仿人機(jī)械手觸覺傳感器的設(shè)計(jì)

李濤，謝東，吳昊，王俊豪，王克潔

(銅陵學(xué)院電氣工程學(xué)院，安徽銅陵244000)

通信作者：謝東(1968— )，男，博士，教授，xdy@tlu.edu.cn。

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，可以感知三維力的機(jī)械手成為研究熱點(diǎn)。機(jī)械手研究的一個(gè)核心問題是設(shè)計(jì)出性能良好的傳感器，以測(cè)量來(lái)自不同方向的觸覺與滑覺信號(hào)。本文選用聚偏二氟乙烯(PVDF)壓電薄膜作為傳感器的材料，構(gòu)成基于壓電效應(yīng)的傳感器。該傳感器柔軟，重量輕，頻帶寬，可無(wú)源工作。當(dāng)我們拉伸或壓縮壓電薄膜時(shí)，在薄膜的兩極表面間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電荷信號(hào)或者電壓信號(hào)，該信號(hào)正比于壓電薄膜拉伸或壓縮的形變量。如果壓電傳感器被設(shè)置成三維的空間結(jié)構(gòu)，就可感受來(lái)自不同方向上的應(yīng)力。本文以PVDF壓電薄膜為感應(yīng)材料，設(shè)計(jì)了仿人機(jī)械手的觸覺傳感器。分析與測(cè)試結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的觸覺傳感器能使仿人機(jī)械手清晰地區(qū)分出三維的觸覺和滑覺信號(hào)，從而有效地判斷出相應(yīng)的感覺信息。

1 PVDF壓電薄膜工作原理

PVDF是靈敏性高、化學(xué)穩(wěn)定性高的高分子聚合物。給PVDF壓電薄膜施加應(yīng)力使其產(chǎn)生形變時(shí)，薄膜內(nèi)部的電荷會(huì)被極化而向兩極移動(dòng)，其兩個(gè)相對(duì)表面上匯聚大小相等、符號(hào)相反的電荷，且產(chǎn)生的電荷數(shù)量與形變量成正比[1]。外力撤去后，極化電荷又恢復(fù)到初始狀態(tài)，此時(shí)PVDF壓電薄膜不帶電。另外，極化電荷的極性隨著所加外力方向的改變而改變，這時(shí)候的傳感器等同一個(gè)用壓電材料做電介質(zhì)的電容。表1是PVDF的性能參數(shù)。

表1 PVDF的性能參數(shù)

在PVDF壓電薄膜的上、下兩面鍍上電極，使其構(gòu)成換能電容。當(dāng)作用在薄膜上的應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，換能電容兩極產(chǎn)生的電荷量為

(1)

式中：Δq為單位面積上的電荷量；Δσj為應(yīng)力變化量；d3j(j=1，2，3)為各方向的壓電應(yīng)變常數(shù)。

將換能電容接到圖1中以R為輸入電阻的放大器上，其壓電效應(yīng)方程為

(2)

式中，i是換能電容的漏電流。

對(duì)于換能電容上的一點(diǎn)(x,y)，設(shè)其初始時(shí)刻電荷面密度是q(x,y,t0)，則t時(shí)刻其電荷面密度為

(3)

設(shè)PVDF壓電薄膜總面積為SP，則其電荷量為

假定PVDF壓電薄膜只受到垂直方向的作用力，且所受應(yīng)力均勻變化，則其電荷量為

Q(t)=Spd33exp [-t/(RC)]ε(t)

(5)

式中，ε(t)表示階躍函數(shù)。

式(5)表明，PVDF壓電薄膜上的電荷量按指數(shù)規(guī)律衰減，這是換能電容與放大器的泄漏造成的，可通過(guò)數(shù)據(jù)處理來(lái)補(bǔ)償。

圖1 PVDF壓電薄膜換能模型

2 三維力觸覺傳感器設(shè)計(jì)與制作

為提升機(jī)械手的性能，本文設(shè)計(jì)了一種可以感受三維力的觸覺傳感器，設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的傳感頭。圖2為本文所采用的傳感頭結(jié)構(gòu)，主要包括PVDF壓電薄膜、四棱臺(tái)及基座。

圖2 觸覺傳感器的傳感頭結(jié)構(gòu)

圖2中，將PVDF壓電薄膜粘貼在四棱臺(tái)的4個(gè)側(cè)面，可以有效獲取接觸面所受到的三維力信息。如果有外力F作用于四棱臺(tái)的接觸面，則外力F會(huì)按矢量法則分解，分別作用于四棱臺(tái)4個(gè)側(cè)面的壓電薄膜上。各側(cè)面壓電薄膜產(chǎn)生的電荷量大小正比于所受到的力。對(duì)電荷量進(jìn)行測(cè)量，即可算出各側(cè)面上F的分力大小，進(jìn)而獲得物體在三維方向上的受力信息[2]。

本文所述觸覺傳感器的總體設(shè)計(jì)思路為：由傳感頭感知的反映觸覺與滑覺的電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路預(yù)處理；再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后提供給計(jì)算機(jī)做進(jìn)一步處理，以分析判斷接觸、滑動(dòng)等動(dòng)作行為；計(jì)算機(jī)輸出的觸覺與滑覺信號(hào)可通過(guò)示波器進(jìn)行觀察。傳感器的工藝制作分為以下幾個(gè)步驟。首先，根據(jù)所要求的傳感頭大小和形狀對(duì)PVDF壓電薄膜進(jìn)行裁剪，并清除裁口留下的毛刺，這樣可防止出現(xiàn)短路。其次，通過(guò)筆式熱點(diǎn)焊法從薄膜內(nèi)表面的電極上引出導(dǎo)線，將薄膜的下表面與基座平整粘合在一起，再將四棱臺(tái)置于薄膜的上表面，注意接觸面不要凸起，避免由于接觸面所受應(yīng)力不均勻而造成測(cè)量誤差。然后，用導(dǎo)電膠對(duì)焊點(diǎn)作二次加固以防止焊點(diǎn)與薄膜電極層間接觸不良，并在焊點(diǎn)周圍用膠粘劑進(jìn)行封裝，以確保焊點(diǎn)與外界絕緣。最后，在印制線路板上制作信號(hào)調(diào)理電路，并將傳感頭、信號(hào)調(diào)理電路、計(jì)算機(jī)和示波器之間的連線接好，從而構(gòu)成一個(gè)完整的觸覺傳感器測(cè)試系統(tǒng)。觸覺傳感器需置于機(jī)械手之中，傳感頭表面尺寸設(shè)定為5 mm×5 mm，而印制線路板做成長(zhǎng)方形，尺寸為3 cm×2.2 cm，線路板上元件均為貼片封裝。

3 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

當(dāng)物體接觸到PVDF壓電薄膜或在其表面滑動(dòng)時(shí)，首先要通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換、放大與濾波，這里詳細(xì)介紹信號(hào)調(diào)理電路中電荷放大器和低通濾波器的設(shè)計(jì)方法。

3.1 電荷放大器

電荷放大器的作用是將PVDF壓電薄膜產(chǎn)生的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并放大，其電路如圖3所示。

圖3 電荷放大器

PVDF壓電薄膜受壓后，兩個(gè)相對(duì)表面的正負(fù)電荷量較少且其輸出阻抗高，導(dǎo)致很難精確地計(jì)算出其受力情況。為了彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，本文選擇運(yùn)算放大器件CA3140為核心構(gòu)成高輸入阻抗集成放大電路，將電荷信號(hào)放大為可以直接測(cè)量的電壓信號(hào)[3]。在放大器可視為開路并且開環(huán)增益非常大的情況下，輸出電壓正比于薄膜的輸出電荷，即

U1=KQ

(6)

式中，U1為集成放大電路的輸出電壓，K為開環(huán)增益，Q為PVDF的輸出電荷。

正常情況下PVDF壓電薄膜傳感器的內(nèi)阻最高可達(dá)1 TΩ，在受到動(dòng)態(tài)應(yīng)力并且頻率小于100 Hz時(shí)，傳感器的內(nèi)阻降至10 ～100 MΩ。本文選用的CA3140作為高輸入阻抗運(yùn)放器件，其反饋電容為C1=0.1 μF，反饋電阻為R1=10 MΩ，其放大倍數(shù)為2 000左右。同時(shí)，還采用標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)算放大器構(gòu)成一個(gè)電壓放大級(jí)，進(jìn)行電壓信號(hào)的進(jìn)一步放大，使電壓放大至適合于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的-5～+5 V的范圍。 通過(guò)測(cè)量放大后的電壓，可準(zhǔn)確地測(cè)出PVDF壓電薄膜的受力情況。

3.2 低通濾波電路

PVDF壓電薄膜的低頻響應(yīng)將最初微弱的電荷信號(hào)放大成較大的電壓信號(hào)，它具有一定的信噪比，會(huì)干擾信號(hào)的測(cè)量，所以在將放大后的電壓信號(hào)送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前需要進(jìn)行信號(hào)的濾波處理，盡可能將噪聲清除，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于人體的動(dòng)作頻率通常小于100 Hz，因此滿足要求的濾波器通頻帶范圍應(yīng)該為0.1～100 Hz。圖4為本文所設(shè)計(jì)的低通濾波器的電路圖，其截止頻率為66.7 Hz，截止頻率的計(jì)算公式為

(7)

4 數(shù)據(jù)處理與測(cè)試結(jié)果分析

圖4 低通濾波電路

從信號(hào)調(diào)理電路輸出的信號(hào)需做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理，以分析觸覺和滑覺信號(hào)的不同形態(tài)特征，本文采用特征值法來(lái)分析觸覺和滑覺信號(hào)。由于物體對(duì)傳感器的接觸力與PVDF壓電薄膜輸出電壓峰值具有線性關(guān)系，且響應(yīng)速度很快，故采用信號(hào)均值作為觸覺信號(hào)的特征值[4]?？紤]到PVDF壓電薄膜靜態(tài)性能較差，夾緊速度慢時(shí)適當(dāng)減小閾值，以補(bǔ)償慢速夾緊物體時(shí)傳感器輸出信號(hào)的衰減。與觸覺信號(hào)相比，滑覺信號(hào)具有持續(xù)交變性的特征，它是連續(xù)接觸和釋放信號(hào)的疊加，所以可采用信號(hào)方差作滑覺信號(hào)特征值?？紤]到物體接觸時(shí)方差與滑動(dòng)時(shí)方差差別較小，需要嚴(yán)格控制采樣周期，讓采集到的滑動(dòng)信號(hào)有一系列的峰值點(diǎn)。當(dāng)微機(jī)系統(tǒng)檢測(cè)到傳感器輸出信號(hào)有多個(gè)拐點(diǎn)且各拐點(diǎn)間差值滿足閾值要求時(shí)，可判定有滑動(dòng)產(chǎn)生。

為檢驗(yàn)本文所設(shè)計(jì)的仿人機(jī)械手觸覺傳感器的實(shí)際效果，構(gòu)建了觸覺感知系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試方法如下：將以PVDF為感應(yīng)材料的觸覺傳感器置于壓力測(cè)試平臺(tái)上，測(cè)試物體分別在傳感器表面接觸與滑動(dòng)，通過(guò)示波器觀察傳感器觸覺與滑覺信號(hào)的輸出波形。實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示。

由圖5(a)可知，傳感器觸覺信號(hào)的輸出波形是單個(gè)大幅值的脈沖信號(hào)。圖5(b)中傳感器滑覺信號(hào)的輸出波形，是一系列連續(xù)波動(dòng)的小幅值信號(hào)，與觸覺信號(hào)的輸出波形有很大區(qū)別。圖 5表明，以PVDF為感應(yīng)材料的觸覺傳感器可有效感知物體的接觸與滑動(dòng)，并能夠明顯區(qū)分觸覺信號(hào)與滑覺信號(hào)。

圖5 觸覺與滑覺實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié)論

為提高工業(yè)自動(dòng)化水平，可以應(yīng)用仿人機(jī)械手來(lái)代替人工進(jìn)行危險(xiǎn)枯燥的勞動(dòng)。本文設(shè)計(jì)了一種可感受到三維力的觸、滑覺機(jī)械手，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)，易于大量生產(chǎn)。理論分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的仿人機(jī)械手觸覺傳感器具有合理性及可行性，能有效分析與判斷觸覺和滑覺信息，可代替人工操作。