余建平，張玉良，周兆忠，2

(1.衢州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，浙江衢州 324000;2.浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州 310014)

0 引言

隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)與智能機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，越來越多的截肢患者通過人工假肢重新實(shí)現(xiàn)了日常生活的自理，而重塑觸覺感知，準(zhǔn)確還原觸覺信息，是實(shí)現(xiàn)人工假肢重建人體運(yùn)動(dòng)功能關(guān)鍵的一步［1－2］。

人工假肢的觸覺感知是通過觸覺敏感元件來識(shí)別對(duì)象的各種物理信息，因此構(gòu)建一種類似人體皮膚的觸覺敏感元件實(shí)現(xiàn)觸覺感知的需求就顯得尤為重要。近年來，“機(jī)器人觸覺敏感皮膚”作為一類新型的觸覺敏感元件已成為機(jī)器人觸覺傳感技術(shù)領(lǐng)域研究一個(gè)新的熱點(diǎn)［3－4］。

在人工假肢工作過程中，假肢表面需貼合在任意曲面上，機(jī)器人觸覺敏感皮膚必須設(shè)計(jì)成柔性結(jié)構(gòu)，能夠反復(fù)的彎曲和拉伸。傳統(tǒng)的硅片基底因過高的剛度系數(shù)并不適用于機(jī)器人觸覺敏感皮膚的制造，因此具有良好柔韌性的多聚合物材料漸漸成為制造機(jī)器人觸覺敏感皮膚的主要材料［5－7］。

本文提出了一種新型的柔性電容觸覺傳感陣列，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)z－向壓力與x－y向剪切力的測量。浮動(dòng)電極式的傳感陣列設(shè)計(jì)，由基于FPCB(柔性印刷電路板)的感應(yīng)電極層和基于PDMS(聚二甲基硅氧烷)的浮動(dòng)電極層替代傳統(tǒng)的上下兩層感應(yīng)電極層結(jié)構(gòu)，將較為脆弱的接口電路加工在底部的感應(yīng)電極層上，在一定程度上提高了浮動(dòng)電極層的撓曲剛度，使得該柔性電容觸覺傳感陣列可以承受更大的拉伸與彎曲。

1 觸覺傳感陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三維柔性電容觸覺傳感陣列可分解為若干個(gè)2 000 μm×2 000 μm的傳感單元。如圖1所示，每個(gè)傳感單元均包括了感應(yīng)電極層、中心絕緣層、浮動(dòng)電極層和表面層。

感應(yīng)電極層包含4個(gè)對(duì)稱分布的感應(yīng)電極S1、S2、S3和S4，尺寸均為400 μm ×400 μm，間距為300 μm。接口電路分為兩層，均加工在感應(yīng)電極層上，其中連接感應(yīng)電極S1和S4的接口電路加工在一層，連接感應(yīng)電極S2和S3的接口電路加工在另一層，對(duì)應(yīng)于4個(gè)感應(yīng)電極，每個(gè)傳感單元擁有4個(gè)輸出接口，分別定義為T1，T2，T3和T4。浮動(dòng)電極層包含一個(gè)浮動(dòng)電極S0，浮動(dòng)電極為外圍1 100 μm × 1 100 μm，內(nèi)徑 300 μm × 300 μm，厚度10 μm的正方形矩陣，大小恰好覆蓋住4個(gè)感應(yīng)電極。中心絕緣層的厚度為15 μm，中心位置加工有4個(gè)600 μm×600 μm的矩形凹槽，凹槽的間距為100 μm。

感應(yīng)電極層、中心絕緣層和浮動(dòng)電極層構(gòu)成四個(gè)獨(dú)立的電容傳感子單元，其電容量分別表示為CS1、CS2、CS3和CS4。表面層直接接觸被測對(duì)象表面，為提高傳感單元對(duì)剪切力的靈敏度，表面層加工為高度 300 μm，下底面為 700 μm ×700 μm，上表面為500 μm×500 μm的梯形塊。

2 浮動(dòng)電極式觸覺傳感單元原理

圖2(a)給出了簡化的傳統(tǒng)電容觸覺傳感單元結(jié)構(gòu)原理圖，包含了上下兩層感應(yīng)電極層，此時(shí)，電容傳感單元的電容量可計(jì)算得到:

圖1 三維柔性電容觸覺傳感單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

式中:ε0為真空介電常數(shù);AT為傳感單元極板面積;g為極板間距。

圖2(b)給出了本文所采用的浮動(dòng)電極式電容觸覺傳感單元結(jié)構(gòu)原理圖，感應(yīng)電極層上的四片感應(yīng)電極與浮動(dòng)電極上的一片浮動(dòng)電極構(gòu)成了4個(gè)獨(dú)立的傳感子單元，由于四片感應(yīng)電極結(jié)構(gòu)完全相同，因此4個(gè)傳感子單元的電容量可以表示為:

式中:AS為傳感子單元的極板面積;gn為傳感子單元各自的極板間距，由于 LM=LS，故 AS=1/4AT。

由于接口電路均加工在感應(yīng)電極層上，故檢測過程中輸出的并非傳感子單元的電容量，而是任意兩個(gè)輸出接口之間的電容量，其中T1和T2接口之間的電容量表示為CT1，T2和T3之間的電容量表示為CT2，T3和T4接口之間的電容量表示為CT3，T4和T1接口之間的電容量表示為CT4，則可以得到:

圖2 電容觸覺傳感單元結(jié)構(gòu)原理圖

初始階段，4個(gè)傳感子單元的電容量完全相等，當(dāng)z－向壓力Fz作用于傳感單元時(shí)，4個(gè)電容傳感子單元的極板間距發(fā)生相同的變化gz，此時(shí)4個(gè)電容變化量也相等。當(dāng)剪切力Fx作用于傳感單元時(shí)，CS2與CS4的極板間距減小gx，CS1與CS3的極板間距增大gx，同時(shí)由于Fx存在z－方向的分量，4個(gè)電容子單元的間距都改變kgx，k為比例系數(shù)。當(dāng)剪切力Fy作用于傳感單元時(shí)，CS1與CS2的極板間距減小 gy，CS3與CS4的極板間距增大gy，同時(shí)4個(gè)電容子單元的間距都改變kgy。

因此，當(dāng)z－向壓力與x－y向剪切力同時(shí)作用于傳感單元表面時(shí)，可以得到:

可以看到4個(gè)傳感子單元的電容變化量各不相同，對(duì)式(4)其進(jìn)行解算，得到z－向壓力與x－y向剪切力導(dǎo)致的極板間距的變化值，從而實(shí)現(xiàn)三維壓力的檢測。

3 機(jī)電耦合場分析

柔性電容觸覺傳感陣列綜合了結(jié)構(gòu)力學(xué)和靜電場的耦合分析，因此對(duì)傳感器開展性能分析與優(yōu)化的過程中，需要開展多物理場的機(jī)電耦合分析與仿真，本文使用COMSOL MultiphysicsR軟件展開本小節(jié)的研究。

由于傳感器采用了陣列式的結(jié)構(gòu)，因此在機(jī)電耦合場的有限元分析中，分析對(duì)象確定為單個(gè)觸覺傳感單元，并將與其他傳感單元接觸的4個(gè)邊界定義為對(duì)稱邊界以模擬現(xiàn)實(shí)的測量環(huán)境。感應(yīng)電極層采用FPCB工藝制作，其材料主要為聚酰亞胺(PI)，中心絕緣層、浮動(dòng)電極層和表面層均采用了PDMS材料，PDMS樹脂和固化劑的質(zhì)量比例為不同值時(shí)，將會(huì)呈現(xiàn)不同的力學(xué)性能，在本文的觸覺傳感陣列設(shè)計(jì)中，中心絕緣層與浮動(dòng)電極層應(yīng)易于變形，而表面層需要產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，因此對(duì)應(yīng)于不同的部位，將選用不同的PDMS材料，具體的材料性能如表1所示。

表1 傳感器有限元分析材料參數(shù)

柔性電容觸覺傳感陣列可以實(shí)現(xiàn)三維壓力測量，仿真過程中，在表面層的上表面施加載荷，F(xiàn)x、Fy和Fz初始值均定義為0。圖3繪出了Fy=Fz=0，x－方向施加給定載荷Fx=25 mN時(shí)，傳感單元的位移變化圖，可以看到傳感器的位移應(yīng)變主要集中在傳感器的傳感單元部分，表面層的凸起設(shè)計(jì)對(duì)于應(yīng)力集中有明顯的效果。

圖3 傳感單元的位移變化圖

圖4繪出了此時(shí)觸覺傳感單元的電場云圖，可以看到x－方向的載荷導(dǎo)致4個(gè)電容傳感子單元的電場產(chǎn)生不同的分布，從而改變其電容值。

圖4 傳感單元的電場云圖

為全面驗(yàn)證柔性電容觸覺傳感陣列實(shí)現(xiàn)三維壓力測量的性能，F(xiàn)x、Fy和Fz設(shè)置為可變參量，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)載荷下的機(jī)電耦合場分析。圖5繪出了將Fx單獨(dú)設(shè)置為可變參量時(shí)，4個(gè)獨(dú)立的電容傳感子單元的電容值與施加載荷的關(guān)系曲線，可以看出，在較小的載荷下，傳感器的壓力特性呈現(xiàn)良好的線性，通過計(jì)算可以得到傳感陣列在x－方向的靈敏度為1.0%/mN。

圖6繪出了將Fz單獨(dú)設(shè)置為可變參量時(shí)，電容值與施加載荷的關(guān)系曲線，可以看出四個(gè)電容傳感子單元的電容值變化量相同，同時(shí)得到傳感陣列在z－方向的靈敏度為0.8%/mN。

4 制作工藝設(shè)計(jì)

柔性電容觸覺傳感陣列分為4層，圖7分層描述了詳細(xì)的制作加工過程。

圖5 Fx設(shè)置為可變參量時(shí)，電容值與施加載荷的關(guān)系曲線

圖6 Fz設(shè)置為可變參量時(shí)，電容值與施加載荷的關(guān)系曲線

如圖7(a)所示，制作表面層時(shí)，取1塊硅基板，背面使用KOH進(jìn)行各向異性刻蝕，形成倒梯形模具，并制作厚度為100 μm的PDMS涂層，分離后即可得到所需的表面層。如圖7(b)所示，絕緣層采用SU－8膠光刻工藝，首先在硅基板上制作SU－8光刻膠，然后采用掩模板光刻所需的圖形，形成絕緣層圖形模具，將圖形模具固定在真空熱壓機(jī)上，壓入PDMS，熱補(bǔ)過程后，從圖形模具上脫下PDMS圖形，即得到所需的絕緣層。感應(yīng)電極層采用FPCB技術(shù)制作，因?yàn)楦袘?yīng)電極層的接口電路分為兩層，因此具體制作時(shí)采用了多層板的結(jié)構(gòu)，其中連接感應(yīng)電極S1和S4的接口電路與連接感應(yīng)電極S2和S3的接口電路需加工在不同的導(dǎo)電層上，感應(yīng)電極則單獨(dú)加工在頂部的導(dǎo)電層上，感應(yīng)電極層的上下表面均有阻焊層作為保護(hù)膠片。如圖7(d)所示，制作浮動(dòng)電極層時(shí)，首先在硅基板背面旋轉(zhuǎn)鍍膜一層正膠作為犧牲層，并利用光刻膠作為電鍍模板，在犧牲層上電鍍出所需的浮動(dòng)電極陣列，為防止浮動(dòng)電極脫落，在浮動(dòng)電極背面需濺射一層鈦?zhàn)鰹檎掣綄樱又鴮DMS材料采用旋轉(zhuǎn)鍍膜的方法加工在粘附層上，為保證浮動(dòng)電極層不發(fā)生變形，旋轉(zhuǎn)鍍膜的過程要在常溫下操作，最后將浮動(dòng)電極層從硅基板上剝落，即完成浮動(dòng)電極層的制作過程。

中心絕緣層、浮動(dòng)電極層和表面層均為PDMS材質(zhì)，制作完成后，通過氧等離子處理使其相互粘合，形成PDMS結(jié)構(gòu)。感應(yīng)電極層則通過PDMS預(yù)聚物粘合在PDMS結(jié)構(gòu)上。圖7(e)則描繪出柔性電容觸覺傳感陣列的分層裝配圖。

圖7 柔性電容觸覺傳感陣列制作工藝設(shè)計(jì)

5 結(jié)論

本文成功地提出了一種新型的三維柔性電容觸覺傳感陣列，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)z－向壓力與x－y向剪切力的測量。并采用浮動(dòng)電極式的傳感陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別制作了基于FPCB的感應(yīng)電極層和基于PDMS的浮動(dòng)電極層，大幅提高浮動(dòng)電極層的撓曲剛度，使得柔性電容觸覺傳感陣列可以承受較大的拉伸與彎曲。

通過機(jī)電耦合場有限元分析，驗(yàn)證了柔性電容觸覺傳感陣列的三維解耦測量能力，x－y和z－方向上傳感陣列的理論靈敏度分別為1.0%/mN和0.8%/mN，可廣泛應(yīng)用于人工假肢的觸覺感知重塑中，具有較高的研究價(jià)值和工程意義。

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