面向微小软排线装配的阵列触觉状态感知技术

林杰 胡智凯 刘思源 唐维威 楚中毅

摘要 ：针对微小软排线装配操作中器件体积小且存在视觉遮挡的问题，提出一种基于电容式阵列触觉传感器的机器人软排线装配状态感知技术。首先，对电容式三维触觉感知机理进行分析，并针对软排线装配的小尺寸空间感知需求，设计了一种基于垂直拓扑网状介质层的高灵敏阵列触觉传感器，实现微小软排线装配状态的高灵敏感知。其次，为突破布线复杂度与阵列扫描周期的限制，基于电容数字芯片拓展实现高动态三维阵列信息扫描系统的设计与微小软排线装配状态的高动态感知，并完成小型化电容式阵列触觉传感器的一体化制备。最后，搭建机器人软排线装配操作系统并实时采集和分析软排线装配过程中的阵列触觉信息特征，以验证所提出技术的准确性和有效性。

关键词 ：软排线装配操作；状态感知；电容式；阵列触觉传感器

中图分类号 ：TG95；TP212

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2024.02.013

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Assembly Array Tractile State Sensing Technology of Micro Flexible

Flat Cables

LIN Jie 1 HU Zhikai 2 LIU Siyuan 2 TANG Weiwei 2 CHU Zhongyi 2

1.Suzhou Luster VISION Intelligent Equipment Limited Liability Company，Suzhou，Jiangsu，215000

2.School of Instrumentation and Optoelectronic Engineering，Beihang University，Beijing，100191

Abstract ： For the problems of small device size and visual occlusion during the micro flexible flat cable assembly operations， an assembly state sensing technology of micro flexible flat cables was proposed based on capacitive array tactile sensors herein. Firstly， the mechanism of capacitive three-dimensional tactile sensing was analyzed， and a highly sensitive array tactile sensor based on vertical topological mesh dielectric layer was designed to realize highly sensitive sensing of the assembly state of the micro flexible flat cables. Secondly， in order to overcome the limitation of wiring complexity and array scanning cycle， based on the expansion of capacitive digital chip， the highly dynamic three-dimensional array information scanning system was designed and the highly dynamic sensing for assembly states of micro flexible flat cables was realized， and the miniaturized capacitive array tactile sensors were fabricated integrally. Finally， the robot micro flexible flat cable assembly operating system was built and the array tactile information features were collected and analyzed in real time during the assembly processes， so as to verify the accuracy and effectiveness of the proposed technology.

Key words ： flexible flat cable assembly; state sensing; capacitive; array of tactile sensor

0 引言

隨着3C（computer，communication，consumer electronics）电子产品的技术发展和需求增长，软排线作为电子产品中不可或缺的连接元件，在现代制造业中具有举足轻重的地位。然而，由于软排线的质态具有不确定性，且软排线和连接主板之间的精度较高，软排线层次较多，长度不一，尤其软排线装配操作时容易发生视觉遮挡，故当前生产工厂绝大多数均采用人工扣合的方式，难以实现基于视觉伺服的装配操作自动化甚至智能化  ［1］ 。触觉作为机器人感知外部接触信息的另一个重要手段  ［2］ ，已经引起研究人员的广泛兴趣。然而，现有机器人的传统腕力、扭矩和本体感知传感器无法获得力、力方向、接触状态等参数。就软排线装配等精细操作而言，实时测量和识别阵列式法向力与剪切力的能力是提供操作目标状态信息的必要条件  ［3］ 。

三维触觉传感器按照传感原理可以分为压阻式  ［4-5］ 、压电式  ［6］ 、电容式  ［7-9］ 等。相对而言，电容式三维触觉传感器因具有结构简单、动态响应快、温飘小、功耗低等优点而得到广泛的研究  ［10］ 。具体地，电容式三维触觉传感器实现三维测量通常可以通过接近传感原理和平行板原理来实现，而基于平行板电容变面积原理和变间距原理的三维触觉传感器拥有更优异的力解耦能力。例如，VIRY等  ［11］ 提出柔性介质的电容式三维测量，通过上层公共电极、介质、下层四个感应电极检测切向和法向受力。然而，为了实现小型化设计，传感器的介质层往往设计得很薄，这限制了电介质进一步形变的能力  ［12］ ，导致灵敏度较低，为此，学者们引入了一些微结构设计传感器的介质层以提高介质的受力形变能力及传感器的灵敏度，如微锥结构  ［13］ 、金字塔结构  ［14］ 、半球结构  ［15］ 等。然而上述微结构不仅制备工艺复杂成本高（基于光刻工艺），而且会造成明显的非线性测量，限制了传感器的应用。因此，如何实现三维触觉传感器的高灵敏线性测量，对软排线装配等精细操作状态感知具有显著的现实意义和研究价值。

需要特别指出的是，面向微小复杂的操作对象及机器人操作过程中存在视觉遮挡无法定位的问题，执行器末端的三轴力信息已不能满足复杂的3C装配场景的触觉信息需求。近年来，学者们已将电容式三维触觉传感器进行阵列拓展，以实现空间触觉信息的获取  ［16-17］ 。例如，FERNANDES等  ［18］ 利用单个公共电极与4个感应电极组成三轴力测量单元，并进行了尺寸为1 cm 2的阵列拓展。然而，电容式三维测量单元需要4倍数量的电容信号进行解算，且信号处理电路不宜远离敏感区域。LIANG等  ［19］ 在测量4×4三维触觉阵列时，需要完成8×8次数据扫描，这限制了阵列触觉测量的实时性。总之，现有电容式三维触觉阵列传感器仍存在因布线复杂而导致感知密度低、扫描时间长的问题，无法适应软排线装配的小尺寸感知与高动態测量的需求。因此，如何进一步优化电容式三维阵列触觉信息的感知方法，并实现高动态触觉信息感知，是实现软排线装配状态感知的核心关键技术。

为解决上述难题，本文提出了一种基于电容式阵列触觉传感器的软排线装配状态感知技术。

1 软排线装配状态感知技术

1.1 电容式阵列触觉传感器测量原理分析

为实现3C软排线装配状态感知，首先设计电容式阵列触觉传感器。如图1a所示，阵列传感器可视作由多个传感单元阵列排布而成。具体地，对于每个传感单元，由上至下包括：上层柔性基底、上层电极（公共电极）、电介质层、四片下层电极（感应电极）和下层柔性基底。四片感应电极的几何中心与公共电极的几何中心重合，感应电极以2×2的形式排布，包络面积略大于公共电极。传感单元通过感受环境三维力对电介质层造成的形变，改变上下层电极之间的相对位置，实现与三维力对应的容值输出变化。阵列传感器的整体敏感尺寸为1 cm 2。

电容式三维触觉阵列传感器阵列的敏感单元基于平行板电容原理如下：

C=ε  r ε 0A/d 0  （1）

其中，ε  r 、ε 0、A和d 0分别是相对介电常数、真空介电常数、电容器的表面积和两板之间的距离，如图1 b 所示。具体地，平行板电容输出与力输入之间的关系可以表征为

Δ C  n  F  n  = 1 A  s E C   n ，0 = ε  r ε 0A d 0A  s E

Δ C  s  F  s  = εL A  s G    （2）

式中，F  n 、F  s 分别为施加在平行板电容上的法向力和剪切力；C  n 、C  s 分别为平行板电容法向力和剪切力的电容输出；A  s 、E、G分别为电介质的面积、弹性模量、剪切模量；L为极板的边长。

由式（2）可见，电容输出与力输入存在线性的测量关系。

具体地，当上极板受法向力向下运动时，图1 b 中4个电容信号因极板间距的减小而增大。当上极板受到剪切力水平移动时，例如X方向，右侧两电容因极板面积的增大而增大，左侧两电容因极板面积的减小而减小，右侧与左侧电容产生差分电容输出；而因为4个电容的极板总面积不变，4个电容信号之和保持不变，实现切向力与法向力的解耦测量。敏感单元的电容输出与力输入之间的关系  ［20］ 为

F x=k x（- Δ C 1+ Δ C 2- Δ C 3+ Δ C 4）

F y=k y（- Δ C 1- Δ C 2+ Δ C 3+ Δ C 4）

F z=k z（ Δ C 1+ Δ C 2+ Δ C 3+ Δ C 4）   （3）

式中，F x、F y、F z分别为敏感区域上受力的三轴分量；k x、k y、k z分别为式（2）体现的电容与力之间的线性系数； Δ C 1～ Δ C 4为敏感区域中在施加负载下的电容变化。

最终，传感器通过横向与纵向阵列拓展，实现了1  cm  2内16阵列密度的空间触觉输出。同时，传感器可将16个阵列单元的三轴输出矢量相加，以反映3 C 软排线装配的整体受力情况。

1.2 阵列触觉传感器的高灵敏感知方法

如式（2）所示，随着触觉传感器阵列密度的增大，电容器极板面积A和边长L缩小，进而显著降低传感器灵敏度。此外，随着传感面积的增大，介质层的面积远大于介质的厚度，会使介质的等效压缩刚度急剧增大，使传感器的法向灵敏度严重衰减，等效弹性模量

E  e =E（4d 2 0+s 2）/（3d 2 0）  （4）

式中，s为介质的边长。

为了提高传感器的阵列测量性能，需在不影响传感器现有线性测量的基础上提高传感器灵敏度。为此，本文提出一种互垂拓扑结构的介质层，用于阵列式触觉传感器（图2）。具体地，互垂拓扑结构介质层由两层相互垂直的条状介质组成，每层厚度为d 0/2。互垂条状的重合位置形成厚度为d 0、俯瞰为正方形的长方体电介质阵列。其中，每一个阵列互垂结构与上极板的公共电极重合。假设互垂结构中，正方形截面的边长为a。已知传感器的面积为A  1 s  ，则传感器介质层的等效填充率

ρ=16a 2/A  1 s    （5）

集成了互垂拓扑结构介质层的电容式三维触觉传感器，其电容输出与力输入之间的关系可以进一步优化为

Δ C  n  F  n  = 1 ρA  1 s  E C   n ，0 = ε  r ε 0A ρd 0A  1 s  E

Δ C  s  F  s  = εL ρA  1 s  G    （6）

可见，随着互垂拓扑结构介质填充率的减小，三轴触觉阵列传感器的灵敏度会急剧增大，有望实现3 C 软排线装配状态高灵敏感知。

1.3 阵列触觉传感器的高动态感知方法

随着阵列密度的增大，阵列传感器布线复杂度和阵列扫描周期显著增加。为此，面向软排线装配的高动态感知需求，本文提出一种基于拓展CDC芯片的阵列感知方法，感知原理如图3 所示。

该方法将电容式三维触觉阵列传感器分为触觉模组与采样模组。其中，采样模组包括CDC电路、控制处理电路和阵列扫描电路。为了实现采样模组对触觉模组中电容信号的阵列扫描和采样，阵列扫描电路对上层公共电极进行选路以接通激励源或直流屏蔽；CDC电路将CDC芯片信号端CINx与下层电极（感应电极）进行连接，以测试信号端与上层接激励源（SRC）电极间的容值；扫描电路控制某路上层电极选择连接激励源或直流屏蔽信号（DCS），当待测电容两段分别连接CINx与SRC时，其电容值将被CDC芯片获得;控制处理电路接收CDC电路传输来的电容测量结果，并发送至上位机。最终采样模组通过对触觉模组的容值变化进行采样与传输，实现三维力触觉信息的测量。可见，通过使用CDC芯片的多通道测量，替代了列扫描所需的模拟开关，实现了多列电容信号的同步测量，明显减少了电路复杂度。

为了进一步提高阵列传感器的信号采集速度，以CDC芯片拓展的方式实现多组传感单元的同步测量。具体地，CDC芯片检测 N 路电容信号，该 N 路电容形成一组传感单元组。随着 X 片CDC芯片与传感单元组的横向拓展，采样模组实现了 X 组传感单元组的同步测量。因此，基于拓展CDC芯片的阵列感知方法的 M行N×X 列触觉阵列传感器，其整体响应时间仅为传统阵列传感器的1/ X ，有望实现高动态的阵列触觉与3C软排线装配状态感知。

2 电容式阵列触觉传感器的制备

电容式三维触觉阵列传感器的制备流程如图4所示。首先，如图4a所示，预先生产印有电极和引线的上下层柔性电路板（flexible printed circuit， FPC）；其次，在上下层FPC电极表面涂布黏结剂（Kafuter K-706，图4b），用于增加介质层与FPC之间的黏性；然后，在上下层FPC表面涂布硅胶（TAP Silicone RTV），并将预制的钢网互垂固定于两层FPC之间，在保持一定压力的作用下固化，而多余的硅胶会被挤出两层FPC之外，形成互垂拓扑介质层（图4c～图4e）；最后，抽出钢网，清理上一步溢出的硅胶，最终形成柔性触觉模组。该方法制备的触觉模组及其互垂拓扑结构介质层为一体化压模成形制成，代替传统多次制膜多次粘贴的方式，实现低成本、大批量的制备工艺。

此外，为了减小体积、降低噪声、提高良品率，采样模组分为CDC电路、阵列扫描电路和控制处理电路三片，三片电路板通过排针连接，最终实现采样模组的集成（图4g）。最终，通过焊接触觉模组与采样模组，形成电容式三维触觉传感器陣列。

3 3C软排线装配状态感知实验与分析

3.1 基于触觉的软排线装配系统设计

首先，对阵列式触觉传感器进行必要的性能测试，如图5所示。其中，对传感器的切向和法向进行量程测试，按顺序加载1 N、2 N、3 N、4 N、 5 N、 6 N、8 N、10 N、12 N，各保持10 s，并按顺序卸载，触觉传感器输出与标准传感器的输出如图5a、图5b所示，可见传感器量程达20 N，迟滞小 于5%。一般地，使用一阶沃尔泰拉级数的补偿器可进一步减少迟滞  ［20］ 。 进一步，测试该传感器的线性度，如图5c、图5d所示。对切向和法向按顺序加载1～12 N，记录传感器输出。可见，该传感器整体可实现法向0.12 pF/N、切向0.12 pF/N的高灵敏测量，且线性度 R  2＞99.99%。最后，对传感器进行循环加载测试1000次，如图5e所示。传感器输出稳定，可见该阵列传感器拥有良好的稳定性和重复性。此外，阵列传感器单元之间的耦合输出可以由神经网络标定法进行解耦，实现阵列传感器对空间触觉状态的准确感知  ［20］ 。

将传感器安装在固定模具上，进行性能测试（图6a）。经过砝码标定，该传感器整体可实现法向0.12 pF/N、切向0.12 pF/N的高灵敏测量。传感器利用双CDC拓展实现高动态阵列传感器输出，其阵列触觉的动态刷新率为50 Hz。将软排线座子（母头）放置在基座上，然后将软排线公头放置在软排线的母头座子上，尾端用夹具轻微固定，模拟视觉粗定位后软排线公头与母头座子不能对齐的情况（图6b）。进一步，将传感器固定在位移平台上，配合电子显微镜，完成实验平台的搭建（图6c），以此观察传感器将公头按压进母头座子的操作过程。

3.2 實验与数据分析

如图7所示，软排线安装操作可大致分为三个阶段：①在位移平台带动下，传感器向下运动，实现与软排线公头背面的初始接触；②在传感器的带动下，软排线公头实现移动和搜孔操作；③公头移动到母头座子范围内，完成按压动作。

传感器与排线接触面积主要集中在2×4范围内， 该范围内法向与切向敏感单元的整体输出（2×4阵列）如图8所示。在传感器带动软排线公头搜孔的过程中，传感器的切向力和法向力逐渐增大；当软排线公头进入母头范围时，公头在切向与母头内壁抵触不再继续移动，公头的法向上失去母头外延的支撑，因此传感器感受的切向力急剧增大而法向力突然减小；进而按压软排线公头，法向力由于母头内壁摩擦略微增大，而切向力略微减小。

图7体现了软排线装配操作中的受力特征，显示了传感器高灵敏设计的有效性；此外，软排线装配操作过程往往只有1～2 s，而传感器充分反映了该时长内软排线装配操作过程的特征信息，展现了传感器高动态感知的有效性和先进性。进一步，本文验证了阵列传感器的空间分布信息感知能力。如图9所示，软排线公头在母头上搜孔移动的过程中，阵列传感器的切向2×4输出及其感应电极

（4×8）输出展现了软排线公头与母头不同相对位置下的力分布信息。特别地，感应电极的峰值移动充分反映了软排线的压力分布和移动方向，为软排线装配操作提供了必要的空间信息，展现了触觉阵列传感器在微小3C装配操作中的优势。

4 结语

本文针对手机微小软排线装配操作中器件存在视觉遮挡以及3D视觉定位引导精度不足的问题，提出了一种基于电容式阵列触觉传感器的机器人软排线装配感知技术，并进行了实验验证。通过采集并分析软排线装配过程中的阵列触觉信息特征，可以看出，基于电容式阵列触觉传感器的高灵敏（法向0.15 pF/N，切向0.2 pF/N）、高动态（50 Hz的4×4触觉阵列输出）特性为3C软排线装配状态的准确感知奠定了坚实的技术基础和核心硬件支撑。下一步将对采集的阵列触觉的感知信息，结合深度强化学习的算法开展研究，实现微小排线的智能化装配。

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（ 編辑 陈 勇 ）

作者简介 ：

林 杰 ，男，1980年生，高级工程师。研究方向为电子制造领域、智能精密组装关键技术、智能传感技术、人工智能检测技术等。 E-mail：jie.lin.2012@gmail.com。

楚中毅 （通信作者），男，1977年生，教授、博士。研究方向为先进机器人传感与控制技术。E-mail： chuzy@buaa.edu.cn。