具有壓力和位置檢測(cè)功能的氣囊型觸覺(jué)傳感器

王 頂 吳德宇 楊達(dá)亮 陳立挺 葉錦華 吳海彬

福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福州，350116

0 引言

觸覺(jué)傳感器是具有可感知接觸位置、壓力、紋理等功能的柔性電子器件[1],被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人仿生皮膚、人工假肢、康復(fù)醫(yī)療等領(lǐng)域，是人機(jī)交互過(guò)程必不可少的工具，在人機(jī)協(xié)作中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[2]。

觸覺(jué)傳感器按照結(jié)構(gòu)形式可以分為陣列式結(jié)構(gòu)和非陣列式結(jié)構(gòu)。隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展和納米新材料的涌現(xiàn)，陣列式觸覺(jué)傳感器正在向著高密集度、高靈敏度方向發(fā)展，在檢測(cè)原理上主要分為壓阻式[3]、壓電式[4]、電容式[5]等觸覺(jué)傳感器。近年來(lái)，陣列式觸覺(jué)傳感器的研究已經(jīng)取得豐碩成果。周建輝等[6]通過(guò)制備AgNWS/PDMS導(dǎo)電復(fù)合材料，以壓阻橡膠作為敏感材料制作了高柔彈性觸覺(jué)傳感器，實(shí)現(xiàn)了接觸力及其分布的檢測(cè)；SONG等[7]以PVDF薄膜為敏感元件，研制了一種高精度、高速響應(yīng)的織物表面紋理傳感器，并通過(guò)徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同織物進(jìn)行分類(lèi)；LIU等[8]以PDMS材料制作了2×2的電容陣列觸覺(jué)傳感單元，該觸覺(jué)傳感器在不同受力方向均具有較高的靈敏度，可用于三維力的檢測(cè)。陣列式觸覺(jué)傳感器也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、相鄰檢測(cè)單元存在檢測(cè)盲區(qū)等問(wèn)題，特別是在大面積使用時(shí)需要數(shù)量龐大的陣列單元，使得信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性難以保證，這些缺陷限制了陣列式觸覺(jué)傳感器在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用。

相較于陣列式觸覺(jué)傳感器，非陣列式觸覺(jué)傳感器的相關(guān)研究和取得的成果相對(duì)較少。AVERY等[9]基于電阻抗成像技術(shù)應(yīng)用鹽水從腔室排出產(chǎn)生的阻抗變化可以將接觸目標(biāo)的質(zhì)心定位在2.3～4.6 mm以?xún)?nèi)，并能推斷接觸目標(biāo)的大小和硬度，但是該傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且對(duì)圖像重建算法和硬件數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)要求較高。ZHANG等[10]設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)電織物，利用其導(dǎo)電表面的“自均勻”特性以多孔聚氨酯泡沫作為觸摸開(kāi)關(guān)，制作了一款可實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)的觸覺(jué)觸感器，該觸感器利用織物的柔彈性可以貼敷于形貌相對(duì)復(fù)雜的曲面上。WU等[11]利用導(dǎo)電纖維的均勻?qū)щ娦耘c差動(dòng)電容電橋法，制作了一種兼具位置檢測(cè)和壓力反饋的觸覺(jué)傳感器，由于傳感器層數(shù)較多，該觸覺(jué)傳感器僅適用于平面檢測(cè)。PAN 等[12]基于電阻分壓原理制作了一種可檢測(cè)碰撞位置的觸覺(jué)傳感器，具有較好的實(shí)用性。非陣列式觸覺(jué)傳感器通常具有電極數(shù)量少、傳感器內(nèi)部無(wú)需復(fù)雜引線、檢測(cè)區(qū)域內(nèi)無(wú)盲區(qū)等優(yōu)勢(shì)。另外，現(xiàn)有的觸覺(jué)傳感器，不論是陣列式還是非陣列式，都需要事先制備好樣品，然后貼敷在機(jī)器人表面，對(duì)于復(fù)雜不規(guī)則曲表面，傳感器的無(wú)縫、無(wú)褶貼合是非常困難的。

本文提出一種可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)接觸位置和壓力檢測(cè)的氣囊型觸覺(jué)傳感器，該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可定制匹配任意曲表面等優(yōu)點(diǎn)。

1 氣囊型觸覺(jué)傳感器的設(shè)計(jì)原理

1.1 結(jié)構(gòu)模型

本文提出的氣囊型觸覺(jué)傳感器可以針對(duì)機(jī)器人的各種曲表面直接定制。不失一般性，這里以一上臂假肢為基體，進(jìn)行觸覺(jué)傳感器定制化設(shè)計(jì)。

首先，需要在假肢基體上制備非閉合的導(dǎo)電涂層，并在導(dǎo)電涂層上分時(shí)構(gòu)造出兩個(gè)分布方向不同的電勢(shì)場(chǎng)(圖1)。在導(dǎo)電涂層的兩端可以各選擇2點(diǎn)并對(duì)角組合作為激勵(lì)電極，通過(guò)2組電極分時(shí)接入激勵(lì)，導(dǎo)電涂層上某點(diǎn)的位置與該點(diǎn)在兩組激勵(lì)下的電勢(shì)值具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。基于此，即可通過(guò)檢測(cè)該點(diǎn)在兩組激勵(lì)下的電勢(shì)值，獲取該點(diǎn)的位置坐標(biāo)。

圖1 傳感器基體與導(dǎo)電涂層

為了實(shí)現(xiàn)接觸力的實(shí)時(shí)檢測(cè)，在導(dǎo)電涂層外用柔性導(dǎo)電薄膜進(jìn)行包裹，并在導(dǎo)電薄膜與導(dǎo)電涂層之間充入氣體，形成氣囊，如圖2所示。氣囊所起的作用，一是使導(dǎo)電涂層與導(dǎo)電薄膜實(shí)現(xiàn)電氣隔離；二是當(dāng)導(dǎo)電薄膜受接觸力作用時(shí)，氣囊發(fā)生形變，致使氣囊內(nèi)氣壓發(fā)生改變，通過(guò)檢測(cè)氣壓的變化可獲取接觸力信息。

圖2 傳感器模型圖

1.2 接觸位置檢測(cè)原理

盡管假肢基體是三維結(jié)構(gòu)，但其曲表面的導(dǎo)電涂層卻具有二維性質(zhì)，其上任一點(diǎn)在導(dǎo)電涂層二維坐標(biāo)與假肢基體三維坐標(biāo)之間具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，為此只需檢測(cè)接觸點(diǎn)在導(dǎo)電涂層上的二維坐標(biāo)即可。在導(dǎo)電涂層上，只需建立兩個(gè)不同方向的穩(wěn)態(tài)電勢(shì)場(chǎng)，通過(guò)等勢(shì)線交點(diǎn)即可唯一確定其二維坐標(biāo)。以圖1所示導(dǎo)電涂層進(jìn)行物理建模與仿真。導(dǎo)電涂層的四個(gè)電極分別分布在四個(gè)頂點(diǎn)上。

在導(dǎo)電涂層的兩端點(diǎn)設(shè)置兩個(gè)點(diǎn)電極，若在兩個(gè)電極間施加恒定電壓，導(dǎo)電面內(nèi)將形成靜電場(chǎng)。靜電場(chǎng)是無(wú)旋場(chǎng)，其物理模型可以表示為

E=-U

(1)

·D=ρv

(2)

式中，E為電場(chǎng)強(qiáng)度；為梯度算子；U為靜電勢(shì)；D為電位移矢量；ρv為自由電荷體密度。

圖1中A+與A-是構(gòu)成電勢(shì)場(chǎng)A的電極對(duì)，B+和B-是構(gòu)成電勢(shì)場(chǎng)B的電極對(duì)。首先對(duì)A電勢(shì)場(chǎng)的電極對(duì)施加偏置直流電壓激勵(lì)，此時(shí)B組電極對(duì)懸空，A電勢(shì)場(chǎng)產(chǎn)生的電勢(shì)分布如圖3a所示。接著用相同大小的偏置直流電壓對(duì)電勢(shì)場(chǎng)B施加激勵(lì)，A組電勢(shì)對(duì)懸空，B電勢(shì)場(chǎng)電勢(shì)分布如圖3b所示。在兩個(gè)分時(shí)電勢(shì)場(chǎng)的作用下，某一點(diǎn)在兩個(gè)電勢(shì)場(chǎng)的作用下，對(duì)應(yīng)兩條等勢(shì)線，通過(guò)檢測(cè)該點(diǎn)在兩條等勢(shì)線的電壓值(φA,φB)(φA是電勢(shì)場(chǎng)A在相交點(diǎn)的電勢(shì)值，φB是電勢(shì)場(chǎng)B在相交點(diǎn)的電勢(shì)值)，進(jìn)而可以唯一確定該點(diǎn)的二維坐標(biāo)，如圖3c所示。曲表面上任意一點(diǎn)都可以用電勢(shì)對(duì)(φA,φB)來(lái)表示。所以建立位置與電勢(shì)對(duì)的映射關(guān)系就可以求解出該點(diǎn)的位置坐標(biāo)。于是有

(φA,φB)=f(mx,ny)

(3)

其中，mx和ny表示曲表面任一點(diǎn)的二維位置坐標(biāo)。但是從圖3a和圖3b的電勢(shì)分布可以看出：每個(gè)電勢(shì)場(chǎng)在曲表面上產(chǎn)生的電勢(shì)分布都是非線性的，并且很不均勻，也沒(méi)有精確的理論模型來(lái)描述二維位置坐標(biāo)與電勢(shì)對(duì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這里擬采用函數(shù)逼近的方法，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具對(duì)非線性電勢(shì)分布進(jìn)行擬合。

(a)A電勢(shì)場(chǎng)電勢(shì)分布 (b)B電勢(shì)場(chǎng)電勢(shì)分布

1.3 接觸壓力檢測(cè)原理

密閉氣體受壓時(shí)，其內(nèi)部氣壓會(huì)隨外部壓力的變化而變化，基于此，可以實(shí)現(xiàn)接觸壓力檢測(cè)。假設(shè)密閉氣體滿(mǎn)足理想氣體方程：

(p0+pa)V0=nRT

(4)

式中，p0為初始狀態(tài)下的相對(duì)壓力；pa為大氣壓力；V0為初始狀態(tài)下氣囊的空腔體積；n為氣體物質(zhì)的量；R為理想狀態(tài)下氣體的普適常量；T為理想氣體的溫度。

這里假設(shè)R和T保持不變，觸覺(jué)傳感器的氣囊是密閉的，所以n也保持不變。假設(shè)氣體流動(dòng)是靜態(tài)的，當(dāng)氣囊表面受力，空腔體積改變?chǔ)時(shí)，由玻意耳定律可以建立如下方程：

(5)

式中，pΔV為變化后的相對(duì)壓力。

氣囊在外部載荷作用下的計(jì)算公式[13]為

F=pSe

(6)

式中,F為氣囊受到的外部載荷；p為囊內(nèi)氣體的相對(duì)壓力；Se為壓力的有效作用面積。

將式(6)代入式(5)可以得到氣囊在外力壓縮過(guò)程中計(jì)算公式：

(7)

由式(7)和式(5)可知，隨著外部載荷F的增大，ΔV也隨之增大，氣囊內(nèi)氣體的壓力也隨之增大。在本研究中利用BOSCH公司生產(chǎn)的BMP180微型氣壓傳感器測(cè)量不同載荷作用下內(nèi)部相對(duì)壓力的變化值。

2 徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)電勢(shì)分布

2.1 徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

采用徑向基(radial basis function，RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)電勢(shì)分布進(jìn)行重構(gòu)，用于建立輸入電勢(shì)對(duì)和接觸位置之間的映射關(guān)系。

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種三層前向網(wǎng)絡(luò)，分別是輸入層、隱含層和輸出層，從輸入層到隱含層空間的變換是非線性的，而從隱含層到輸出層空間的變換是線性的[14]。在MATLAB中利用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)newrb()建立RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型：

nRBF=newrb(xi,yi,er,sp,qx,add)

(8)

其中，xi是輸入量，它包括兩個(gè)變量，即測(cè)得的電勢(shì)對(duì)(φA,φB)；yi是輸出量，它也包含兩個(gè)變量即曲面的二維位置信息(mx,ny)；er是設(shè)置的目標(biāo)輸出的均方差；sp為徑向基的膨脹速度；qx是最大的神經(jīng)單元數(shù)目；add為每次計(jì)算所增加的神經(jīng)元的數(shù)目。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的樣本集合分為訓(xùn)練集和測(cè)試集，并且這兩個(gè)集合是互斥的，訓(xùn)練集用來(lái)生成RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)電勢(shì)的訓(xùn)練模型，測(cè)試集用來(lái)評(píng)估模型的準(zhǔn)確度。

2.2 二維坐標(biāo)構(gòu)建

由于導(dǎo)電涂層具有二維性質(zhì)，所以只需要在假肢曲表面建立合適的二維坐標(biāo)系，為了適應(yīng)假肢曲表面的曲率，這里采用以曲代直的思想，將導(dǎo)電層的左邊線和底邊線分別作為Ny軸和Mx軸，兩個(gè)邊界的交點(diǎn)為零點(diǎn)記為(0,0)，曲面上任意一點(diǎn)到Ny軸平行于Mx軸的曲線距離記為m，曲面上任意一點(diǎn)到Mx軸平行于Ny軸的曲線距離記為mx，得到曲面的二維位置信息(mx,ny)，對(duì)應(yīng)式(3)中的位置信息，如圖4所示。

圖4 位置信息示意圖

通過(guò)建立非正交坐標(biāo)系完成了導(dǎo)電涂層的電勢(shì)信息與二維位置信息的映射。

3 傳感器的制備與測(cè)試系統(tǒng)的搭建

3.1 傳感器的制備

基于圖2所示的傳感器設(shè)計(jì)原理制備傳感器樣品。傳感器實(shí)物樣品分為3層：

(1)導(dǎo)電層。采用噴涂的方法將導(dǎo)電石墨均勻地噴涂在基體表面，選用FUKKOL公司生產(chǎn)的導(dǎo)電石墨噴漆，該產(chǎn)品具有較低的表面電阻率。在導(dǎo)電涂層的四個(gè)頂點(diǎn)利用DJ002型導(dǎo)電銀漿制備電極。

(2)防護(hù)與信號(hào)引出層。該層的作用一是受壓形變時(shí)提取觸碰點(diǎn)的電勢(shì)信號(hào)，二是對(duì)觸覺(jué)傳感器整體起封裝和保護(hù)作用。要求該層內(nèi)側(cè)面需具有導(dǎo)電特性、而外側(cè)面應(yīng)具有絕緣特性，并具有較好的柔性，適于觸摸按壓。該層由導(dǎo)電布進(jìn)行制備，利用化學(xué)沉淀的方法將金屬鎳轉(zhuǎn)移到聚酯纖維上，在金屬鎳表面鍍上導(dǎo)電性高的銅層，然后對(duì)其另一側(cè)均勻涂抹上密封膠。

(3)氣體隔離層。在基體導(dǎo)電涂層和防護(hù)與信號(hào)引出層之間通過(guò)氣泵充入空氣，實(shí)現(xiàn)兩層之間的電氣隔離。只有當(dāng)防護(hù)與信號(hào)引出層某點(diǎn)受到觸摸按壓時(shí)，該點(diǎn)才可能使兩層發(fā)生接觸。實(shí)物樣品通過(guò)3D打印部分結(jié)構(gòu)配件，將防護(hù)與信號(hào)引出導(dǎo)電布包裹在假肢基體導(dǎo)電涂層外側(cè)。傳感器制備過(guò)程及樣品如圖5所示。

圖5 傳感器樣品

3.2 傳感器測(cè)試系統(tǒng)的搭建

觸覺(jué)傳感器測(cè)試系統(tǒng)的工作原理如圖6所示。壓力檢測(cè)信號(hào)處理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)BMP180實(shí)時(shí)氣壓的采集；位置檢測(cè)信號(hào)處理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器導(dǎo)電層的雙路電壓切換，利用Labview軟件開(kāi)發(fā)了傳感器的數(shù)據(jù)處理和顯示程序，利用ActiveX技術(shù)調(diào)用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將傳感器電勢(shì)矢量轉(zhuǎn)化為接觸位置矢量，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸信息的動(dòng)態(tài)顯示。

圖6 信號(hào)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4 傳感器的標(biāo)定與測(cè)試

4.1 位置檢測(cè)

為了更好地?cái)M合整個(gè)曲表面電勢(shì)與位置的映射關(guān)系，采集1460組樣本數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包含該點(diǎn)的位置矢量與電勢(shì)矢量。其中位置矢量包括每個(gè)點(diǎn)的Ny軸坐標(biāo)和Mx軸坐標(biāo)，電勢(shì)矢量即為該點(diǎn)電勢(shì)對(duì)的電勢(shì)值。本研究將1140組樣本點(diǎn)作為訓(xùn)練集，將320組樣本點(diǎn)作為測(cè)試集。

(a)Mx軸坐標(biāo)值比較

將測(cè)試集輸入到訓(xùn)練模型中，計(jì)算每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值，并與已知的坐標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。由圖7a和圖7b可以看出，目標(biāo)值與檢測(cè)值絕大多數(shù)可以做到良好的擬合，只有極少數(shù)的點(diǎn)偏離較大，為了評(píng)價(jià)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度，引入均方根誤差來(lái)反映Mx軸和Ny軸測(cè)量的精密度，其計(jì)算公式如下：

(c)仿真位置與實(shí)際位置分布圖

(9)

式中，Xobs,i為第i個(gè)目標(biāo)值；Xmodel,i為第i個(gè)觀測(cè)值；k為樣本數(shù)量的總和。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到ERMSE,Mx=1.262 mm，ERMSE,Ny=1.073 mm，由此可見(jiàn)訓(xùn)練模型具有較高的精度。

由圖7c可以看出，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)點(diǎn)可以達(dá)到較好的擬合效果。

4.2 壓力檢測(cè)

搭建壓力標(biāo)定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)時(shí)采集在不同質(zhì)量的砝碼作用下，內(nèi)部壓力的變化值。為了保證不同質(zhì)量的砝碼具有相同的接觸面積，將砝碼放在打印好的托盤(pán)上，打印了面積大小不同的托盤(pán)，用來(lái)研究相同質(zhì)量的砝碼在不同接觸面積的作用下對(duì)內(nèi)部壓力的影響,如圖8所示。

(a)托盤(pán)與砝碼

對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，建立外部載荷和內(nèi)部相對(duì)氣壓的響應(yīng)曲線(圖9)。

(1)線性化擬合。圖9a所示為在1600 Pa初始相對(duì)壓力基礎(chǔ)上，傳感器受力與內(nèi)部氣體壓力變化的關(guān)系。由此可知，當(dāng)外部載荷達(dá)到7 N時(shí)，防護(hù)與信號(hào)提取導(dǎo)電布與導(dǎo)電涂層發(fā)生接觸，內(nèi)部壓力不再增大，在所施加的力逐漸增大的過(guò)程中，內(nèi)部壓力基本以線性關(guān)系同步增大。利用最小二乘法對(duì)其進(jìn)行線性擬合，靈敏度K1=85.69 Pa/N，在響應(yīng)范圍內(nèi)的相關(guān)系數(shù)R2=0.9937。

(2)不同接觸面積測(cè)試。不同接觸面積測(cè)試是指在相同的初始?jí)毫ο?，?duì)于相同大小的力，不同的作用面積是否影響測(cè)量的精度。如圖9b所示，同樣壓力下，不同接觸面積對(duì)內(nèi)部壓力的影響相對(duì)較小。

(a)特性響應(yīng)與線性擬合

(3)靈敏度與量程測(cè)試。分別以初始相對(duì)壓力960 Pa、1250 Pa、1600 Pa、1900 Pa繪制了內(nèi)部壓力與外部載荷之間的關(guān)系曲線。并采用圖9a的方法對(duì)其進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖9c所示，可以看出，傳感器的初始?jí)毫υ礁?，其靈敏度越低，但量程越大。

(4)重復(fù)性測(cè)試。在傳感器同一位置上進(jìn)行多次加載測(cè)量，重復(fù)4次試驗(yàn)，結(jié)果如圖9d所示，說(shuō)明該傳感器具有良好的重復(fù)性。

由上述測(cè)試結(jié)果可知，所提出的觸覺(jué)傳感器具有較高的線性度和靈敏度，良好的可重復(fù)性和一致性。

4.3 傳感器性能測(cè)試

以初始相對(duì)壓力960 Pa為例，對(duì)動(dòng)態(tài)碰撞信息進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)如圖10所示。

(a)無(wú)接觸時(shí)碰撞

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在傳感器表面施加質(zhì)量為200 g 砝碼的情況下不會(huì)顯示接觸位置坐標(biāo)，只顯示力的大小2.12 N；當(dāng)砝碼質(zhì)量增大至500 g時(shí)與導(dǎo)電層接觸，同時(shí)顯示對(duì)應(yīng)接觸位置到坐標(biāo)(143,154)與力的大小4.89 N。

5 結(jié)論

(1)基于曲面電勢(shì)分布理論和壓縮氣體定律設(shè)計(jì)和制備了一種兼具位置檢測(cè)和壓力反饋的柔性氣囊型觸覺(jué)傳感器。利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)電勢(shì)分布進(jìn)行重構(gòu)，通過(guò)獲取某一點(diǎn)的電勢(shì)值，從而確定該點(diǎn)的位置坐標(biāo)。仿真結(jié)果表明Mx軸坐標(biāo)值的均方根誤差為1.262 mm，Ny軸坐標(biāo)值的均方根誤差為1.073 mm。利用最小二乘法，建立外部載荷和內(nèi)部氣壓變化的線性擬合關(guān)系，此外在接觸壓力檢測(cè)方面具有良好的可重復(fù)性和一致性。

(2)搭載了信號(hào)處理電路和Labview顯示界面，實(shí)現(xiàn)了接觸位置和接觸壓力的實(shí)時(shí)可視化顯示，并且具有良好的精度和魯棒性。氣囊型觸覺(jué)傳感器研究具有很高的科研價(jià)值，為人機(jī)交互提供了新的方向。