許玉云,許德章,2?

(1．安徽工程大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院,安徽蕪湖 241000; 2．蕪湖安普機器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司,安徽蕪湖 241007)

?

PVDF薄膜型滑覺傳感器設(shè)計和性能測試研究

許玉云1,許德章1,2?

(1．安徽工程大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院,安徽蕪湖 241000; 2．蕪湖安普機器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司,安徽蕪湖 241007)

摘要:選用PVDF(壓電薄膜)柔性材料作為傳感器敏感元件,基于PVDF壓電原理構(gòu)建了敏感單元陣列,并從敏感單元陣列輸出信號中解算出接觸面法向和接觸面內(nèi)兩個切向力信號．根據(jù)不同滑移狀態(tài)摩擦系數(shù)μ的變化特征,借助接觸面法向和接觸面內(nèi)兩個切向力信號計算摩擦系數(shù)μ,進而判定手指與目標間滑移狀態(tài)．為了充分驗證方案的可行性,制作了滑覺傳感器樣品及實驗裝置,實驗結(jié)果表明,傳感器可靠地檢測出手指與目標間的滑覺狀態(tài)．

關(guān) 鍵 詞:PVDF;滑覺信號;摩擦系數(shù)

在精密作業(yè)過程中,智能機器人的末端操作器或者靈巧手觸覺感知非常重要[1-2]．觸覺包括滑移、冷熱、振動、質(zhì)感、目標形態(tài)等主要感知形式,反映了機械手指與目標間的接觸狀態(tài)以及目標物本身的信息特征[3-4]．滑覺是觸覺感知的重要組成部分,滑覺信號對于機械手指穩(wěn)定抓取目標是必不可少的[5]．滑覺信號檢測目前有3種途徑,一是檢測手指與目標接觸點位置的變化,例如Takahashi T[6]等利用陣列式觸覺傳感器檢測手指與目標接觸點位置變化,判別手指與目標間滑移狀態(tài),該方案的主要不足在于只有出現(xiàn)滑移時才能產(chǎn)生接觸點位置變化,不能預(yù)測滑移趨勢;二是基于手指與目標間出現(xiàn)滑移時伴隨振動特征識別滑移狀態(tài),但滑動時所產(chǎn)生的振動很難與其他振動信號區(qū)分,需要復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理獲得滑動狀態(tài)檢測的閾值[7];三是檢測手指所受三維力的大小,進一步得到摩擦系數(shù)的變化狀態(tài),基于MEMS工藝Van Anh Ho[8]等研制了三維力傳感器,檢測指尖受到的三維作用力,通過摩擦系數(shù)的變化判別滑移狀態(tài),其主要不足在于MEMS工藝復(fù)雜、測量范圍小、精度低;也有學(xué)者選用光纖制作三維指力傳感器,同樣采用摩擦系數(shù)的變化判別滑移狀態(tài),但傳感器尺寸較大、光路復(fù)雜、需要高性能處理器[9]．PVDF薄膜具有質(zhì)輕、柔軟、機械韌性好、易剪裁等機械特性,擁有寬頻帶、高介電強度、靈敏度極好等優(yōu)點,可以剪裁成任意形狀直接敷貼在手指表面,不影響手指機械運動．因此,選用PVDF壓電薄膜制作敏感單元,基于摩擦系數(shù)變化判別滑移狀態(tài),但需要解決兩個關(guān)鍵問題,一是從PVDF表面電荷信號中解算Fn、FTX和FTY三維力分量;二是克服PVDF只能檢測載荷變化量,不能精確檢測靜態(tài)力的缺陷．

1 滑覺特征提取

1．1 滑覺特征描述

滑覺用于描述機械手指與操縱目標間的接觸狀態(tài)．手指與目標間接觸存在相對滑動和相對靜止兩種狀態(tài),可以從運動學(xué)和力學(xué)量兩角度分別描述．

(1)滑覺運動學(xué)特征．當v手指＝v目標,目標與手指相對靜止,無滑動;當v手指≠v目標,目標與手指相對運動,存在滑動．手指或操作目標接觸點的運動速度是手指或操作目標平動和轉(zhuǎn)動的合成,不僅需要分別測量目標或手指的平動和轉(zhuǎn)動量,而且需要確定目標和手指的瞬心位置以及接觸點位置;加之瞬心位置和接觸點的位置是時間的函數(shù),因此,通過直接檢測手指與目標接觸區(qū)域的相對運動速度抽取滑覺特征,在目前技術(shù)條件下存在很大困難．

(2)滑覺力學(xué)特征．從手指與操縱目標間相互作用力狀態(tài)角度看,當μ＝C,目標與手指相對運動(存在滑動);當μ≠C,目標與手指相對靜止,無滑動．因μ無法直接檢測,需要借助式(1)解算,間接獲得μ的值．由目標與操作機械手之間的力學(xué)關(guān)系得:

式中,C表示常數(shù);μ為手指與目標間接觸區(qū)域的摩擦系數(shù);Fn為手指與目標接觸法線方向上所受到的正壓力;FT為手指與目標接觸的切平面內(nèi)所受到的切向力．

1．2 滑覺信號獲取原理

鑒于前文對滑覺特征的討論,基于檢測摩擦系數(shù)μ的變化情況,判定目標與操作機械手之間的滑移狀態(tài)．由式(1)可知,求解μ需要由傳感器檢測出Fn和FT,其中,FT由FTX和FTY兩個分量組成．壓電薄膜具有突出的壓電效應(yīng),在壓力作用下的變形將改變其表面電荷密度,利用電荷放大電路,可以精確檢測其表面電荷變化量Q．通過指力傳感器結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計以及壓電薄膜敏感單元陣列合理布局,由電荷量Q間接推導(dǎo)出Fn、FTX和FTY3個分量．當PVDF受到力的作用時,將引起表面電荷量的變化,類似于電容器充放電過程,因此,PVDF敏感元件只能測量動載荷,難以精確檢測靜載荷．另一方面,手指與目標物體之間的接觸力一直處于變化之中,本質(zhì)上屬于動載荷．當手指與目標間無相對位置變化(不滑動)時,接觸力的變化會導(dǎo)致敏感單元表面電荷的變化,摩擦系數(shù)μ也處于變化中;當手指與目標間處于滑動狀態(tài)時,接觸力的變化同樣會導(dǎo)致敏感單元表面電荷的變化,但摩擦系數(shù)值基本不變,即摩擦系數(shù)μ不隨接觸力的變化而變化．因此,利用摩擦系數(shù)μ的上述特征可以準確地判別手指與目標間的滑移狀態(tài)．

2 指力傳感器設(shè)計和工作原理分析

圖1 手指實物模型以及敏感單元的分布示意圖

手指實物模型以及敏感單元的分布示意圖如圖1所示．為了增強手指抓取目標的穩(wěn)定性,增大手指與目標間的接觸面,選用硅膠材料制作手指．由圖1可知,手指實物模型呈現(xiàn)軟手指特征．手指模型的前部(手指與目標接觸區(qū))按1/4橢球曲面制作,后部(手指軀干)按橢圓柱曲面制作．因此,當手指與目標接觸時,接觸區(qū)域近似橢圓曲面．為了便于描述手指與目標間接觸狀態(tài),建立圖1所示的坐標系,手指與目標間接觸區(qū)域的曲面形狀可以表示為:

為了從PVDF表面電荷信號中,解算Fn、FTX和FTY3個分量,在手指前部按圖1所示的方位敷設(shè)3條PVDF壓電薄膜敏感單元,布置成等邊三角形圖案．其中,陰影部分為手指與目標的接觸區(qū)域,1、2和3為PVDF壓電薄膜敏感單元．PVDF壓電效應(yīng)滿足以下關(guān)系式:

式中,Q為PVDF表面電荷;d3i為壓電系數(shù),第一個下標3表示產(chǎn)生電荷的表面垂直于厚度方向,第二個下標i為應(yīng)力方向或應(yīng)變軸;Fi為相關(guān)方向上所加的應(yīng)力,F1代表長度(拉伸)方向所受的切向力(即FTX),F2代表寬度(橫向)方向所受的切向力(即FTY),F3代表厚度(極化)方向所受的力(即Fn);A為導(dǎo)電極有效面積．

當軟手指與目標接觸時,手指接觸平面上的3條PVDF敏感單元將受接觸力作用．當目標與手指間存在滑動或滑動趨勢時,3條PVDF敏感單元將受接觸切平面兩相互垂直的切向力FTX、FTY和沿接觸面法線方向的法向力Fn共同作用．參照圖1建立坐標系,敏感單元1、2和3輸出的電荷量與受力分別滿足式:

式中,Qi(i＝1,2,3)表示PVDF敏感單元i所產(chǎn)生的電荷量;Fn表示目標與手指接觸面沿法線方向的法向力;FTX和FTY表示手指與目標接觸切平面內(nèi)兩相互垂直的切向力．

式(4)、式(5)和式(6)中壓電系數(shù)d3i和導(dǎo)電極有效面積A為已知數(shù),由此可知,能夠從3條PVDF敏感單元表面電荷量Qi,推導(dǎo)出手指與目標接觸時所受到切向力FTX,FTY和法向力Fn的大小．依據(jù)式(7)可以計算摩擦系數(shù)μ,并根據(jù)變化μ的情況判定手指與目標間滑移狀態(tài)．

3 性能測試

3．1 試驗平臺的搭建

為了測試指力傳感器性能,驗證其功能,設(shè)計制作了一個實驗測試裝置,如圖2、圖3所示．由圖2、圖3可知,實驗裝置由上支架1、中支架2、下支架3、立柱4、底座5、滑輪6、砝碼7、夾具8、平臺9、指力傳感器10組成．上支架1、中支架2和下支架3高度可以調(diào)整,可繞立柱旋轉(zhuǎn),3個支架上的水平支撐桿可以伸縮調(diào)整;指力傳感器10通過夾具8固定,安放到平臺9上;平臺9的角度可調(diào)節(jié),用于改變指力傳感器10受力位置;在滑輪6兩側(cè)分別吊裝砝碼7和夾具8,在夾具8重量不變的情形下,通過調(diào)整砝碼7的重量,改變指力傳感器10的測定載荷;移動下支架3水平支撐桿的位置,控制指力傳感器10與平臺9間相對運動,模擬指力與操作目標間相對滑移狀態(tài)．

PVDF敏感單元實物圖如圖4所示．由圖4可知,敏感單元感應(yīng)的電荷信號通過虛擬儀器NI PXI-4204的AI0、AI1、AI2端口接入．利用Labview軟件工具,對敏感單元感應(yīng)輸出的電荷信號進行放大、低通濾波和工頻陷波處理以及A/D處理后,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號．其中,低通濾波的截止頻率設(shè)定為100 Hz．依據(jù)式(4)、式(5)、式(6)和式(7),利用Matlab處理上述數(shù)字信號,繪制FT、FTX和FTY變化曲線以及對應(yīng)的摩擦系數(shù)μ變化曲線．

圖2 實驗裝置實物圖

圖3 實驗裝置三維設(shè)計圖

圖4 PVDF敏感單元實物圖

3．2 實驗過程

為了驗證指力傳感器檢測手指與目標間滑移狀態(tài)的可行性,擬定如下實驗方案．

(1)指力傳感器與平臺間相對靜止．指力傳感器與平臺接觸,相對位置保持不變,改變砝碼重量,測定一組實驗數(shù)據(jù)．在相對靜止時,FTX、FTY、Fn以及摩擦系數(shù)μ隨時間變化的曲線分別如圖5～圖8所示．由圖8可知,顯示摩擦系數(shù)μ處于變化狀態(tài),表明手指與目標間處于相對靜止狀態(tài)(無滑動)．

(2)指力傳感器與平臺間存在相對滑動．移動下支架水平支撐桿,使指力傳感器與平臺從相對靜止轉(zhuǎn)化為相對滑動狀態(tài),測定一組實驗數(shù)據(jù)．FTX、FTY和Fn隨時間變化的曲線分別如圖9～圖11所示．摩擦系數(shù)μ隨時間變化的曲線如圖12所示．由圖12可知,摩擦系數(shù)μ在0～0．25 s內(nèi)處于波動狀態(tài),表明手指與目標間不存在滑動,μ為靜摩擦系數(shù);在0．25～1 s間μ波動幅度很小,反映μ為動摩擦系數(shù)保持不變,表明手指與目標之間存在滑動;三維力在0．6～0．7 s間產(chǎn)生較大波動,但是摩擦系數(shù)μ基本保持不變,表明手指與目標間產(chǎn)生相對滑移時,摩擦系數(shù)μ不隨接觸力的變化而改變．

圖5 在相對靜止時,FTX隨時間變化的曲線

圖6 在相對靜止時,FTY隨時間變化的曲線

圖7 在相對靜止時,Fn隨時間變化的曲線

圖8 在相對靜止時,μ隨時間變化的曲線

圖9 在相對滑動時,FTX隨時間變化的曲線

圖10 在相對滑動時,FTY隨時間變化的曲線

圖11 在相對滑動時,Fn隨時間變化的曲線

圖12 在相對滑動時,μ隨時間變化的曲線

4 結(jié)論

利用PVDF獨特的壓電效應(yīng)和質(zhì)地輕柔、易于剪裁、力電轉(zhuǎn)換靈敏度高等特點,在手指上布置陣列式分布的壓電薄膜敏感單元．從敏感單元表面電荷信號中間接推導(dǎo)出FTX、FTY和Fn,進一步計算出摩擦系數(shù)μ,并根據(jù)摩擦系數(shù)μ的變化狀態(tài)判定手指與目標間的滑移狀態(tài)．根據(jù)手指與目標間出現(xiàn)相對滑移時摩擦系數(shù)μ不隨接觸力變化而改變的特征,克服了PVDF敏感元件只能測量動載荷,難以精確檢測靜載荷的不足．實驗結(jié)果表明,自制的指力傳感器能夠可靠地實現(xiàn)滑覺檢測功能．

參考文獻:

[1] Hanna Yousef,Mehdi Boukallel,Kaspar Althoefer．Tactile sensing for dexterous in-hand manipulation in robotics-A review[J]．Sensors and Actuators A,2011,167(2):171-187．

[2] Masahiro Kondo,Jun Ueda,Tsukasa Ogasawara．Recognition of in-hand manipulation using contact state transition for multifingered robot hand control[J]．Robotics and Autonomous Systems,2008,56(1):66-81．

[3] A Ramalho,P Szekeres,E Fernandes．Friction and tactile perception of textile fabrics[J]．Tribology International,2013, 63:29-33．

[4] Diego R Faria,Ricardo Martins,Jorge Lobo．Jorge Dias Extracting data from human manipulation of objects towards improving autonomous robotic grasping[J]．Robotics and Autonomous Systems,2012,60(3):396-410．

[5] R S Johansson,J R Flanagan．Coding and use of tactile signals from the fingertips in object manipulation tasks[J]．Nature Reviews Neuroscience,2009,10(5):345-359．

[6] Taro Takahashi,Toshimitsu Tsuboi,Takeo Kishida,et al．Adaptive grasping by multi fingered hand with tactile sensor based on robust force and position control[C]//Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation,Pasadena:Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc,2008:264-271．

[7] Shouhei Shirafuji,Koh Hosoda．Detection and prevention of slip using sensors with different properties embedded in elastic artificial skin on the basis of previous experience[J]．Robotics and Autonomous Systems,2014,62(1):46-52．

[8] Van Anh Ho,Dzung Viet Dao,Susumu Sugiyama,et al．Development and analysis of a sliding tactile soft fingertip embedded with a microforce/moment sensor[J]．IEEE Transactions on Robotics,2011,27(3):411-424．

[9] Masahiro Ohka,Jumpei Takta,Hiroaki Kobayashi,et al．A robotic finger equipped with an optical three-axis tactile sensor[J]．Japan Society of Mechanical Enginears,2008,74(4):859-866．

Design and performance test of PVDF film-type slide sensor

XU Yu-yun1,XU De-zhang1,2?
(1．College of Mechanical and Automotive Engineering,Anhui Polytechnic University,Wuhu 241000,China; 2．Wuhu Anpu Technology Research Institute Co．Ltd．,Wuhu,241007,China)

Abstract:Flexible material PVDF(piezoelectric film)is selected as a sensor sensitive element,sensitive element array is constructed based on PVDF piezoelectric principle．The contact surface normal face and two tangential forces are calculated from the output signal of the sensitive cell array．Then,the friction coefficient is calculated to determine the slip state between the finger and the target according to the characteristics of friction coefficient in different slip state．The slip sensor sample and the experimental device are made to fully verify the feasibility of the program,and the experimental results show that the sensor reliably detects the slip state between the finger and the target．

Key words:PVDF;slippery sensing;Friction coefficient

中圖分類號:TP212．1

文獻標識碼:A

收稿日期:2015-11-12

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(51175001)

作者簡介:許玉云(1993-),女,安徽合肥人,碩士研究生．

通訊作者:許德章(1964-),男,安徽蕪湖人,教授,博士．