三维柔性触觉/热觉传感器设计与仿真

谢 娜，秦 岚

(重庆大学 光电工程学院，重庆400044)

0 引 言

触觉在机器人感觉系统中占有非常重要的地位，它具有视觉无法实现的功能。视觉借助光的作用完成，当光照受限制时，紧靠触觉也能完成识别功能。更为重要的是，触觉还能感知物体的表面特征和物理性能，如柔软性、硬度、弹性、粗糙度、材质等，因此，触觉传感器是机器人感觉系统中最重要的研究课题之一。

目前的触觉传感器主要有压阻式、电容式、光纤式、磁敏式和压电式。压阻式阵列触觉传感器［1，2］的体积较大，信号采集电路复杂，不易集成，并且力敏电阻器漏电流不稳定，易老化。电容式［3，4］触觉传感器的电容值随传感器单元物理尺寸的增加而增加，漂移信号影响传感器输出。光纤式传感器［5］在两向力以上共同作用时，很难保持好的线性关系，传感器的标定存在难度，精度难以提高。磁敏Z 元件［6］构成的触觉传感器，各个触觉传感点上较难做到一致性，磁铁的磁场分布不均匀，分辨率也很难提高，后续的电路处理也较麻烦。目前，压电式［7～10］应用最广，也能同时检测触觉和滑觉信号，但触觉信号和滑觉信号的分离存在一定困难。

本文提出了基于聚偏氟乙烯(PVDF)的触觉/热觉传感器，该传感器具有结构简单、柔韧性好、体积小、易集成等特点，适合嫁接于智能机器人系统。针对PVDF 具有压电效应和热释电效应的双重敏感特性，在传感器的结构设计上采用分离的两个物理检测空间:触觉检测区和触觉、热觉检测区，很好地解决了用PVDF 做敏感材料易发生的触觉和热觉信号的混淆问题。

1 触觉检测

PVDF 薄膜是一种压电高聚合物材料，具有耐磨、量轻、灵敏度高、声学阻抗低、容易固定在复杂的表面、频带宽等特点。传感器结构及其受力如图1 所示。

由传感器结构的对称性可得:当沿X 方向施加载荷时，PVDF-A(或是PVDF-B)压电薄膜的一端被拉伸，另一端被压缩，由PVDF 薄膜的压电特性，在薄膜拉伸端和压缩端产生电荷量近似相等、符号相反的电荷，从而使得薄膜两侧的响应电荷相互抵消，整片薄膜对外显示电荷几乎为零，其两侧的电势也为零。在外力的作用下，PVDF 薄膜两侧产生的电荷与施加的载荷呈正比，进而可认为FAX和FBX为零，即X 方向的受力时，其对A，B 面上的电压响应无影响;同理可得Y 方向的受力对C，D 面上的电压响应无影响，FCY，FDY的值为零;X 方向的受力对C 片和D 片的电压响应值大小相等，符号相反;Y 方向的受力对A 片和B 片的电压响应值大小相等，符号相反;Z 方向的受力对A，B，C，D 各片上的电压响应相同，即可得到如下式子

图1 触觉传感器结构及其受力分析Fig 1 Structure of tactile sensor and stress analysis

式中 FA，FB，FC，FD分别代表PVDF 薄膜A，B，C，D 所受的三维力，FAX，FBX，FCX，FDX分别代表A，B，C，D 薄膜X 方向的受力，FAY，FBY，FCY，FDY分别代表A，B，C，D 薄膜Y 方向的受力，FAZ，FBZ，FCZ，FDZ分别代表A，B，C，D 薄膜Z 方向的受力，从而

式中 μX，μY，μZ分别为力沿X，Y，Z 方向力的传递因素，可通过实验测出。通过力的合成可得

PVDF 薄膜的响应电压与施加的外力呈正比从而通过A，B，C，D，F 膜上的电压值即可求出FA，FB，FC，FD，FF，进而可以求出未知量φ，F，θ，即实现三维力的检测功能。

2 热觉检测

PVDF 不仅具有压电性，还具有强热释电效应。触/热觉传感器的结构剖面图如图2 所示。

图2 触/热觉传感器的结构剖面图Fig 2 Structure profile of tactile/thermal sensor

传感器表面是一层柔软的带有圆锥体小齿的橡胶包封，敏感层为上、下、侧面PVDF 层。柔软的硅橡胶营造三个测试空间，即上层触觉/热觉测试，侧面三维力测试与下层PVDF 触压信号的检测。此种结构使触觉信号基本不受传感器接触物体后热传导的影响。

当传感器接触目标物体后，由于传感器表面温度高于/低于物体温度，发生热传导现象，传感器表面温度下降/上升，即上层PVDF 有触压、热混合信号输出。由于物体仅与传感器的上表面接触，又有隔热层(硅橡胶)的保护，热信号作用对下层和侧面PVDF 几乎无影响，即下层和侧面PVDF 只有触压信号。下层PVDF 信号和上层PVDF 信号综合处理后可彻底区分热觉和触觉信号。

3 信号特征和提取

一般的触压信号响应和衰减较快(频率高)，热觉信号为缓变的低频信号。当传感器表面触压目标物时，上层PVDF 产生触觉和热觉混合信号FE，下层PVDF 产生单一的触觉信号FF，其幅值略小于上层PVDF 的信号。如图3所示。将两个信号间做比例减法运算，从而彻底区分触觉和热觉信号。

4 仿真结果分析

Ansys 通用后处理器(POST1)和时间历程后处理器(POST26)具有丰富的后处理功能，可以通过很多方式进行分析:从简单的图形显示和列表，到复杂的数据操作等。通过实验可得如下数据:

1)X 轴施加-10～10 N 力时各压电薄膜的电压响应如图4 所示。

图3 传感器的响应信号特征Fig 3 Characteristics of response signal of sensor

图4 X 轴施加－10～10 N 力时各压电薄膜的电压响应Fig 4 Voltage response of each piezoelectric film force while X axis is applied －10～10 N

从图可以看出，FX对A，B，E，F 面上的电压几乎无影响，从而通过检测C，D 薄膜的响应电压值即可求出力FX，与公式(1)和式(2)的推导相吻合。

2)Y 轴施加-10～10 N 力时各压电薄膜的电压响应如图5 所示。

图5 Y 轴施加－10～10 N 力时各压电薄膜的电压响应Fig 5 Voltage response of each piezoelectric film force while Y axis is applied －10～10 N

从图可以看出:Fy对C，D，E，F 面上的电压几乎无影响，通过检测A，B 电压即可求得力Fy，满足公式(1)和式(3)的推导。

3)Z 轴施加-10～10 N 时各压电薄膜的电压响应如图6所示。

图6(a)是沿Z 轴施加-10～10 N 时，薄膜A，B，C，D各压电薄膜的电压响应，可以看出Fz对A，B，C，D 面上的电压影响几乎相同;图6(b)是PVDF 薄膜E，F 沿Z 轴施加-10～10 N 时各压电薄膜的电压响应，Fz对E，F 面上的电压影响相同，通过检测F 电压即可求得力Fz，与公式(1)推导吻合。

研究的对象为半径为2 mm，厚度为100 μm 的PVDF 薄膜圆盘，此薄膜的电容C=10 pF，选用的PVDF 薄膜的热释电系数为4 μC/cm2·K，其等效赛贝克系数为5 V/K，即当温度变化1 ℃时，PVDF 薄膜两侧将会产生5 V 的电压。

图6 Z 轴施加－10～10 N 时各压电薄膜的电压响应Fig 6 Voltage response of each piezoelectric film force while Z axis is applied －10～10 N

当温度变化1 ℃时，触觉/热觉传感器的电势如图7 所示。从图中可以看出，只有PVDF 薄膜E 有电压产生，当其它的PVDF 薄膜温度未发生变化时，不会因热释电效应产生电压响应，可以利用PVDF 薄膜E，F 的两个信号间做比例减法运算，彻底地区分触觉和热觉信号。利用热释电效应产生的电压信号，从而可以求解与触觉/热觉传感器接触的目标物体的热觉信息。

图7 温度变化1 ℃时传感器的电势图Fig 7 Potential diagram of sensor while 1 ℃change in temperature

5 结 论

通过仿真结果的分析可以看出:数据的分布与推导的公式具有较好的一致性，说明所设计的三维力触觉/热觉传感器具有可行性，对机器人触觉传感器的研究具有一定的推动作用。

［1］ Noda K，Hoshino K，Matsumoto K，et al.A shear stress sensor for tactile sensing with the piezore-sistive cantilever standing in elastic material［J］.Sensors and Actuators A:Physical，2006，127:295-301.

［2］ Wisitsoraat A，Patthanasetakul V，Lomas T，et al.Low cost thin film based piezoresistive MEMS tactile sensor［J］.Sensors and Actuators A，2007，139:17-22.

［3］ 沈国伟.电容式触觉阵列传感器原理与设计［J］.传感器世界，2007(3):13-15.

［4］ Schmidt P A，Mael E，Wurtz R P.A sensor for dynamic tactile information with applications in human-robot interaction and object exploration［J］.Robotics and Autonomous Systems，2006，54:1005-1014.

［5］ Heo J S，Chung J H，Lee J J.Tactile sensor arrays using fiber Bragg grating sensors［J］.Sensors and Actuators A，2006，126:312-327.

［6］ 王福君，刘 莉.基于磁敏Z 元件触觉传感器的研制［J］.电测与仪表，2000，37(3):37-38.

［7］ 姜明文，王人成，罗志增，等.具有触滑觉功能的肌电假手［J］.清华大学学报:自然科学版，2004，44(8):1051-1053.

［8］ Wen C C，Fang Weileun.Tuning the sensing range-land sensitivity of three-axis tactile sensors using the polymer composite membrane［J］.Sensors and Actuators A，2008，145:14-22.

［9］ 赵东斌，张文增，都 东，等.机器人用PVDF 触觉传感器的国内外研究现状［J］.压电与声光，2001，23(6):428-432.

［10］潘英俊，刘嘉敏，乔生仁.新型三维力觉传感器的设计与分析［J］.压电与声光，2001，23(5):349-350.