魏健雄， 萬 舟， 單 陽， 祝奔奔

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650504)

0 引 言

傳感器技術(shù)是智能機(jī)械手研究和發(fā)展的主要方向之一，智能機(jī)械手主要應(yīng)用六維腕力傳感器和三維指尖柔性觸覺傳感器[1～3]。迄今為止，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者對(duì)六維腕力傳感器的研究已較為深入，但對(duì)三維指尖力觸覺傳感器的研究還略有不足[4]。三維指尖觸覺傳感器可感知三維空間的力信息，是實(shí)現(xiàn)機(jī)械手智能化的重要傳感器[5，6]，隨著工業(yè)上對(duì)智能機(jī)械手控制的可靠性要求不斷提高，準(zhǔn)確獲取三維指尖力信息尤為重要。

當(dāng)前機(jī)械手所應(yīng)用的傳感器通過獲取機(jī)器人作業(yè)時(shí)與外界環(huán)境之間的相互作用力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)力覺、觸覺和滑覺等的感知[7]。本文設(shè)計(jì)的基于柔性壓電薄膜的指尖力觸覺傳感器，是針對(duì)現(xiàn)有大部分相關(guān)觸覺傳感器對(duì)三維力信息檢測(cè)的不足，結(jié)合聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)薄膜的壓電特性，而設(shè)計(jì)的一種可有效檢測(cè)指尖力三維信息[8]，且具有推廣價(jià)值的觸覺傳感器。與傳統(tǒng)指尖力傳感器相比，該傳感器所測(cè)得的三維力信息，能夠更全面地反映指尖力的狀況。

1 傳感器材料選擇

PVDF是一種有機(jī)高分子壓電材料，可制成壓電薄膜。用PVDF制成的薄膜不僅柔韌耐用，而且力電轉(zhuǎn)換靈敏度高[9]。當(dāng)PVDF壓電薄膜受外力作用時(shí)，薄膜上下表層會(huì)生成極性相反、大小相等的電荷量[10]?？蓪⑵浣瓶闯蓛蓸O板上聚集了等量異性電荷，中間為絕緣體的電容器，故可用PVDF作為指尖力傳感器的壓電材料。根據(jù)其性質(zhì)，可將受力狀態(tài)的PVDF薄膜理想化為電容器。當(dāng)薄膜受到垂直于膜面方向壓力，單位面積輸出電荷量與所施加垂直于薄膜表面外力的關(guān)系為

δ=dσ

(1)

Δδ=dΔσ

在PVDF薄膜上位置(x，y)，假設(shè)0時(shí)刻的電荷密度為δ(x,y,t0)，t時(shí)刻的密度則為δ(x,y,t)，則

(3)

式中d為垂直薄膜方向的壓電應(yīng)變常數(shù),C/N；σ為薄膜承受的應(yīng)力,Pa。

當(dāng)面積為S壓電薄膜兩極板上因施加壓力，而聚集了電荷，電荷量為

(4)

式中Q(t0)為0時(shí)刻電荷量；i(t)=Q(t)/RC為偏電流;S為PVDF薄膜的面積;C為PVDF的等效電容;R為后續(xù)放大電路的輸入電阻。

(5)

薄膜由此產(chǎn)生的電壓可表示為

U(t)=Q(t)/C

(6)

2 傳感器設(shè)計(jì)與原理

基于PVDF薄膜的三維指尖力傳感器，其核心部分是指尖力傳感頭，為了能全面探測(cè)指尖力的三維信息，根據(jù)PVDF壓電薄膜的測(cè)量原理，設(shè)計(jì)了圖1所示構(gòu)型的傳感頭，用于指尖力探測(cè)。

圖1 傳感頭結(jié)構(gòu)

選取一個(gè)帶指尖卡槽的四棱臺(tái)，及一個(gè)傳感器基座。四棱臺(tái)插在基座內(nèi)部，四棱臺(tái)上表面和基座四邊頂部平齊，輪廓均為正方形，背襯上表面平面部分與其下表面，以及基座底部平面平行，基座周圍4個(gè)斜面與上表面之間夾角為45°，四棱臺(tái)上方的接觸面則為傳感器與指尖的接觸部位，指尖卡槽可以起到固定指尖位置作用。四棱臺(tái)背襯底部傳感器基座內(nèi)側(cè)底部留有一部分鏤空，可保證指尖力通過四棱臺(tái)背襯完整傳遞到PVDF薄膜上。

將四棱臺(tái)四側(cè)面延伸，相交于P圖2(a)。傳感頭剖面為一個(gè)等腰直角三角形，若受力點(diǎn)為O，從該點(diǎn)引出垂線，分別垂直于A，B兩個(gè)面，垂足位于EP與FP上。從而得出FA和FB的方向，如圖2(b)所示。同理可知FC和FD方向。

傳感器安裝于手套指尖部分圖2(c)。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)分析

傳感頭部分受力分析示意圖如圖2(d)所示，可以看出F與各方向分力之間的關(guān)系。當(dāng)在四棱臺(tái)凹槽施加指尖力F，棱臺(tái)4個(gè)側(cè)面上安裝的PVDF薄膜會(huì)因施力大小、方向不同，而受不同的力，并會(huì)生成與該力成正比的電荷量。通過對(duì)壓電薄膜電信號(hào)的測(cè)量，就可計(jì)算出力F在垂直于各側(cè)面方向上的分力大小，再通過解算，得到指尖力的三維信息。

根據(jù)圖2(b)和圖2(d)中對(duì)力的分析，可以得到力FA，F(xiàn)B，F(xiàn)C，F(xiàn)D與F在方向分力Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z之間的關(guān)系

(7)

根據(jù)PVDF壓電效應(yīng)，產(chǎn)生電壓與受到垂直薄膜表面壓力的關(guān)系為

V=SF

(8)

式中F為PVDF薄膜所受壓力大小；V為薄膜由此產(chǎn)生的電壓；S為兩者比例系數(shù)。

根據(jù)式(7)、式(8)，分別對(duì)Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z進(jìn)行求導(dǎo)，結(jié)果為

(9)

根據(jù)式(9)可知:1)膜片A和B對(duì)Fx沒有響應(yīng)作用，膜片C和D對(duì)Fy沒有響應(yīng)作用；2)膜片B對(duì)Fy的響應(yīng)能力和膜片C對(duì)Fx的響應(yīng)能力相同；3)膜片A對(duì)Fy的響應(yīng)能力和膜片D對(duì)Fx的響應(yīng)能力相同；4)膜片A,B,C,D各個(gè)對(duì)Fz作用產(chǎn)生的電壓均相同。

進(jìn)而得到力F的相關(guān)信息

(10)

上述分析表明：該結(jié)構(gòu)傳感器在檢測(cè)指尖力時(shí)，原始信號(hào)經(jīng)過解算后，可以得到指尖力的三維信息。這些信息的獲取，現(xiàn)存大部分指尖力傳感器是難以準(zhǔn)確完成的。

3 調(diào)理電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集電路主要由信號(hào)調(diào)理電路和多功能數(shù)據(jù)采集卡這兩個(gè)模塊構(gòu)成。

通常計(jì)算機(jī)很難獲取PVDF壓力薄膜產(chǎn)生的電信號(hào)，因其在外力作用下產(chǎn)生的電信號(hào)非常弱，并且PVDF壓力薄膜本身阻抗又很高。因此,需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，使之與后續(xù)測(cè)試環(huán)境相適應(yīng)。

當(dāng)所受力達(dá)到10 N左右時(shí)，其所產(chǎn)生電荷量極小，僅為皮庫級(jí)別[11]。因此，需要先使用電荷放大裝置，使電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)再進(jìn)行采集。電荷放大器的作用有2個(gè)：把壓電薄膜的高阻抗輸出，轉(zhuǎn)換成低阻抗輸出；將PVDF壓電薄膜產(chǎn)生的微弱電荷信號(hào)進(jìn)行放大，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。為此使用的放大裝置，采用運(yùn)算放大電路組成的二級(jí)放大裝置，其線路如圖5。

圖3 放大電路

第一級(jí)是存在電容反饋功能的高輸入阻抗、高增益的電荷放大裝置。在PVDF表面，靜態(tài)內(nèi)阻高達(dá)1TΩ。首先使用CA3140高輸入阻抗運(yùn)算放大裝置，反饋裝置的電容為C1=0.1 μF，電阻R1=10 MΩ，由此產(chǎn)生的放大倍數(shù)可達(dá)2 000。另一級(jí)的作用是電壓放大，為將電壓幅值進(jìn)一步放大到易于采集的范圍，電壓放大后在-5～+5 V區(qū)間之內(nèi)。

由于PVDF薄膜在制作及粘貼環(huán)節(jié)存在少許誤差，導(dǎo)致x，y，z方向上的力信號(hào)存在一定的藕合。由于這種藕合多數(shù)是線性耦合，模擬運(yùn)算電路可以將其解耦。整個(gè)采集系統(tǒng)的硬件框圖如圖4所示。

圖4 信號(hào)處理硬件框圖

考慮到采集時(shí)需要同時(shí)處理各傳感器的多路信號(hào)，需采集的數(shù)據(jù)量較大，同時(shí)考慮設(shè)備成本，選擇USB7360AF數(shù)據(jù)采集卡采集電壓信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路處理后，通過USB2.0接口送至上位機(jī)，并存入數(shù)據(jù)庫，以便于數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。

4 傳感器應(yīng)用測(cè)試

為了能夠更為準(zhǔn)確地測(cè)量不同方向指尖力的三維信息，在進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，按指尖力方向與接觸面之間所呈角度的不同分別測(cè)試三維指尖力信息。因此,選取3組β角同為30°，α角分別為0°，45°，90°的指尖力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。指尖力響應(yīng)曲線如圖5所示。

(a) 指尖方向接觸面呈0°

(b) 指尖方向接觸面呈45°

(c) 指尖方向接觸面呈90°圖5 指尖力響應(yīng)曲線

上述響應(yīng)曲線表明：當(dāng)指尖力發(fā)生改變，傳感探頭基座各接觸面上壓電薄膜所受垂直力大小隨之產(chǎn)生變化，經(jīng)過解算得到的三維力狀況隨之實(shí)時(shí)變化。由此表明，該傳感器能夠有效測(cè)出指尖力三維信息，并且具有很高的靈敏度。

5 結(jié)束語

本文基于PVDF柔性壓電薄膜，開發(fā)了一種三維指尖力觸覺傳感器。通過分析指尖力測(cè)試結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)的傳感探頭能有效檢測(cè)指尖三維力信息，測(cè)試結(jié)果具有合理性，設(shè)計(jì)方案可行。相比于現(xiàn)存的指尖力觸覺傳感器，該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度較高等特點(diǎn)，并且在制作成本上有一定優(yōu)勢(shì)，因此具有極大的實(shí)用性及推廣價(jià)值。