基于機(jī)器學(xué)習(xí)的柔性觸覺傳感器設(shè)計(jì)*

郝志良,馬 剛,董 帥,王彩萍,王曉杰,*

(1.重慶郵電大學(xué)汽車電子與嵌入式系統(tǒng)工程研究中心,重慶 400065; 2.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院先進(jìn)制造技術(shù)研究所,江蘇 常州 213164)

柔性傳感器是一種用于感知表面作用力分布的柔性器件,因其優(yōu)良的柔軟性與伸展性,適用于貼附各種不規(guī)則表面,在機(jī)器人皮膚、可穿戴設(shè)備、醫(yī)療檢測(cè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景[1-3]。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展,應(yīng)用于機(jī)器人皮膚的柔性觸覺傳感器引起了人們的廣泛關(guān)注,其中陣列式柔性觸覺傳感器應(yīng)用最為廣泛[4-5]。Chang等人[6]采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)將有機(jī)電阻印制在聚酰亞胺襯底上,成功研發(fā)了一種用于多點(diǎn)觸摸檢測(cè)的柔性傳感器。由于設(shè)計(jì)了具有凸起結(jié)構(gòu)的頂膜,該傳感器具有較大的撓度和快速靈敏的響應(yīng)特性。Tee等人[7]利用壓敏薄片和印刷環(huán)形振蕩器制備一種可以將壓力直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的機(jī)械感受器,這種感受器可以集成在大面積柔性基體上,其靈敏程度與人類皮膚可以相媲美。為了使柔性觸覺傳感器表現(xiàn)出良好的柔韌性和延展性,研究者們通常需要將傳感器單元集成后嵌入到柔性基體中,這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)電路的集成設(shè)計(jì)及傳感器的制作工藝帶來(lái)很大挑戰(zhàn),并且大型陣列式柔性觸覺傳感器內(nèi)部的導(dǎo)線的分布不僅會(huì)造成電磁噪音,也會(huì)降低傳感器的柔性和可伸展性,限制了陣列式柔性觸覺傳感器的功能和使用范圍。

近年來(lái),也有很多研究者嘗試使用新型柔性納米材料來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬和半導(dǎo)體敏感器件。碳納米管是一種一維納米材料,由于碳原子之間采用sp2軌道雜化,電學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,即使在彎曲和拉伸狀態(tài)下,碳納米管也能保持其原本的電學(xué)性質(zhì),特別適合用于柔性電子器件中,因此,基于碳納米管的柔性電子器件成為柔性傳感器一個(gè)重要發(fā)展方向[8]。Dinh等人[9]以可回收的打印紙作為基底,以輕質(zhì)柔軟并具有較高強(qiáng)度的碳納米管紗線作為敏感器件,設(shè)計(jì)了一種非侵入式熱流量傳感器,能舒適地貼附于人體皮膚并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體呼吸,可用于臨床醫(yī)療和個(gè)人保健。Guo等人[10]基于具有宏觀網(wǎng)格和微觀蛛網(wǎng)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的碳納米管網(wǎng)格,設(shè)計(jì)了一種可拉伸可壓縮的應(yīng)變傳感器:拉伸傳感器用于弱刺激(脈沖刺激)和大運(yùn)動(dòng)檢測(cè),壓縮傳感器用于檢測(cè)步行或跑步運(yùn)動(dòng)引起的大應(yīng)變。Nela等人[11]在聚酰亞胺襯底上制備一個(gè)16×16的碳納米管薄膜晶體管矩形網(wǎng)絡(luò),設(shè)計(jì)了一種高度靈活且可拉伸的柔性壓力傳感器,在平面或曲面均能夠高精度地感知復(fù)雜對(duì)象。目前,眾多學(xué)者主要研究將柔性納米材料應(yīng)用于傳感器陣列,針對(duì)大面積柔性納米材料傳感器的相關(guān)研究較少。

本文在課題組前期對(duì)基于電阻抗成像算法的柔性傳感器的研究基礎(chǔ)上[12],以碳納米管為敏感材料,以聚氨酯為基底制備了大面積的柔性導(dǎo)電材料,研制了一套可以采集任意邊界電極之間的阻抗信號(hào)的硬件設(shè)備,并設(shè)計(jì)一種檢測(cè)觸覺位置的機(jī)器學(xué)習(xí)算法,最終實(shí)現(xiàn)柔性傳感器的觸覺位置檢測(cè)功能。

1 樣品制備與性能分析

1.1 樣品制備

制備碳納米管/聚氨酯電復(fù)合材料所需的原料包括:多壁碳納米管(北京德科島金科技有限公司提供,長(zhǎng)度10 nm～20 nm,管徑>50 nm,純度>98%)、聚氨酯泡沫、二甲基硅油(美國(guó)道康寧公司提供,型號(hào)500cc)、正己烷(江蘇強(qiáng)盛功能化學(xué)股份有限公司)、聚二甲基硅氧烷(PDMS,道康寧Sylgard 184)等。樣品具體制備流程如圖1所示。

圖1 樣品制備流程

在樣品制備時(shí),首先根據(jù)理論計(jì)算不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳納米管/聚氨酯導(dǎo)電復(fù)合材料中需要多壁碳納米管的質(zhì)量,采用高精度電子稱稱取,并倒入燒杯中。將多壁碳納米管與正己烷混合,并超聲分散1 h,使多壁碳納米管均勻分散于正己烷溶液中。然后將聚氨酯泡沫置于多壁碳納米管/正己烷混合液中,充分?jǐn)嚢?使聚氨酯基體完全吸附多壁碳納米管。接下來(lái)將混合材料放入鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行干燥,在50 ℃條件下,干燥3 h。最后在聚氨酯基體外層用軟刷涂一層聚二甲基硅氧烷作為保護(hù)膜,以增加材料穩(wěn)定性和提高傳感器使用壽命。

1.2 性能測(cè)試

碳納米管在聚氨酯基體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù),對(duì)柔性材料的導(dǎo)電特性、壓阻特性、機(jī)械性能有很大的影響,也是決定能否作為傳感器本體的關(guān)鍵性因素。在樣品制備過程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)碳納米管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比超過50%時(shí),碳納米管并不能完全有效填充入聚氨酯基體,因此本實(shí)驗(yàn)主要研究質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%,30,%,40%,50%的碳納米管/聚氨酯樣品的壓阻特性。采用如圖2所示的壓阻特性測(cè)試裝置進(jìn)行電阻變化-應(yīng)變測(cè)試。

圖2 壓阻特性測(cè)量裝置

測(cè)試過程中,將碳納米管/聚氨酯導(dǎo)電復(fù)合材料放在支架上(測(cè)試過程按質(zhì)量百分比從小到大的順序),緩慢移動(dòng)微位移移動(dòng)滑軌平臺(tái)使其緩慢下降,當(dāng)將要接觸材料表面時(shí),短暫停頓,觀看數(shù)字測(cè)力計(jì)的讀數(shù)是否為零,若否則進(jìn)行清零,反之繼續(xù)移動(dòng)微位移移動(dòng)滑軌平臺(tái)對(duì)碳納米管/聚氨酯導(dǎo)電復(fù)合材料施加正壓力,分別記錄柔性材料發(fā)生不同程度的形變時(shí)測(cè)試儀的顯示電阻值,材料形變范圍為0%～90%。

制備不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳納米管/聚氨酯導(dǎo)電復(fù)合材料樣品,樣品長(zhǎng)度為6.0 cm,寬度為2.8 cm,厚度為0.5 cm。每種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳納米管/聚氨酯導(dǎo)電復(fù)合材料分批次制備五組,分別進(jìn)行測(cè)試,并對(duì)測(cè)試結(jié)果作均值處理。根據(jù)測(cè)試結(jié)果,繪制了的電阻變化率-應(yīng)變曲線,如圖3所示。

圖3 電阻變化率-應(yīng)變曲線

結(jié)果表明:碳納米管/聚氨酯導(dǎo)電復(fù)合材料的阻值相對(duì)變化隨形變的增大而增大,在應(yīng)變達(dá)到80%時(shí),阻值相對(duì)變化明顯。并且質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%的碳納米管/聚氨酯導(dǎo)電復(fù)合材料阻值相對(duì)變化最大,敏感性較好,因此本文選擇質(zhì)量分為40%的碳納米管/聚氨酯導(dǎo)電復(fù)合材料作為柔性觸覺傳感器本體。

2 柔性觸覺傳感器設(shè)計(jì)

本文提出的柔性觸覺傳感器結(jié)構(gòu)如圖4所示,主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和位置檢測(cè)兩部分。其中,位置檢測(cè)采用機(jī)器學(xué)習(xí)分類算法,先用采集的數(shù)據(jù)集進(jìn)行分類訓(xùn)練得到訓(xùn)練模型,然后利用該模型和當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)出壓力位置信息。

圖4 柔性觸覺傳感器模型

2.1 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的位置檢測(cè)原理

機(jī)器學(xué)習(xí)位置檢測(cè)包括樣本采集和模型訓(xùn)練兩個(gè)部分,將位置檢測(cè)任務(wù)簡(jiǎn)化成多分類問題,在位置檢測(cè)區(qū)域劃分網(wǎng)格并設(shè)定序號(hào)生成位置標(biāo)簽,通過在樣本集上訓(xùn)練得到的分類模型來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前采集數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的位置標(biāo)簽,實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)。

樣本采集時(shí),需要先確定壓力位置和數(shù)據(jù)特征,然后在每個(gè)位置進(jìn)行采樣得到數(shù)據(jù)集。本文采用8個(gè)電極對(duì)柔性材料進(jìn)行阻抗測(cè)量,當(dāng)固定壓力位置后,采集每?jī)蓚€(gè)電極之間的阻抗數(shù)據(jù),一共可以得到28個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù),將其作為模型的特征,28個(gè)阻抗測(cè)量方式如圖5(a)所示。實(shí)驗(yàn)中將柔性材料均等劃分成16個(gè)網(wǎng)格,如圖5(b)所示,在每個(gè)網(wǎng)格中放置物體后,依次采集28個(gè)阻抗數(shù)據(jù),生成一個(gè)樣本。遍歷所有網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,每個(gè)網(wǎng)格采集500次,得到8 000個(gè)帶標(biāo)簽的樣本組成的數(shù)據(jù)集。

圖5 阻抗測(cè)量方式與網(wǎng)格劃分

完成數(shù)據(jù)采集后,需要選擇機(jī)器學(xué)習(xí)分類算法進(jìn)行模型訓(xùn)練。常用的機(jī)器學(xué)習(xí)分類算法有K近鄰算法(KNN)、支持向量機(jī)(SVM)、決策樹(DT)、樸素貝葉斯(NB)、隨機(jī)森林(RF)等。與其他分類算法相比,SVM算法在分類問題上有一定優(yōu)勢(shì),SVM分類器僅由支持向量決定,與訓(xùn)練集樣本數(shù)量無(wú)關(guān),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,有較好的魯棒性;SVM在求解最優(yōu)超平面時(shí)通過拉格朗日優(yōu)化方法轉(zhuǎn)化成二次規(guī)劃問題,得到全局最優(yōu)解,能保證分類器具有較高的分類準(zhǔn)確率;SVM是建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的VC維理論和結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小原理基礎(chǔ)上的,根據(jù)有限的樣本信息在模型的復(fù)雜性和學(xué)習(xí)能力之間尋求最佳折中,具有較好的推廣能力[13]。為進(jìn)一步驗(yàn)證各算法的訓(xùn)練效果,本文先將數(shù)據(jù)集按7∶3的比例劃分成訓(xùn)練集和測(cè)試集,使用以上機(jī)器學(xué)習(xí)分類算法分別對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練,并在測(cè)試集驗(yàn)證以上算法訓(xùn)練的模型預(yù)測(cè)結(jié)果,分類準(zhǔn)確率如圖6所示。結(jié)果表明,SVM算法的分類準(zhǔn)確率最高,因此本文選擇SVM算法進(jìn)行位置檢測(cè)。

圖6 分類算法準(zhǔn)確率

2.2 柔性觸覺傳感器硬件設(shè)計(jì)

柔性觸覺傳感硬件采用模塊化設(shè)計(jì)方法,主要包括阻抗測(cè)量模塊、控制模塊、多路開關(guān)模塊、無(wú)線傳輸模塊。其中,控制模塊通過多路開關(guān)選通不同電極,并接收阻抗測(cè)量模塊的數(shù)據(jù),然后通過無(wú)線傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

本文選用意法半導(dǎo)體公司高性能、低成本、低功耗的STM32F103作為控制器,其內(nèi)部資源豐富,可有效提高開發(fā)效率。多路開關(guān)選用兩片單端8通道多路模擬開關(guān)芯片CD4051,兩片多路開關(guān)的8路通道同時(shí)連接柔性材料的8個(gè)電極,并分別通過3個(gè)控制端實(shí)現(xiàn)不同通道的選通,以實(shí)現(xiàn)不同電極之間的阻抗測(cè)量。阻抗測(cè)量模塊選用高精度阻抗測(cè)量芯片AD5933,其片上集成頻率發(fā)生器與12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。AD5933芯片的工作原理是用頻率發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)來(lái)激勵(lì)外部阻抗,外部阻抗的響應(yīng)信號(hào)由片上進(jìn)行采樣,然后有片上數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP)進(jìn)行離散傅里葉變換(DFT)處理,并通過IIC通訊方式將測(cè)得的阻抗信息傳輸給控制模塊。無(wú)線傳輸選用高性能的主從一體藍(lán)牙串口模塊HC-05,兼容5V或3.3V電壓,空曠地有效通信距離10m,極大的拓展了柔性觸覺傳感器的使用范圍。硬件實(shí)物如圖7所示。

圖7 硬件實(shí)物圖

2.3 柔性觸覺傳感器軟件設(shè)計(jì)

柔性觸覺傳感軟件系統(tǒng)主要包括下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機(jī)的位置檢測(cè)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)和阻抗測(cè)量模塊的初始化,控制不同電極的選通并將測(cè)量數(shù)據(jù)通過無(wú)線模塊發(fā)送到上位機(jī),具體流程如圖8所示。上位機(jī)主要是通過串口接收下位機(jī)發(fā)送的新數(shù)據(jù),解析數(shù)據(jù)后,調(diào)用機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練的模型,識(shí)別出物體位置,并在可視化界面顯示。

圖8 上位機(jī)流程圖

圖9 柔性觸覺傳感器測(cè)試結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證柔性觸覺傳感器的檢測(cè)性能,本文制備了尺寸為10 cm×10 cm×0.5 cm、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的碳納米管/聚氨酯柔性壓敏材料,并將柔性材料均等劃分成16個(gè)網(wǎng)格,每個(gè)網(wǎng)格邊長(zhǎng)2.5 cm,即該柔性傳感器的空間分辨率為2.5 cm。按照2.1小節(jié)中所述方法生成數(shù)據(jù)集后,訓(xùn)練SVM分類模型。為了模擬壓力加載過程,本文在底面半徑1 cm,高4 cm的輕質(zhì)圓柱體頂部放置500 g砝碼,將其隨機(jī)放置在柔性壓敏材料表面劃分的網(wǎng)格內(nèi),并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行編號(hào)1～16,進(jìn)行位置檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。本文在每個(gè)網(wǎng)格測(cè)試30次,共得到480個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù),將模型測(cè)試結(jié)果繪制成誤差矩陣,如圖9所示。

由誤差矩陣可知,本文設(shè)計(jì)的基于碳納米管/聚氨酯柔性觸覺傳感器可有效檢測(cè)壓力位置,準(zhǔn)確率達(dá)到83.63%。雖然較傳統(tǒng)陣列式傳感器偏低,但是對(duì)于初期探索實(shí)驗(yàn)而言,83.63%的準(zhǔn)確率可以接受。柔性觸覺傳感器產(chǎn)生檢測(cè)誤差的主要原因是柔性壓敏材料的阻抗變化較小,導(dǎo)致邊界電壓變化小,另外,訓(xùn)練樣本較少以及數(shù)據(jù)采集硬件電路精度不高也是誤差產(chǎn)生的原因之一。

4 結(jié)論

①本文提出一種新型碳納米管/聚氨酯導(dǎo)電復(fù)合材料,通過4種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳納米管/聚氨酯導(dǎo)電復(fù)合材料的壓阻測(cè)試,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的碳納米管/聚氨酯導(dǎo)電復(fù)合材料阻值相對(duì)變化較明顯,敏感性較好。

②設(shè)計(jì)了柔性觸覺傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),并應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)分類算法成功實(shí)現(xiàn)壓力位置檢測(cè),空間分辨率達(dá)到2.5cm,準(zhǔn)確率達(dá)到83.63%。同時(shí),驗(yàn)證了本文采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%的碳納米管/聚氨酯導(dǎo)電復(fù)合材料作為柔性觸覺傳感器本體的可行性,為柔性觸覺技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的方案與技術(shù)支持。