基于金字塔结构的高灵敏滑触觉传感器研究*

黄 英， 孙志广， 解志诚， 毛磊东

0 引 言

触觉传感器[1]的研究对智能机器人的发展有着至关重要的作用。在实际应用中，机器人皮肤必须具备一定的滑觉感知[1]能力，在抓取物体的过程中需要实时调整抓取力[2]的大小，以免抓取力过大导致物体损坏或抓取力过小导致物体脱落。因此，需要对智能机器人皮肤滑觉感知[3]能力进行深入研究。对滑觉传感器滑动信息的检测占据愈加重要的地位，既要具备类似人触觉感知的能力，还要能够准确地获取空间三维力[4]的信息。

目前，国内外在滑触觉传感器的研制方面，取得了诸多显著的成果，但滑触觉传感器受传感材料及敏感结构的制约，仅能感知单维力或者单一触觉[5]信息，无法实现具备三维力和滑移检测的功能。因此，在满足触觉测量精度的前提下，选用合适的传感材料和合理的传感结构，实现滑触觉信息的有效提取显得尤为重要。

本文设计了一种滑触觉传感器，具有灵敏度高，易于阵列化等优点，可实现三维力检测和滑觉感知功能。

1 滑触觉传感器制备

基于金字塔结构的高灵敏的滑触觉传感器包括上柔性印刷电路板和下柔性印刷电路板；传感器整体结构呈上下电极分立结构，其中下层柔性电极分为中心电极(边长为5 mm正方形)和上下左右4个大小相同的感应电极(长为5 mm，宽1.5 mm矩形)，下层中心电极与各感应电极间距为0.5 mm，4个矩形感应电极围绕中心电极的中心原点成对称排布；且在上柔性印刷电路板的表面印刷有上层公共电极尺寸为7.5 mm×7.5 mm，下层中心电极与上层公共电极的中心在同一竖直线上。介质层的下表面将下层中心电极和4个感应电极全覆盖；且上层公共电极在下柔性印刷电路板表面的正投影将下层中心电极全覆盖，将各感应电极沿长边中线半覆盖。

在上柔性印刷电路板和下柔性印刷电路板之间设置有介质层，介质层由一平面层和位于平面层上的金字塔结构2部分组成：介质层的底部平面长8 mm、宽8 mm、厚度为1 mm，位于其上的金字塔结构的底面边长2 mm、层高为1 mm、倾角为45°。上层公共电极、下层中心电极和各感应电极的厚度均为0.25 mm，柔性保护层和两柔性电极的柔性基底的厚度均为0.25 mm。介质层的上表面一体化成型有金字塔结构；上层公共电极与金字塔结构的塔顶接触，下层中心电极与介质层的下表面接触；增加金字塔结构层可以提高传感器的分辨力、检测微小的触觉信息，同时平面层的存在增大了传感器的量程。在上柔性印刷电路板上通过柔性保护层固定有硅橡胶半球形触头，半径为4 mm，整个传感器单元整体高度为7.25 mm。其中上层公共电极层与下层中心电极用于感知触觉信息；上层公共电极与4个矩形感应电极用于感知切向信息和滑觉信息。

柔性保护层是旋涂于上柔性印刷电路板上的一薄层硅橡胶，用于保护上柔性印刷电路板、传导触头作用力。柔性保护层选用中昊晨光化工研究院有限公司的GD401型硅橡胶为材料，该硅橡胶可以在室温下自行固化成型，且成型后具有很好的柔性。

硅橡胶半球形触头利用3D打印技术打印半径为8 mm的半球形模具，将适量的硅橡胶和固化剂倒入该模具中，待其固化成型，从模具中取出已成型的触头层即可。介质层所需的模具是通过3D打印工艺技术制备，打印分辨率可以达到0.02 mm，3D打印材料具备优良的热稳定性、良好的兼容性和可降解性能。

基于柔性印刷电路板(flexible printing circuit board,FPCB)技术，上柔性印刷电路板和下柔性印刷电路板的柔性基底以聚酰亚胺为材质，相应电极层是镀在柔性基底聚酰亚胺表面的一层铜箔。介质层以聚二甲基硅氧烷(polydimethyl-siroxane,PDMS)(10：1)为敏感材料。利用3D打印技术打印倒金字塔形状模具，为保证传感器的灵敏度和稳定性，将PDMS的2种组分混合搅拌均匀后，在真空室脱气，然后注入模具中。将模具置于下柔性印刷电路板的下层中心电极和感应电极上，使模具与各电极对齐，待混合均匀在室温下成型，在90 ℃条件下固化60 min后，取下模具，即可获得理想形状的金字塔结构的介质层。将介质层、两柔性印刷电路板、柔性保护层以及硅橡胶半球形触头均经过等离子体处理90 s后粘合在一起。滑触觉传感器的电极结构及其制备流程如图1所示。制备过程中应保证填料分布均匀，形成稳定的力学结构，以实现良好的机械性能。

图1 滑触觉传感器单元电极结构及制备流程

传感器阵列的空间分辨率为相同方向的2相邻传感单元间的中心距离。本文设计的滑触觉传感单元的尺寸均为10 mm×10 mm，阵列间隙为3 mm，则滑触觉传感阵列的阵列分辨率为13 mm。滑触觉传感阵列呈正方形分布,含有5×5=25个滑触觉传感单元，传感器阵列的整体长度为70.00 mm，宽度为70.00 mm。滑触觉传感阵列具有良好的柔性，可较方便地穿戴在机械手上。其中每个传感单元均可以单独进行三维力的测量与滑动信息的提取。滑触觉传感器阵列电极结构及引线如图2所示，其中图2(a)为滑触觉传感阵列的下柔性电极层；图2(b)为滑触觉传感阵列的上柔性电极层。每层电极均可独立制备，每层的制备方式与滑触觉传感单元相同，最终将电极和介质层通过导电银胶粘结起来。

图2 滑触觉传感器阵列电极结构及引线示意

2 滑触觉传感单元三维力加载试验

以下层中心电极的中心为原点、以向上垂直于印刷电路板上的方向为Z轴正方向、以垂直且指向第四感应电极的方向为X轴正方向，以垂直且指向第一感应电极的方向为Y轴正方向，构建基于金字塔结构的柔性高灵敏的滑触觉传感器的三维坐标系。

滑触觉电容式传感器检测触觉的机理如下：假设所施加的外界三维力为集中力，且接触点均为半球形触头的最高点。半球形触头在三维力作用下，电极间距、正对面积和介质层的相对介电常数随即改变，导致电容值的变化。通过AD7147—1采集电容信号，并转换为数字信号送入微处理器，即可构建作用在传感器三维力大小与电容值的特征关系。基于金字塔结构的电容式滑触觉5×5阵列信号采集系统如图3所示。

图3 滑触觉阵列信号采集系统

为了对比验证金字塔结构的有效性，将本文的金字塔介质层由“底部平面+金字塔”的结构，改为8 mm×8 mm×2 mm的平面结构，其余结构均相同，构成基于平面介质层结构的传感器。

在硅橡胶半球形的触头中心力的集中点，施加沿Z轴负方向作用的法向力FZ于半圆型硅橡胶触头时，在三维力的整体作用下，基于金字塔结构的滑触觉传感器聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)介质层被压缩，空气介质层厚度减小，下层4个矩形感应电极和下层中心电极与上层公共电极极板之间的相对介电常数增加，上下极板之间的距离变小，上下极板正对面积不变，C0增加，C1，C2，C3，C4电容值同等程度的变大。基于金字塔结构的滑触觉传感器与基于平面介质层结构的传感器在三维力作用下的电容值变化曲线如图4(a)所示。在0～4 N范围内，基于金字塔结构的传感器的灵敏度为0.01/kPa，而基于平面介质层结构的柔性传感器灵敏度为0.000 5/kPa。金字塔结构的加入，使基于金字塔结构的传感器在小量程段具有更高的灵敏度，法向灵敏度提升了20倍左右，能够更好地分辨和检测触觉力。

图4 2种结构传感器在三维力作用下的电容值变化

预加载FZ=2 N的条件下，施加一沿Y轴正向作用的剪切力FY时，半球形触头在法向力FZ和沿Y轴正向作用的剪切力FY的共同作用下，使沿FY方向，介质层压缩，PDMS介质层取代部分被压缩的空气介质层的位置，Y轴正方方向上下电极正对面积增加，PDMS的介电常数大于空气的介电常数，矩形感应电极和上层公共电极之间的有效介电常数增加，正对面积增加，极板之间的间距减小，电容值C1增加，而在FY负方向，介质层厚度基本不变，空气介质层厚度增加，矩形感应电极和上层公共电极之间的有效介电常数减小，正对面积也减小，电容值C3减小。在正交方向，介质层的形变量互相抵消，因此C2，C4几乎不变，如图4(b)所示。基于金字塔结构的滑触觉传感器的灵敏度为0.062 5/kPa，而基于平面介质层结构的传感器的灵敏度为0.025/kPa，剪切方向的灵敏度提升了3倍左右。对比可知，在同等条件下，基于金字塔结构的传感器在剪切方向上较之基于平面介质层结构的传感器更为灵敏。滑触觉传感阵列在Z,X和Y3个方向的量程分别为0～10 N,-5～5 N,-5～5 N。

本文基于金字塔结构的滑触觉传感器综合采用变面积A式、变间距s式、变介电常数ε式以提高传感器的在法向力、剪切力方向上的灵敏度。在三维力研究基础上，实现基于金字塔结构的滑触觉传感器的滑觉检测功能。该电容式滑触觉传感器，既能分辨较小的触觉力，同时又能实现对各个方向剪切力的测量，大幅提高了传感器的灵敏度，实现了传感器在剪切方向的滑觉检测功能。

提取在静态法向力为2N状态下，沿X轴正向施加均匀增加的动态切向力时电容值C4的变化，输出电容值信号的变化随着剪切力的增加，如图5所示。当切向力增加到4 N之前，电容一直稳定增加。当剪切力大于4 N之后，电容值基本不变。为此，提取了0～10 N范围内电容值变化的信息。可以发现，在剪切力增加至4 N左右的瞬间，电容值信号出现明显的抖动，频率增加，但随后趋于稳定。因此，将完整的加载过程分为3个过程：预滑动、滑动和稳定的滑动。滑动信息的实时提取与反馈对物体的软抓取具有重要的指导意义。

3 基于LabVIEW的滑触觉传感阵列的感知应用研究

本文通过传感器对外界加载三维力的响应输出的信号来判定滑移。定义传感器单元为Cij(i=1，2，3，4，5；j=1，2，3，4，5)。利用LabVIEW数据采集与实时显示系统，实时显示各个滑触觉传感单元的受力状态及分布情况。

将滑触觉传感阵列与三维力加载平台固定，将4个“H”,“F”,“U”,“T”字样的样品依次分别置于5×5滑触觉传感阵列的正上方，并对整个柔性传感阵列进行触觉力的分布状态和大小等信息的实时测试，机械手在物体抓取过程中的触觉力的测试结果如图6(a)所示。结果表明：研制的滑触觉传感阵列不仅能够测量三维触觉力，并通过研制的数据采样系统能够实时显示出三维触觉力的分布，并由此可以判断接触点位置与触觉力的实时情况。将一个4 mm×4 mm的立方体物块置于柔性滑触觉传感阵列表面，以13 mm/s的速度水平匀速向X方向拉，如图6(b)所示。在向X轴正向移动的过程中，由LabVIEW色温图知，Cij>C(i-1)j，即表明物体在向右移动过程中，右侧传感器单元受到较大的力。当物体的运动方向为XY轴的对角线时，由LabVIEW色温图可知，Cij>C(i-1)(j-1)，表明在滑动方向上受到较大的力，结果如图6(c)所示。

图6 5×5滑触觉传感阵列感知应用实验

因此，可以根据滑触觉传感器的响应状态有效判定物体的位置、大小、滑动方向等具体的信息。

4 结 论

设计了一种灵敏度高、易于阵列化、可用作智能机器人仿生皮肤的基于金字塔结构的滑触觉传感阵列，可实现真正意义上的三维力检测和滑觉感知的功能，有效解决了传感器量程较小，灵敏度低、维护性差的缺陷。研制的扫描检测电路和数据采样系统能够实现机械手抓取过程中的三维力和滑移检测，初步实现了机械手软抓取过程中的滑触觉感知需求。

参考文献:

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