三維柔性觸覺/熱覺傳感器設(shè)計(jì)與仿真

謝 娜，秦 嵐

(重慶大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶400044)

0 引 言

觸覺在機(jī)器人感覺系統(tǒng)中占有非常重要的地位，它具有視覺無法實(shí)現(xiàn)的功能。視覺借助光的作用完成，當(dāng)光照受限制時，緊靠觸覺也能完成識別功能。更為重要的是，觸覺還能感知物體的表面特征和物理性能，如柔軟性、硬度、彈性、粗糙度、材質(zhì)等，因此，觸覺傳感器是機(jī)器人感覺系統(tǒng)中最重要的研究課題之一。

目前的觸覺傳感器主要有壓阻式、電容式、光纖式、磁敏式和壓電式。壓阻式陣列觸覺傳感器［1，2］的體積較大，信號采集電路復(fù)雜，不易集成，并且力敏電阻器漏電流不穩(wěn)定，易老化。電容式［3，4］觸覺傳感器的電容值隨傳感器單元物理尺寸的增加而增加，漂移信號影響傳感器輸出。光纖式傳感器［5］在兩向力以上共同作用時，很難保持好的線性關(guān)系，傳感器的標(biāo)定存在難度，精度難以提高。磁敏Z 元件［6］構(gòu)成的觸覺傳感器，各個觸覺傳感點(diǎn)上較難做到一致性，磁鐵的磁場分布不均勻，分辨率也很難提高，后續(xù)的電路處理也較麻煩。目前，壓電式［7～10］應(yīng)用最廣，也能同時檢測觸覺和滑覺信號，但觸覺信號和滑覺信號的分離存在一定困難。

本文提出了基于聚偏氟乙烯(PVDF)的觸覺/熱覺傳感器，該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、柔韌性好、體積小、易集成等特點(diǎn)，適合嫁接于智能機(jī)器人系統(tǒng)。針對PVDF 具有壓電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)的雙重敏感特性，在傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用分離的兩個物理檢測空間:觸覺檢測區(qū)和觸覺、熱覺檢測區(qū)，很好地解決了用PVDF 做敏感材料易發(fā)生的觸覺和熱覺信號的混淆問題。

1 觸覺檢測

PVDF 薄膜是一種壓電高聚合物材料，具有耐磨、量輕、靈敏度高、聲學(xué)阻抗低、容易固定在復(fù)雜的表面、頻帶寬等特點(diǎn)。傳感器結(jié)構(gòu)及其受力如圖1 所示。

由傳感器結(jié)構(gòu)的對稱性可得:當(dāng)沿X 方向施加載荷時，PVDF-A(或是PVDF-B)壓電薄膜的一端被拉伸，另一端被壓縮，由PVDF 薄膜的壓電特性，在薄膜拉伸端和壓縮端產(chǎn)生電荷量近似相等、符號相反的電荷，從而使得薄膜兩側(cè)的響應(yīng)電荷相互抵消，整片薄膜對外顯示電荷幾乎為零，其兩側(cè)的電勢也為零。在外力的作用下，PVDF 薄膜兩側(cè)產(chǎn)生的電荷與施加的載荷呈正比，進(jìn)而可認(rèn)為FAX和FBX為零，即X 方向的受力時，其對A，B 面上的電壓響應(yīng)無影響;同理可得Y 方向的受力對C，D 面上的電壓響應(yīng)無影響，F(xiàn)CY，F(xiàn)DY的值為零;X 方向的受力對C 片和D 片的電壓響應(yīng)值大小相等，符號相反;Y 方向的受力對A 片和B 片的電壓響應(yīng)值大小相等，符號相反;Z 方向的受力對A，B，C，D 各片上的電壓響應(yīng)相同，即可得到如下式子

圖1 觸覺傳感器結(jié)構(gòu)及其受力分析Fig 1 Structure of tactile sensor and stress analysis

式中 FA，F(xiàn)B，F(xiàn)C，F(xiàn)D分別代表PVDF 薄膜A，B，C，D 所受的三維力，F(xiàn)AX，F(xiàn)BX，F(xiàn)CX，F(xiàn)DX分別代表A，B，C，D 薄膜X 方向的受力，F(xiàn)AY，F(xiàn)BY，F(xiàn)CY，F(xiàn)DY分別代表A，B，C，D 薄膜Y 方向的受力，F(xiàn)AZ，F(xiàn)BZ，F(xiàn)CZ，F(xiàn)DZ分別代表A，B，C，D 薄膜Z 方向的受力，從而

式中 μX，μY，μZ分別為力沿X，Y，Z 方向力的傳遞因素，可通過實(shí)驗(yàn)測出。通過力的合成可得

PVDF 薄膜的響應(yīng)電壓與施加的外力呈正比從而通過A，B，C，D，F(xiàn) 膜上的電壓值即可求出FA，F(xiàn)B，F(xiàn)C，F(xiàn)D，F(xiàn)F，進(jìn)而可以求出未知量φ，F(xiàn)，θ，即實(shí)現(xiàn)三維力的檢測功能。

2 熱覺檢測

PVDF 不僅具有壓電性，還具有強(qiáng)熱釋電效應(yīng)。觸/熱覺傳感器的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2 所示。

圖2 觸/熱覺傳感器的結(jié)構(gòu)剖面圖Fig 2 Structure profile of tactile/thermal sensor

傳感器表面是一層柔軟的帶有圓錐體小齒的橡膠包封，敏感層為上、下、側(cè)面PVDF 層。柔軟的硅橡膠營造三個測試空間，即上層觸覺/熱覺測試，側(cè)面三維力測試與下層PVDF 觸壓信號的檢測。此種結(jié)構(gòu)使觸覺信號基本不受傳感器接觸物體后熱傳導(dǎo)的影響。

當(dāng)傳感器接觸目標(biāo)物體后，由于傳感器表面溫度高于/低于物體溫度，發(fā)生熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，傳感器表面溫度下降/上升，即上層PVDF 有觸壓、熱混合信號輸出。由于物體僅與傳感器的上表面接觸，又有隔熱層(硅橡膠)的保護(hù)，熱信號作用對下層和側(cè)面PVDF 幾乎無影響，即下層和側(cè)面PVDF 只有觸壓信號。下層PVDF 信號和上層PVDF 信號綜合處理后可徹底區(qū)分熱覺和觸覺信號。

3 信號特征和提取

一般的觸壓信號響應(yīng)和衰減較快(頻率高)，熱覺信號為緩變的低頻信號。當(dāng)傳感器表面觸壓目標(biāo)物時，上層PVDF 產(chǎn)生觸覺和熱覺混合信號FE，下層PVDF 產(chǎn)生單一的觸覺信號FF，其幅值略小于上層PVDF 的信號。如圖3所示。將兩個信號間做比例減法運(yùn)算，從而徹底區(qū)分觸覺和熱覺信號。

4 仿真結(jié)果分析

Ansys 通用后處理器(POST1)和時間歷程后處理器(POST26)具有豐富的后處理功能，可以通過很多方式進(jìn)行分析:從簡單的圖形顯示和列表，到復(fù)雜的數(shù)據(jù)操作等。通過實(shí)驗(yàn)可得如下數(shù)據(jù):

1)X 軸施加-10～10 N 力時各壓電薄膜的電壓響應(yīng)如圖4 所示。

圖3 傳感器的響應(yīng)信號特征Fig 3 Characteristics of response signal of sensor

圖4 X 軸施加－10～10 N 力時各壓電薄膜的電壓響應(yīng)Fig 4 Voltage response of each piezoelectric film force while X axis is applied －10～10 N

從圖可以看出，F(xiàn)X對A，B，E，F(xiàn) 面上的電壓幾乎無影響，從而通過檢測C，D 薄膜的響應(yīng)電壓值即可求出力FX，與公式(1)和式(2)的推導(dǎo)相吻合。

2)Y 軸施加-10～10 N 力時各壓電薄膜的電壓響應(yīng)如圖5 所示。

圖5 Y 軸施加－10～10 N 力時各壓電薄膜的電壓響應(yīng)Fig 5 Voltage response of each piezoelectric film force while Y axis is applied －10～10 N

從圖可以看出:Fy對C，D，E，F(xiàn) 面上的電壓幾乎無影響，通過檢測A，B 電壓即可求得力Fy，滿足公式(1)和式(3)的推導(dǎo)。

3)Z 軸施加-10～10 N 時各壓電薄膜的電壓響應(yīng)如圖6所示。

圖6(a)是沿Z 軸施加-10～10 N 時，薄膜A，B，C，D各壓電薄膜的電壓響應(yīng)，可以看出Fz對A，B，C，D 面上的電壓影響幾乎相同;圖6(b)是PVDF 薄膜E，F(xiàn) 沿Z 軸施加-10～10 N 時各壓電薄膜的電壓響應(yīng)，F(xiàn)z對E，F(xiàn) 面上的電壓影響相同，通過檢測F 電壓即可求得力Fz，與公式(1)推導(dǎo)吻合。

研究的對象為半徑為2 mm，厚度為100 μm 的PVDF 薄膜圓盤，此薄膜的電容C=10 pF，選用的PVDF 薄膜的熱釋電系數(shù)為4 μC/cm2·K，其等效賽貝克系數(shù)為5 V/K，即當(dāng)溫度變化1 ℃時，PVDF 薄膜兩側(cè)將會產(chǎn)生5 V 的電壓。

圖6 Z 軸施加－10～10 N 時各壓電薄膜的電壓響應(yīng)Fig 6 Voltage response of each piezoelectric film force while Z axis is applied －10～10 N

當(dāng)溫度變化1 ℃時，觸覺/熱覺傳感器的電勢如圖7 所示。從圖中可以看出，只有PVDF 薄膜E 有電壓產(chǎn)生，當(dāng)其它的PVDF 薄膜溫度未發(fā)生變化時，不會因熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生電壓響應(yīng)，可以利用PVDF 薄膜E，F(xiàn) 的兩個信號間做比例減法運(yùn)算，徹底地區(qū)分觸覺和熱覺信號。利用熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生的電壓信號，從而可以求解與觸覺/熱覺傳感器接觸的目標(biāo)物體的熱覺信息。

圖7 溫度變化1 ℃時傳感器的電勢圖Fig 7 Potential diagram of sensor while 1 ℃change in temperature

5 結(jié) 論

通過仿真結(jié)果的分析可以看出:數(shù)據(jù)的分布與推導(dǎo)的公式具有較好的一致性，說明所設(shè)計(jì)的三維力觸覺/熱覺傳感器具有可行性，對機(jī)器人觸覺傳感器的研究具有一定的推動作用。

［1］ Noda K，Hoshino K，Matsumoto K，et al.A shear stress sensor for tactile sensing with the piezore-sistive cantilever standing in elastic material［J］.Sensors and Actuators A:Physical，2006，127:295-301.

［2］ Wisitsoraat A，Patthanasetakul V，Lomas T，et al.Low cost thin film based piezoresistive MEMS tactile sensor［J］.Sensors and Actuators A，2007，139:17-22.

［3］ 沈國偉.電容式觸覺陣列傳感器原理與設(shè)計(jì)［J］.傳感器世界，2007(3):13-15.

［4］ Schmidt P A，Mael E，Wurtz R P.A sensor for dynamic tactile information with applications in human-robot interaction and object exploration［J］.Robotics and Autonomous Systems，2006，54:1005-1014.

［5］ Heo J S，Chung J H，Lee J J.Tactile sensor arrays using fiber Bragg grating sensors［J］.Sensors and Actuators A，2006，126:312-327.

［6］ 王福君，劉 莉.基于磁敏Z 元件觸覺傳感器的研制［J］.電測與儀表，2000，37(3):37-38.

［7］ 姜明文，王人成，羅志增，等.具有觸滑覺功能的肌電假手［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，44(8):1051-1053.

［8］ Wen C C，F(xiàn)ang Weileun.Tuning the sensing range-land sensitivity of three-axis tactile sensors using the polymer composite membrane［J］.Sensors and Actuators A，2008，145:14-22.

［9］ 趙東斌，張文增，都 東，等.機(jī)器人用PVDF 觸覺傳感器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀［J］.壓電與聲光，2001，23(6):428-432.

［10］潘英俊，劉嘉敏，喬生仁.新型三維力覺傳感器的設(shè)計(jì)與分析［J］.壓電與聲光，2001，23(5):349-350.