基于PVDF的三維力機器人觸覺傳感器的設計

潘 奇,萬 舟,易士琳

(昆明理工大學信息工程與自動化學院,昆明 650000)

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基于PVDF的三維力機器人觸覺傳感器的設計

潘 奇,萬 舟*,易士琳

(昆明理工大學信息工程與自動化學院,昆明 650000)

當機器手抓取時物體受力信息檢測是抓取過程順利進行的基礎,檢測三維方向上的力便可充分反映物體的受力信息。當前用于抓取過程中三維力檢測的觸覺傳感器還存在著一些不足,基于此,論文擬設計一種基于PVDF的三維力機器人觸覺傳感器。論文展示了傳感器的結構設計,建立了壓電薄膜及傳感頭結構的數學模型,設計了調理電路并對傳感器進行測試和驗證,結果表明該傳感器能有效檢測機器手抓取過程中的三維力信息。

觸覺傳感器;PVDF;三維力;壓電薄膜

現代工業(yè)自動化及智能化程度的不斷提高促進了機器人更為廣泛的應用,從而促使機器人傳感器技術的研究變得十分重要。機器人傳感器研究主要有集成化、感知功能復合化及迷你化等3個方向,而觸覺檢測就是機器人傳感器感知功能的一個重要組成部分[1-3]。觸覺傳感器的研究始于20世紀70年代,在國外,日本佐賀大學采用柔軟韌性好的壓感導電橡膠研制了檢測溫度、硬度、熱傳導性的觸覺傳感系統(tǒng)[4-6]。在國內,羅志增等采用各向異性壓阻材料CSA研究了一種高分辨力柔性陣列觸覺傳感器,但結構復雜;李鐵軍等采用柔性硅橡膠與導電橡膠研制了新型電流變流體柔順觸覺傳感器,但成本較高[7-9]。

當前所研究的觸覺傳感器按照其工作原理可劃分為以下幾類:光傳感式、壓電式、電容式、磁導式、電容效應式及壓阻效應式等等[10]。本文介紹的基于PVDF的三維力機器人觸覺傳感器,是針對現存大部分機器人觸覺傳感器對抓取過程中三維力信息檢測的不足,結合PVDF的壓電特性及相關物理參數而設計的一種能有效檢測抓取過程中物體三維方向受力信息且具有一定實用及推廣價值的機器人觸覺傳感器。與傳統(tǒng)觸覺傳感器相比,本設計所測得的三維力信息能夠充分反應物體在抓取過程中的受力情況。

1 傳感器測量原理

PVDF為聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride)的簡稱,是一種新型高分子壓電材料。根據PVDF壓電薄膜的特性,極化后的薄膜在承受了一定方向上的壓力形變后,其極化面會產生一定量的電荷,通過相關電路引出電荷并轉換成電信號,檢測電信號的改變就能測得此時壓電薄膜相關面所承受壓力形變的具體信息了[11-13]。選取一個四棱臺,在其4個側面上分別粘貼PVDF壓電薄膜。在四棱臺接觸面施加一個作用力F,粘貼在四棱臺各側面上的PVDF壓電薄膜會受到不同的壓力,也就會產生與該力成正比的電荷。因為各個薄膜所受壓力不同,各自所產生的電信號強弱也就不一樣,通過對電信號的測量,我們便可計算出力F在四棱臺各側面分力的大小,從而可以抽離出此時物體三維方向上的受力信息。

2 傳感器結構與設計方案

基于PVDF壓電薄膜的三維力機器人觸覺傳感器的設計核心部分是傳感頭,為了能有效測得接觸面的三維受力信息,根據上述對三維力測量原理的分析,本文采用圖1所示作為傳感頭結構。

由圖1可知,傳感頭主要是由基座、四棱臺以及PVDF壓電薄膜這3部分組成?；鳛橹?四棱臺各面均粘貼有PVDF壓電薄膜,四棱臺上側的接觸面則為機器手抓取時傳感器與物體的接觸部位。

圖1 傳感頭結構設計

圖2 PVDF受力情況及等效模型

3 傳感器模型及特性分析

3.1 PVDF傳感模型及特性分析

PVDF壓電薄膜的某一微單元受力情況及壓電元件坐標系的表示方法如圖2所示。

這里我們采用數字下標來表示壓電元件平面及相關受力方向,X、Y、Z3個軸向分別由1、2、3來表示,圍繞X、Y、Z3個軸向的切向作用則由4、5、6來分別表示。通常來說,X軸表示拉伸方向,這是由于PVDF壓電薄膜在其延伸方向具有較大的壓電常數;Z軸也就是垂直于膜面的方向,表示為極化方向,也是受力方向,這是由于壓電常數最大時通常處于極化方向。當傳感元件為PVDF壓電薄膜時,其壓電方程可由式(1)表示

(1)

式中:δi是電荷密度,dij是壓電系數,δj是應力,i=1～3,j=1～6。

當PVDF壓電元件的3個軸向同時承受作用力,同時對YZ,XY,XZ各平面均施加切向應力,此時我們可以用一個壓電系數矩陣來表示壓電材料的壓電特性,矩陣如下:

(2)

PVDF的壓電常數矩陣則為:

(3)

式中:dij表示j方向受力在i方向上產生電場。d24=d15,并且絕對值基本相同,可認為d24=d15=0。d33比d32大一個數量級,在一般情況下,我們可以忽略這個方向的影響。因此,我們可認為:PVDF僅在極化和延伸方向具有壓電效應,其他方向則不存在壓電效應,下面我們來分析PVDF在延伸方向的應變。

如果PVDF傳感單元上的作用力改變了,由式(2)可知,可由式(4)求出電容兩極板產生的電荷Δq。

(4)

式中:Δq表示單位面積的電荷變化量;d3j代表各方向壓電常數;Δσj則表示各方向應力的變化量。

在PVDF傳感單元上的點(x,y)上,如果0時刻時其電荷密度為(x,y,t0),t時刻的電荷密度則為δ(x,y,t):

(5)

則面積為S的PVDF單元上的電荷Q(t)為:

(6)

后續(xù)放大電路接入后,考慮到電荷泄漏,可用式(7)表示在t時刻PVDF產生的電荷總量Q(t)。

(7)

式中:Q(t0)表示0時刻電荷量;i=Q(t)RiC表示偏電流;S代表PVDF單元的面積;C是PVDF的等效電容;Ri表示后續(xù)放大電路的輸入電阻。

當只受垂直方向的應力作用時,且令σX=σY=0,Q(t0)=0,也就是只有接觸而沒有滑動時。則

(8)

式中:U(t)表示作用應力的階躍函數,τ=RiC表示應力激勵PVDF電荷響應的時間常數。施加應力與撤銷應力時響應的基本形狀分別如圖3(a)、3(b)所示。

圖3 PVDF壓電傳感器的階躍響應曲線

3.2 傳感器頭結構模型及特性分析

傳感頭部分受力分析示意圖如圖4所示。

圖4 傳感頭受力分析示意圖

由圖4(b)、4(c)可知Fx=(FC,FD),Fy=(FA,FB)。圖4(d)展示了觸覺傳感頭的剖面圖。我們將側面兩邊進行延伸,其剖面將是一個等腰直角三角形,經受力點O引出到A和B這兩個側面的垂線,那么EP與FP上面的中點正是垂足所在。從而得出FA、FB的方向,如圖4(d)所示。同理可知FC、FD方向。

圖4(c)中的受力分析我們可以看出力FA、FB、FC、FD與α、β、F之間的關系:

(9)

(10)

在外力激勵作用下,PVDF壓電薄膜產生與外力成正比的電荷量Q,經過信號調理電路處理后,將電荷量Q轉換成電壓量V。根據膜片A、B、C、D產生的的電壓值VA、VB、VC、VD便可求得FA、FB、FC、FD,通過式(9)可求出α、β、F,這樣我們就可以明確區(qū)分出x、y、z3個方向的分力。

PVDF壓電薄膜激勵產生的電壓符合公式:

V∝SF

(11)

式中:S表示壓電比例系數;F表示所受壓力大小。對式(11)兩邊分別對FX、FY、FZ求導,得到式(12)。

(12)

根據式(12)可知:①FX對膜片A和B的電壓響應沒有作用;FY對膜片C和D的電壓響應沒有作用。②膜片B對FY的電壓響應等于膜片C對FX的電壓響應。③膜片A對FY的電壓響應與膜片D對FX的電壓響應相同。④膜片A、B、C、D各個對FZ的電壓響應均相同。

上述分析表明:利用這種結構的傳感器檢測物體受力情況時,其輸出信號經過運算處理后,能辨識出物體受力時其三維方向上各分力的具體信息,這些信息對于現存大部分機器人觸覺傳感器而言,都是難以被測量的。

3.3 濾除熱覺信號

PVDF具有熱釋電效應,當受壓力作用時,其表面所產生的將是觸覺和熱覺的混合信號。觸覺信號頻率較高,響應和衰減的速度較快,熱覺信號則是緩慢變化的低頻信號。只有將混合信號中的熱覺信號濾除掉,才能更為準確的表達接觸力的信息。直接對混合信號進行區(qū)分非常困難,所以在傳感器的結構上,在水平面的兩個方向上采用對稱結構(A、B和C、D兩組),通過對稱面信號之間的減法運算,從而徹底濾除熱覺信號。

圖5 觸覺和熱覺信號特征

4 調理電路

PVDF壓電薄膜受壓后產生的電荷極其微弱以致不能直接測量,當所受力大小為10 N時,其所產生電荷量為皮庫級別。因此,必須經電荷放大裝置將電荷信號轉換成電壓信號才能進行采集。電荷放大器有兩個作用:把壓電式傳感器的高輸出阻抗變換為低阻抗輸出;放大壓電式傳感器輸出微弱信號。設計的電荷放大裝置是由運算放大器組成的二級放大裝置,其線路圖如圖6所示。

圖6 電荷放大器

第1級是一個帶電容反饋的高輸入阻抗高增益的運算放大器。對于PVDF表面,雖然靜態(tài)絕緣內阻高達1 TΩ,但在動態(tài)受力時,當頻率為10 Hz～100 Hz時,其內阻降至100 MΩ～10 MΩ。我們選用CA3140高輸入阻抗運算放大器件,反饋電容C1=0.1 μF,反饋電阻R1=10 MΩ,放大倍數可高達2 000。另一個電壓放大級實現信號的放大。電壓放大級是標準的運算放大電路,將電壓放大至數據采集系統(tǒng)易于采集的-5 V～+5 V區(qū)間。

5 測試及數據分析

5.1 傳感器動態(tài)測試分析

為了測試所設計觸覺傳感器受力時的動態(tài)響應,我們采用比較法對其動態(tài)特性進行測試。將PVDF觸覺傳感器和壓電陶瓷傳感器一同放置在壓力正弦發(fā)生器平臺上,先通過信號發(fā)生器產生正弦波激勵信號,然后利用功率放大器將信號放大后傳輸給激振器,從而激振器產生相同頻率的振動,作用到傳感器上,用示波器觀察傳感器的輸出波形。

在圖7中,上方的曲線是壓電陶瓷傳感器激勵響應輸出的波形曲線,下方的曲線則是PVDF三維力機器人觸覺傳感器激勵響應輸出的波形曲線。對圖7分析發(fā)現,兩者的信號響應頻率基本吻合的,因此,可以認為兩者性能差異不大,表明所設計的基于PVDF的三維力機器人觸覺傳感器是科學合理且具有實用價值。

圖7 波形對比圖

5.2 三維力維間解耦

一般,x、y、z方向力信號間尚有一定的藕合,主要是因為PVDF薄膜的制作及粘貼總是存在誤差,好在這種藕合往往是線性的,可通過模擬運算電路得以解耦,圖8為信號處理硬件框圖。

圖8 信號處理硬件框圖

5.3 應用測試分析

為了能夠更為真實地測量不同抓取狀態(tài)下物體所受三維力信息,依據物理力學中的相關理論,我們在進行具體實驗時,是按照夾持方向和水平面所呈角度的不同時來分別提取信息,為了便于說明,我們選取3組具有典型代表特征角度(0°,45°,90°)的夾持力的實驗數據來進行三維力分析。通過MATLAB軟件進行模擬仿真可得觸覺響應曲線如圖9～圖11所示。

圖9 夾持方向和水平面呈0°時

圖11 夾持方向和水平面呈90°時

上述觸覺響應曲線表明,夾持方向改變,也就是機器人按不同角度抓取同一物體時,傳感器各接觸面所受分力大小發(fā)生改變,從而表明所測得的傳感器與物體接觸面所受三維力情況是隨接觸面受力情況的改變而實時變化的。由此表明,本設計能夠有效測出機器人與物體接觸時物體所受三維力的信息,且具有較高的靈敏度。

6 結束語

本文設計了一種基于PVDF壓電薄膜的機器人觸覺傳感器。通過分析所得仿真結果可以看出,本設計中的傳感器在有效檢測傳感器與物體接觸時物體所受三維力信息上具有合理性和可行性。相比較于傳統(tǒng)的機器人觸覺傳感器,本設計中的傳感器在靈敏度、結構以及成本上具有一定的優(yōu)勢,且具有一定的實用性及推廣價值。

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Design of Three-Dimensional Force Tactile Sensor for Robot Based on PVDF

PANQi,WANZhou*,YIShilin

(School of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650000,China)

Detecting the force information of an object matters if a robot hand may smoothly grasp the object or not,and the force information may be fully reflected from the three-dimensional direction force. There are still some defects in current tactile sensors for detecting three-dimensional force during grasping. Thus,an attempt was made to design a PVDF-based tactile sensors for three-dimensional force in this paper. The structural design of the sensor was presented,and a signal conditioning circuit was designed. Meanwhile,mathematical model were established for the piezoelectric film and the structure of the sensor head. Besides,the sensor was tested and validated and the results shows that the sensor was effective for detecting three-dimensional force in the process of grasping an object with a robot hand.

tactile sensor;PVDF;three-dimensional force;piezoelectric film

潘 奇(1989-),男,湖北黃岡人,碩士研究生。現于昆明理工大學信息工程與自動化學院控制工程專業(yè)攻讀碩士學位,主要研究方向為新型傳感器技術,326122371@qq.com;

萬 舟(1960-),男,副教授,碩士生導師。主要研究方向為有機材料PVDF力學傳感器研究,特殊傳感器的研究,生產過程自動化系統(tǒng)研究。

2014-12-14 修改日期:2015-02-16

C:0220;0590;1230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.05.007

TP216.1

A

1004-1699(2015)05-0648-06