辛 毅，徐 洋，朱劍鋒，劉 濤，李永超，劉麗雙

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長春 130061)

0 引言

觸覺是人類感知外界環(huán)境的一種重要知覺。目前將以人類觸覺為機(jī)理的觸覺傳感器應(yīng)用在仿生皮膚領(lǐng)域，使智能機(jī)械具備人的感知能力，可對機(jī)械、溫度、光學(xué)及生物刺激做出快速判斷反應(yīng)[1]。靈敏度是檢驗(yàn)觸覺傳感器性能的主要指標(biāo)[2]，當(dāng)前壓電式傳感器靈敏度高，固有頻率高，信噪比強(qiáng)，動態(tài)響應(yīng)寬，國內(nèi)外應(yīng)用廣泛。聚偏氟乙烯(PVDF)是一種高分子壓電聚合物，PVDF壓電薄膜相比壓電晶體、壓電陶瓷等壓電材料具有柔韌性好，介電強(qiáng)度高，聲阻抗低，質(zhì)量小，動態(tài)響應(yīng)寬等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具備熱點(diǎn)性[3]，其被廣泛應(yīng)用在新型壓電觸覺傳感器領(lǐng)域。

本文依據(jù)PVDF壓電薄膜壓電效應(yīng)基本原理，仿生人體生理皮膚結(jié)構(gòu)層，設(shè)計(jì)了雙凸點(diǎn)拱形觸覺傳感器。通過傳感器對比測試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了雙凸點(diǎn)拱形觸覺傳感器滑覺信號靈敏系數(shù)最佳，傳感器上凸點(diǎn)層仿生人類皮膚乳突線層，下凸點(diǎn)層仿生人類皮膚中脊線層，單敏感元仿生邁斯納小體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)對傳感器的采集信號進(jìn)行放大、濾波、傅里葉變換等處理分析，通過信號幅值的均值大小判定檢測觸覺信號，信號幅值方差判定檢測滑覺信號，并由信號的幅頻值來設(shè)定頻率閾值、幅度閾值，判斷熱覺信號，實(shí)現(xiàn)觸覺傳感器的仿生皮膚功能。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

圖1為仿生觸覺檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。PVDF壓電薄膜雙凸點(diǎn)拱形傳感器采集到觸覺信號，經(jīng)信號調(diào)理電路進(jìn)行電荷、電壓放大，濾波去除干擾噪聲，信號正向抬升及電壓反饋跟隨。通過MSP430F149單片機(jī)數(shù)據(jù)采樣轉(zhuǎn)換，經(jīng)虛擬串口傳送到上位機(jī)LabVIEW軟件中分析處理，軟件前面板窗口可讀取信號及幅頻特性曲線、觸滑熱信號。

圖1 仿生觸覺檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

1.2 PVDF壓電薄膜基本原理

圖2為PVDF壓電薄膜正壓電效應(yīng)圖。由圖可見，PVDF壓電薄膜受到外力F作用產(chǎn)生機(jī)械形變時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，上、下相對表面產(chǎn)生個(gè)數(shù)相等、極性相反電荷，形成電位差，稱為正壓電效應(yīng)[5]。

圖2 PVDF壓電薄膜正壓電效應(yīng)

研究表明，壓電薄膜作用模式主要有d31模式和d33模式。d31模式中，壓電薄膜受力產(chǎn)生的應(yīng)變與電荷極化方向垂直；d33模式中，壓電薄膜受力產(chǎn)生的應(yīng)變與電荷極化方向相同。同作用力下，d31模式比d33模式更易產(chǎn)生較大應(yīng)變，能產(chǎn)生更多電荷[6]。如圖3所示，當(dāng)力F作用在上、下拱形基底上的壓電薄膜，使薄膜產(chǎn)生垂直力F方向的拉伸形變，增大薄膜d31工作模式，較平面形基底可生成更多極化電荷，增大輸出信號。

圖3 拱形基底受力產(chǎn)生的應(yīng)變示意圖

1.3 雙凸點(diǎn)拱形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

人類通過分布在皮膚不同深度的多種機(jī)械刺激感受器感知外界環(huán)境物質(zhì)。基于仿生學(xué)，觸覺傳感器近似人手指頭大小，其尺寸為1.8 cm×1.7 cm，內(nèi)徑0.8 cm，近似手指肚厚度，整體為正弦拱形結(jié)構(gòu)，如圖4所示。增大PVDF壓電薄膜受力拉伸形變，增強(qiáng)d31工作模式，提高傳感器靈敏度[7]。銅箔具有良好的回彈性和導(dǎo)電性能，選取厚為2 mm的銅箔作為凸點(diǎn)層，上、下凸點(diǎn)材質(zhì)為銅箔，上凸點(diǎn)的點(diǎn)間距為400 μm，仿生手指皮膚表層乳突紋線，增大傳感器與接觸物質(zhì)表面最大靜摩擦力，其方向垂直壓電薄膜極化方向，提高傳感器靈敏度[8]；下凸點(diǎn)仿生皮膚內(nèi)部中間脊結(jié)構(gòu)，同時(shí)增大傳感器的有效面積，同樣外力下會產(chǎn)生更多極化電荷[9]。PVDF壓電薄膜附在下凸點(diǎn)銅箔層表面，各壓電薄膜下凸點(diǎn)敏感單元仿生人體皮膚中的邁納斯小體，邁納斯小體可快速響應(yīng)3～40 Hz低頻動態(tài)范圍窄的外界刺激，人體皮膚內(nèi)大量多種感受器可慢響應(yīng)低頻0.4～3.0 Hz、快響應(yīng)高頻40～100 Hz持續(xù)向下的壓力，橫向皮膚拉伸和皮膚滑動等外界刺激，壓電薄膜一般動態(tài)響應(yīng)寬為0.1～200 Hz，滿足仿生設(shè)計(jì)要求[10]。導(dǎo)電極由薄銅片和漆包線組成，將信號線從壓電薄膜正、負(fù)兩導(dǎo)電極引出，橡膠彈性基底具有粘彈性，傳遞信號時(shí)可減少載荷能量在傳導(dǎo)過程中的消耗。

圖4 雙凸點(diǎn)拱形傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2 信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

圖5為信號調(diào)理電路，包括電荷放大、電壓放大、低通濾波、電壓抬升及電壓反饋跟隨等設(shè)計(jì)。圖中，電路將傳感器采集到的電荷信號放大轉(zhuǎn)換為電壓信號，放大器A0選用CA3140型號，可實(shí)現(xiàn)高阻抗輸入轉(zhuǎn)換為低阻抗輸出，設(shè)計(jì)積分電容C1及電阻R1，使電路具備負(fù)反饋?zhàn)饔?，調(diào)節(jié)R4實(shí)現(xiàn)電壓信號穩(wěn)定放大，設(shè)計(jì)二階低通濾波電路，使輸入高頻信號對數(shù)幅頻特性以-40 dB/分倍頻速度下降，為后續(xù)軟件濾波降低難度。電路設(shè)計(jì)電壓抬升功能，根據(jù)采集到信號的強(qiáng)弱，通過調(diào)節(jié)R13將電壓信號進(jìn)行抬升，便于后續(xù)MSP430F149單片機(jī)識別處理。為減輕信號源影響，提高帶負(fù)載能力，設(shè)計(jì)電壓跟隨電路，可穩(wěn)定電壓、增強(qiáng)品質(zhì)因數(shù)。為滿足系統(tǒng)集成化高，體積小的要求，選用內(nèi)部集成4個(gè)運(yùn)算放大器的OPA4347芯片[11]，通過P2插口將模擬信號經(jīng)單片機(jī)數(shù)據(jù)采樣轉(zhuǎn)換后，傳送給上位機(jī)。

圖5 信號調(diào)理電路PCB原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

經(jīng)硬件電路調(diào)理后，模擬信號由單片機(jī)MSP430F149處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再經(jīng)串口通訊傳送給上位機(jī)，數(shù)據(jù)存儲在特定文件中，由LabVIEW處理數(shù)顯[12]。如圖6所示，LabVIEW程序設(shè)計(jì)存儲控件，便于信號數(shù)據(jù)的收集存儲；程序添加級數(shù)可調(diào)的低通濾波器，極大地優(yōu)化信號、去除噪聲；為了分析信號的頻域特征，程序添加幅頻特性控件；同時(shí)，程序設(shè)計(jì)指示燈控件、信號類型顯示窗口及幅值顯示窗口，辨別采集數(shù)據(jù)的類型大小。為判斷觸覺信號、滑覺信號及熱覺信號，程序采用閾值法，瞬間觸碰傳感器使得信號幅值突變、響應(yīng)持續(xù)性差，因此，信號幅值均值大小可判定傳感器檢測到觸覺信號；平穩(wěn)滑動傳感器使信號輸出幅值穩(wěn)定，根據(jù)信號幅值方差可判定傳感器檢測到滑覺信號；由信號的幅頻值來設(shè)定頻率閾值、幅度閾值，判斷熱覺信號。程序前面板設(shè)置輸出信號波形圖顯示窗口、信號幅頻特性曲線顯示窗口、接口配置單元及觸滑熱覺信號判別指示燈等。

圖6 LabVIEW程序設(shè)計(jì)框圖

4 系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)

4.1 傳感器靈敏度對比測試分析

制作3種不同銅箔層凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其他條件全部相同的傳感器：無凸點(diǎn)拱形[13]、上凸點(diǎn)拱形(凸點(diǎn)層在接觸物體一側(cè))及雙凸點(diǎn)拱形傳感器。在同樣實(shí)驗(yàn)裝置環(huán)境下，分析各結(jié)構(gòu)傳感器的輸出信號，計(jì)算對比靈敏度高低，傳感器對比實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖7所示。

圖7 傳感器對比實(shí)驗(yàn)裝置圖

由圖7可見，柱狀物低碳鋼棒與傳感器銅箔層間摩擦系數(shù)(μ)為0.56，±5 V直流電源給硬件調(diào)理電路供電。鋼棒在下滑時(shí)與夾持器固定端處的傳感器產(chǎn)生摩擦接觸，將傳感器采集到的電荷信號經(jīng)硬件電路信號放大、濾波等調(diào)理后，傳輸?shù)绞静ㄆ髦写鎯ο聛恚瑢z測到的數(shù)據(jù)用Origin軟件進(jìn)行分析處理，圖8為放大信號波形圖。

圖8 各傳感器采集信號輸出波形圖

圖8中，包絡(luò)線A表示輸出信號幅值趨勢走向。輸出信號幅值隨時(shí)間越來越大，呈線性關(guān)系，經(jīng)過一定時(shí)間Δt，對比輸出幅值ΔV的大小，判別各傳感器靈敏度高低。鋼棒下滑觸碰傳感器，并勻加速滑動摩擦，使傳感器平穩(wěn)對稱振動，產(chǎn)生形變；采集到正、負(fù)電信號，幅值大小總體成對稱分布。對3種結(jié)構(gòu)的傳感器放大輸出信號選取正向幅值對比分析如圖9所示。

圖9 各傳感器輸出信號正向幅值對比

圖9中，曲線a、b、c分別表示雙凸點(diǎn)拱形、上凸點(diǎn)拱形及無凸點(diǎn)拱形正向幅值曲線。實(shí)驗(yàn)初始，鋼棒下滑瞬間觸碰傳感器，各傳感器信號幅值突變，輸出觸覺信號，各傳感器輸出信號相同，表明3種結(jié)構(gòu)傳感器對觸覺信號檢測靈敏相同；而后鋼棒下滑與傳感器完全充分摩擦滑動，使各傳感器平穩(wěn)振動，在400 ms后，各傳感器檢測到滑覺信號，曲線a信號幅值大于曲線b、c，證明同一時(shí)間處，雙凸點(diǎn)拱形結(jié)構(gòu)傳感器信號輸出幅值最大，其靈敏度更高；各傳感器采集信號同時(shí)反應(yīng)了傳感器與鋼棒接觸不完全均勻，但不影響輸出信號整體趨勢走向，質(zhì)量m、重力G的鋼棒，以初速度v在時(shí)間t內(nèi)勻加速下滑距離L，壓力F垂直于傳感器，由牛頓力學(xué)運(yùn)動原理可知：

(1)

該傳感器在F作用下輸出電壓信號V，則其靈敏度S為

S=V/F

(2)

在1 600 ms處各傳感器振動平穩(wěn)，與下滑鋼棒摩擦充分，外界干擾小，此時(shí)計(jì)算得出3種不同結(jié)構(gòu)傳感器對滑覺信號檢測靈敏系數(shù)分別為2.81×10-2V/(m·N)、3.22×10-2V/(m·N)、3.84×10-2V/(m·N)，則雙凸點(diǎn)拱形結(jié)構(gòu)傳感器靈敏系數(shù)是無凸點(diǎn)拱形結(jié)構(gòu)傳感器的1.36倍，是上凸點(diǎn)拱形結(jié)構(gòu)傳感器的1.19倍，雙凸點(diǎn)拱形結(jié)構(gòu)提高了觸覺傳感器靈敏度，更適宜作為前端信號采集單元。

4.2 系統(tǒng)測試

下位機(jī)采集到數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，上位機(jī)LabVIEW檢測分析程序串口配置選為虛擬COM6串口，每秒波特率為9 600，無奇偶校驗(yàn)，數(shù)據(jù)位選用擴(kuò)展ASCII8位及1.0停止位[14]。室溫25 ℃，將雙凸點(diǎn)拱形傳感器放在水平放置的低碳鋼棒上，反復(fù)勻速地在水平方向滑動傳感器，觀測前面板顯示窗口，其輸出波形如圖10所示。

圖10 信號輸出波形顯示窗口

由圖10可見，傳感器剛觸碰到鋼棒時(shí)，受力使得傳感器形變，產(chǎn)生電信號，且信號突變，幅值增大為觸覺信號，同時(shí)滑動傳感器，系統(tǒng)檢測到觸覺信號和滑覺信號的疊加信號，在10 s處信號幅值最大；而后傳感器與鋼棒充分接觸，且單一水平滑動，傳感器觸覺信號消失，程序僅檢測到滑覺信號；約在120 s給低碳鋼棒加熱，PVDF具有高熱電性，傳感器輸出信號驟升，此時(shí)傳感器仍在滑動，程序檢測到滑覺和熱覺的疊加信號，信號幅頻特性曲線如圖11所示；130 s停止加熱后，鋼棒與外界環(huán)境熱交換，鋼棒溫度慢慢下降，傳感器檢測到的熱覺信號減小，輸出疊加信號亦減?。辉?80 s后，由于單一勻速滑動傳感器，此時(shí)系統(tǒng)僅檢測到滑覺信號。

圖11 信號幅頻特性顯示窗口

熱覺信號頻率為0.1～2.5 Hz，滑動信號頻率高于10 Hz[15-16]，圖11中在0～3 Hz及20 Hz附近信號較強(qiáng)，表明實(shí)驗(yàn)120 s時(shí)鋼棒溫度升高，系統(tǒng)檢測到傳感器的熱覺信號、滑覺信號。此時(shí)，LabVIEW前面板顯示窗口中滑覺信號、熱覺信號指示燈亮，程序?qū)Σ杉瘮?shù)據(jù)傅里葉變換等進(jìn)行計(jì)算處理，得出滑覺信號幅度為766.31 mV、熱覺信號幅度為1 262.29 mV，各頻率信號幅值比在50 dB附近震蕩，表明經(jīng)調(diào)理電路、LabVIEW程序處理后，傳感器輸出信號得到增強(qiáng)，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測數(shù)顯傳感器滑覺及熱覺信號幅值，系統(tǒng)前置調(diào)理電路低通濾波及程序設(shè)置濾波截止頻率為50 Hz，極大地抑制了工頻干擾，減少外界噪聲影響。

5 結(jié)束語

從人體皮膚觸覺感知及表皮層結(jié)構(gòu)出發(fā)，依據(jù)PVDF壓電薄膜壓電效應(yīng)原理，設(shè)計(jì)上、下層銅箔凸點(diǎn)，制作了雙凸點(diǎn)拱形結(jié)構(gòu)傳感器。通過傳感器對比測試實(shí)驗(yàn)，相比國內(nèi)其他拱形結(jié)構(gòu)傳感器，該結(jié)構(gòu)傳感器的滑覺信號檢測靈敏系數(shù)得到提升，增強(qiáng)了觸覺傳感器與物質(zhì)滑動摩擦信號、識別物質(zhì)紋理能力，提高了傳感器觸碰感知外界物質(zhì)性能；系統(tǒng)優(yōu)化、集成了下位機(jī)信號調(diào)理電路，且設(shè)計(jì)LabVIEW軟件對信號數(shù)據(jù)讀取分析、濾波處理，實(shí)時(shí)顯示輸出信號波形圖，通過傅里葉變換等處理，采用閾值分析法判斷數(shù)顯傳感器觸滑熱覺信號，該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于仿生皮膚等機(jī)械裝置上，實(shí)現(xiàn)機(jī)械的人工智能化，同時(shí)在航天航空、醫(yī)療健康、智能制造等領(lǐng)域，有一定的應(yīng)用前景。