余婉婷，孫勇智，陳 萌，張文奇，陳 曉

(1.浙江科技學(xué)院 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院·杭州·310023；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所·上海·201109)

0 引 言

觸覺(jué)是人類感知周圍環(huán)境的重要手段。近年來(lái)，隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人仿生觸覺(jué)研究也越來(lái)越受到重視。在航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生和家庭服務(wù)等需要精細(xì)操作的場(chǎng)景中，單純依賴機(jī)器人視覺(jué)不足以解決問(wèn)題，機(jī)器人還需要目標(biāo)物體的溫度、硬度、壓力和表面粗糙度等物理屬性信息。觸覺(jué)傳感器是獲取這些信號(hào)的有效方式，對(duì)于完成這些操作而言具有重要的意義。

自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，學(xué)者對(duì)觸覺(jué)傳感器設(shè)計(jì)的原理和方法進(jìn)行了大量的研究，主要發(fā)展了以下幾種類型的觸覺(jué)傳感器，即壓阻式觸覺(jué)傳感器[1-6]、壓電式觸覺(jué)傳感器[7-9]、電容式觸覺(jué)傳感器[10-11]以及光學(xué)式觸覺(jué)傳感器[12-13]。壓阻式觸覺(jué)傳感器中的應(yīng)變計(jì)和壓阻計(jì)靈敏度高、穩(wěn)定性好，但體積大、操作不靈活。同時(shí)，導(dǎo)電聚合物類響應(yīng)滯后明顯，導(dǎo)電液體類存在耦合現(xiàn)象；壓電式觸覺(jué)傳感器柔性好、成本低，但易受噪聲影響，穩(wěn)定性差，導(dǎo)致了其系統(tǒng)電路復(fù)雜；電容式觸覺(jué)傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、靈敏度高、電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但其輸出表現(xiàn)為非線性，有遲滯性，且柔性差；光學(xué)觸覺(jué)傳感器多為光纖式傳感器，對(duì)其的處理較為復(fù)雜，其受外部光照影響大。上述觸覺(jué)傳感器大部分功能比較單一，且電路復(fù)雜、體積大，易受限于特定的環(huán)境。

本文設(shè)計(jì)了一種小型仿生手指觸覺(jué)感知系統(tǒng)，該系統(tǒng)體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可檢測(cè)三維接觸力、溫度、壓力等物理量。該系統(tǒng)采用導(dǎo)電液作為傳感器的介質(zhì)層，內(nèi)置了熱敏元件、壓敏元件、電極陣列等敏感元件。熱敏元件測(cè)量接觸點(diǎn)的溫度，壓敏元件測(cè)量受力的大小，電極陣列組成一個(gè)傳感單元，通過(guò)測(cè)量電極間液體阻抗的變化來(lái)檢測(cè)受力的位置和接觸物體的大小。

1 仿生手指系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

仿生手指機(jī)械系統(tǒng)[14-15]是感知系統(tǒng)的基礎(chǔ)和載體，主要由指骨、柔性皮膚、指甲蓋三個(gè)部分組成，如圖1所示。指骨是敏感元件及其信號(hào)處理電路的載體，用于固定支撐整個(gè)傳感器；柔性皮膚具有較好的柔順性和彈性，與指骨之間形成了可存儲(chǔ)導(dǎo)電液的密閉空間；指甲蓋可通過(guò)螺釘將柔性皮膚固定在指骨上，防止柔性皮膚移動(dòng)，同時(shí)還可起到密封導(dǎo)電液體的作用。

指骨結(jié)構(gòu)包括前部的手指頭部分和后部的骨節(jié)部分。指骨前部用來(lái)固定含有溫度傳感器和電

(c) 柔性皮膚及指甲蓋圖1 仿生手指的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure of bionic finger

極陣列的柔性電路板。根據(jù)柔性電路板良好的伸展特性，溫度傳感器和電極陣列可被平整地固定在不規(guī)則的手指指骨上。指骨后部為鏤空的正方體結(jié)構(gòu)，鏤空部分用于安裝和固定壓力傳感器，外部四個(gè)定位孔用于固定信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集電路板。位于指骨中間的凹槽設(shè)計(jì)，可使柔性皮膚與指骨良好接觸，保證導(dǎo)電液的密閉性。

柔性皮膚采用硅膠制成，具有良好的絕緣性和類似人皮膚的柔軟性。另外，柔性皮膚內(nèi)摻雜了氮化鋁，具有很好的柔韌性和導(dǎo)熱性，對(duì)手指?jìng)鞲衅鞯臏囟葴y(cè)量更加快速和準(zhǔn)確。柔性皮膚的表皮和內(nèi)部都有指紋設(shè)計(jì)，這使得傳感器對(duì)接觸表面粗糙度的測(cè)量更加靈敏。指甲蓋上包括了兩個(gè)固定皮膚孔和一個(gè)注射孔，其主要作用是固定柔性皮膚，注射孔的設(shè)計(jì)也起到了加強(qiáng)密封的作用。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，以STM32F411為主控芯片(下位機(jī))，可完成對(duì)溫度、壓力和觸覺(jué)電極陣列信號(hào)的采集，并通過(guò)USB將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)(上位機(jī))。硬件電路包括單片機(jī)數(shù)據(jù)采集電路、觸覺(jué)電極陣列電路、溫度傳感電路和壓力傳感電路等。其中，觸覺(jué)電極陣列電路包括了電極陣列和電極信號(hào)調(diào)理電路。

圖2 手指?jìng)鞲衅鞯南到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of finger sensor system

STM32F411嵌入式控制器是基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的高性能微控制器。該微控制器采用單時(shí)鐘/機(jī)器周期工作模式，具備內(nèi)嵌浮點(diǎn)處理器，包含512k字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器和高達(dá)128k字節(jié)的SRAM。片內(nèi)外設(shè)包括11個(gè)定時(shí)器，16路12位AD轉(zhuǎn)換器，支持USB總線，滿足了手指?jìng)鞲衅飨到y(tǒng)數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)控制的硬件需求。同時(shí)，封裝尺寸最小可達(dá)3mm×3mm，滿足了對(duì)小巧體積的需求。

溫度感知元件采用了雙端集成電路溫度傳感器AD590JCPZ，其封裝大小僅為3mm×2mm，溫度測(cè)量范圍為-55℃至+150℃，非線性誤差為±0.3℃。由于該溫度傳感器的輸出電流與絕對(duì)溫標(biāo)成正比，比例系數(shù)為1μA/K，因此可采用電壓—電流轉(zhuǎn)換電路，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為0～3.3V的電壓信號(hào)。當(dāng)應(yīng)用AD590時(shí)，無(wú)需應(yīng)用線性化電路、精密電壓放大器、電阻測(cè)量電路和進(jìn)行冷結(jié)補(bǔ)償，具有測(cè)溫穩(wěn)定、精度高的特點(diǎn)，滿足了手指?jìng)鞲衅鲗?duì)體積小、測(cè)量精準(zhǔn)、電路簡(jiǎn)單的要求。AD590溫度傳感器及電壓—電流轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

(a)AD590溫度傳感器

(b)電壓-電流轉(zhuǎn)換電路圖3 AD590溫度傳感器及電壓—電流轉(zhuǎn)換電路Fig.3 AD590 temperature sensor and voltage-current conversion circuit

外界壓力可通過(guò)柔性皮膚內(nèi)的導(dǎo)電液和指骨內(nèi)部的液體通道實(shí)現(xiàn)傳遞。壓力傳感器能夠感知壓力信號(hào)，并且按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。壓力傳感器對(duì)精度高、體積小、功耗小、可靠性高、低壓供電等性能有所要求。為了精確測(cè)量該液體壓力信息，本文采用了40PC015G2A壓力傳感器。該傳感器可將液體壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，并且在內(nèi)部集成了放大模塊，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。與其他同級(jí)別的壓力傳感器相比，40PC015G2A的尺寸較小，滿足了將傳感器嵌入到指骨內(nèi)部的、對(duì)結(jié)構(gòu)的要求。40PC015G2A壓力傳感器及其信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。

(a)40PC015G2A壓力傳感器

(b)壓力傳感器信號(hào)調(diào)理電路圖4 40PC015G2A壓力傳感器及其信號(hào)調(diào)理電路Fig.4 40PC015G2A pressure sensor and its signal conditioning circuit

電極陣列是由4個(gè)激勵(lì)電極和14個(gè)感知電極組成的、具有一定空間分布的陣列，激勵(lì)電極和感知電極之間通過(guò)導(dǎo)電液體的阻抗進(jìn)行耦合。激勵(lì)電極用來(lái)在導(dǎo)電液體中產(chǎn)生幅值不變的交變信號(hào)。當(dāng)手指接觸物體而產(chǎn)生形變時(shí)，手指內(nèi)的導(dǎo)電液體的分布會(huì)發(fā)生變化，從而改變電極之間的阻抗，在感知電極上測(cè)量到的信號(hào)也會(huì)發(fā)生改變。因此，可利用感知電極信號(hào)的變化得到各個(gè)電極之間的阻抗變化，進(jìn)而來(lái)映射整個(gè)導(dǎo)電液體空間的形狀變化，以及傳感器受壓形變的特征，進(jìn)而提取出接觸點(diǎn)的位置、接觸物體局部受力特征以及三維力等高級(jí)特征。由于電極數(shù)目較多，手指?jìng)鞲衅鲗?duì)體積的要求較高。因此，為了使電極陣列信號(hào)調(diào)理電路小型化，運(yùn)算放大器選用了具有四通道的TLV9054器件。該器件為WQFN封裝，具有體積小的特點(diǎn)，可在低至1.8V至5.5V的電壓下運(yùn)行。另外，TLV9054器件可以在非常高的壓擺率下實(shí)現(xiàn)軌至軌的輸入和輸出，具有單位增益穩(wěn)定的特點(diǎn)，且集成了RFI濾波器和EMI濾波器。手指?jìng)鞲衅鞲兄K運(yùn)用了四片TLV9054運(yùn)算放大器，經(jīng)過(guò)調(diào)理后的電極陣列信號(hào)通過(guò)板對(duì)板連接器連接到單片機(jī)數(shù)據(jù)采集電路板。由于電極陣列要求覆蓋整個(gè)手指指腹，且指骨形狀不規(guī)則，因而可采用柔性電路板制作電極。為了確保指尖與手指的貼合，可將指尖多余部分去除，制成異形電路板。異形電路板通過(guò)FPC接口與信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)連接。柔性板電極陣列和其中一路電極信號(hào)調(diào)理電路如圖5所示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 軟件系統(tǒng)組成

手指?jìng)鞲衅鬈浖上挛粰C(jī)軟件和上位機(jī)軟件組成：下位機(jī)軟件運(yùn)行于STM32F411微控制器中，用于完成觸覺(jué)傳感信號(hào)的采集與處理功能；

(a)電極陣列柔性電路板

(b)電極信號(hào)調(diào)理電路圖5 柔性板和電極信號(hào)調(diào)理電路Fig.5 Flexible board and electrode signal conditioning circuit

上位機(jī)軟件運(yùn)行于Windows環(huán)境下，利用虛擬儀器軟件包LabWindows/CVI開(kāi)發(fā)，用于完成數(shù)據(jù)顯示、保存和分析功能；上位機(jī)與下位機(jī)之間通過(guò)USB進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。USB接口采用了Type-C接口標(biāo)準(zhǔn)，體積小巧，不存在正反插問(wèn)題，具有較高的可靠性。上位機(jī)為USB主機(jī)端，通過(guò)USB總線發(fā)布傳輸命令；下位機(jī)是USB設(shè)備端，根據(jù)上位機(jī)的請(qǐng)求，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。

3.2 下位機(jī)軟件

下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集流程如圖6所示。用定時(shí)器產(chǎn)生50kHz的激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)通過(guò)液體阻抗耦合到感知電極上，手指外皮的形變會(huì)引起感知電極上電壓幅值的變化，通過(guò)測(cè)量電壓的幅值變化即可獲得手指外皮的形變信息。內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)1MHz的A/D轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號(hào)，以此來(lái)觸發(fā)對(duì)觸覺(jué)傳感器的數(shù)據(jù)采集。將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(Direct Memory Access，DMA)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)緩存區(qū)，提取基波信號(hào)幅值，并將基波分量數(shù)據(jù)通過(guò)DMA傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，然后將緩存區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行清除，重新采集下一輪基波分量數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求時(shí)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)通過(guò)USB傳輸至上位機(jī)。通過(guò)DMA實(shí)現(xiàn)外設(shè)與存儲(chǔ)器之間或存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)須CPU干預(yù)，有效節(jié)省了CPU的計(jì)算資源。

圖6 數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.6 Data acquisition flow chart

3.3 USB傳輸

為提高數(shù)據(jù)傳輸效率，采用USB CDC類實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。CDC類是USB通信設(shè)備類(Communication Device Class)的簡(jiǎn)稱，是USB2.0標(biāo)準(zhǔn)下的一個(gè)子類，定義了通信相關(guān)設(shè)備的抽象集合。USB CDC類是在主機(jī)和通信設(shè)備之間進(jìn)行USB傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)協(xié)議，它支持多種多樣的通信設(shè)備，包括調(diào)制解調(diào)器、數(shù)字和模擬電話、終端適配器、以太網(wǎng)適配器等。CDC類的配置描述符一般包含兩個(gè)接口：一個(gè)是控制接口(Interface 0)，另外一個(gè)是數(shù)據(jù)接口(Interface 1)。使用CDC類的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要為上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)專門的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

在USB CDC類中，將許多必要的USB操作進(jìn)行了封裝，將USB設(shè)備映射為一個(gè)虛擬串口。這樣，主機(jī)端(一般是PC機(jī))便可以利用串口通信的方式與設(shè)備進(jìn)行通信。但實(shí)際上，主機(jī)端與設(shè)備端在物理層面上是通過(guò)USB總線來(lái)進(jìn)行通信的，與串口沒(méi)有關(guān)系。在這一虛擬化過(guò)程中，起決定性作用的是對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，包含如何將每一條具體的虛擬串口操作對(duì)應(yīng)到實(shí)際的USB操作上。因此，主機(jī)端與設(shè)備端的USB通信速率并不受所謂的串口波特率的影響，通信速率就是標(biāo)準(zhǔn)的USB2.0全速速度(12Mbit/s)。實(shí)際速率，取決于總線的實(shí)際使用率、驅(qū)動(dòng)訪問(wèn)USB外設(shè)有效速率以及外部環(huán)境對(duì)通信本身造成的干擾率等因素。

ST官方的Cube庫(kù)提供了USB協(xié)議棧，USB協(xié)議棧將所有USB類都抽象成了一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：USBD_ClassTypeDef。用戶通過(guò)實(shí)例化這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的USB類，并提供了一些調(diào)用接口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)USB傳輸?shù)目刂疲缭O(shè)備的枚舉、連接的建立，以及數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收等。

3.4 上位機(jī)軟件

上位機(jī)是在Labwindows/CVI編譯環(huán)境下開(kāi)發(fā)的，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的接收和實(shí)時(shí)顯示。LabWindows/CVI是為C語(yǔ)言程序員提供的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)。在此開(kāi)發(fā)環(huán)境中，可以利用C語(yǔ)言及其提供的庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)程序的設(shè)計(jì)、編輯、編譯、鏈接和調(diào)試。LabWindows/CVI具有功能強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)，可用來(lái)創(chuàng)建采集數(shù)據(jù)和控制儀器的應(yīng)用程序，可充分利用完備的軟件工具進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析和顯示。

上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)采用了多線程機(jī)制。主線程是低優(yōu)先級(jí)線程，可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、處理和存儲(chǔ)等操作。通信線程具有最高的優(yōu)先級(jí)，每10ms可啟動(dòng)下位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸功能。當(dāng)接收到啟動(dòng)傳輸命令后，下位機(jī)將把在兩次傳輸命令之間采集到的數(shù)據(jù)全部傳輸給上位機(jī)。

基于LabWindows/CVI環(huán)境，設(shè)計(jì)了易于操作的人機(jī)交互界面，以實(shí)現(xiàn)對(duì)通信的設(shè)置、連接的建立和數(shù)據(jù)的顯示與保存等功能，可以實(shí)時(shí)顯示由溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)、由壓力傳感器采集到的液體壓強(qiáng)變化和各通道電極陣列電壓的變化情況。仿生人工感知系統(tǒng)的可視化界面如圖7所示，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度、壓力和14通道電極電壓的實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)保存。

圖7 上位機(jī)可視化界面Fig.7 Visualized interface of master computer

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

仿生手指及其觸覺(jué)感知系統(tǒng)的體積較小，僅為20mm×27mm×80mm。信號(hào)采集與處理電路板只占據(jù)了很小的體積，實(shí)現(xiàn)了小型化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。仿生手指柔性皮膚的形變會(huì)引起電極之間耦合關(guān)系的變化，從而導(dǎo)致感知電極電壓的改變，因此可以通過(guò)各電極的電壓變化情況來(lái)判斷物體與仿生手指的接觸情況。

用大小不同(直徑分別為2mm、5mm和10mm)的圓柱體端部，采用相似的擠壓動(dòng)作接觸仿生位置，得到的電極陣列電壓變化曲線如圖8(a)所示。由圖8(a)可以看出，當(dāng)不同大小的物體接觸到仿生手指時(shí)，各電極電壓變化的大小存在明顯差異，因此仿生手指可以判別被接觸物體形狀的大小。

(a) 仿生手指及其感知系統(tǒng)

(a) 不同物體按壓手指

用同一物體、采用相似的擠壓動(dòng)作對(duì)仿生手指的不同部位進(jìn)行往復(fù)按壓，得到的電極陣列電壓變化曲線如圖8(b)～圖8 (e)所示。由圖8(b)～圖8 (e)可以看出，對(duì)不同部位進(jìn)行擠壓，不同感知電極電壓具有顯著的不同的變化情況。因此，從電極的變化情況可以獲悉物體與仿生手指接觸部位的情況。

(b) 指骨及柔性板

(b) 按壓手指前側(cè)

(c) 按壓手指后側(cè)

(d) 按壓手指指尖

(e) 按壓手指指腹 圖8 仿生手指感知系統(tǒng)及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Bionic finger sensing system and experimental results

5 結(jié) 論

針對(duì)機(jī)器人仿生手指觸覺(jué)傳感器進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了仿生手指的機(jī)械結(jié)構(gòu)、觸覺(jué)感知硬件電路和數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)軟件程序。通過(guò)自身裝配的傳感器，完成了環(huán)境感知任務(wù)，可實(shí)時(shí)測(cè)量溫度、壓力、三維力等信息。觸覺(jué)感知系統(tǒng)以STM32F411微處理器為核心，采用了AD590熱敏元件測(cè)量溫度，采用了40PC015G2A壓敏元件測(cè)量壓力，設(shè)計(jì)了電極陣列以測(cè)量三維力，實(shí)現(xiàn)了手指?jìng)鞲衅鞯挠|覺(jué)感知功能。針對(duì)手指?jìng)鞲衅鞯男⌒突?，硬件電路采用了雙層電路板設(shè)計(jì)，其上層主要為單片機(jī)數(shù)據(jù)采集電路，下層主要是信號(hào)調(diào)理電路，上下電路板通過(guò)板對(duì)板接口進(jìn)行連接；電極陣列和熱敏元件設(shè)計(jì)在異形柔性板上，通過(guò)FPC與信號(hào)調(diào)理電路板相連。與其他相關(guān)方案相比，該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧、數(shù)據(jù)處理和傳輸速率快，可以有效應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生和家庭服務(wù)等需要精細(xì)化操作的場(chǎng)景中。