010:1－7.

［11］劉 亞，羅志會(huì)，徐校明，等.基于LabVIEW 的三軸微弱磁場檢測系統(tǒng)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2015，34(7):73－75，78.