曹鑫林，王先進(jìn)，郭成東，李鷺揚(yáng)，邊義祥

(揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引言

生物對(duì)外界信息的采集主要依靠皮膚，皮膚將受到的物理刺激的強(qiáng)度及位置傳到大腦。隨著機(jī)器人科技的發(fā)展，能夠感知環(huán)境的刺激并做出合理反應(yīng)是人們對(duì)機(jī)器人的新要求，這促使了電子皮膚的誕生[2]。目前電子皮膚主要在機(jī)器人、假肢及穿戴設(shè)備3個(gè)領(lǐng)域使用[3]。因此，設(shè)計(jì)制備電子皮膚柔性觸覺傳感器非常重要，它可以提高機(jī)器人的智能化水平，在機(jī)器人工作時(shí)，除能有效地避免障礙物外，還能對(duì)突然碰撞的物體做出合理的反應(yīng)，而且環(huán)境感知能力能夠幫助機(jī)器人在惡劣環(huán)境的情況下工作[4]。設(shè)計(jì)制備電子皮膚柔性觸覺傳感器有兩種形式[5]：

1) 如人體皮膚一樣放置在機(jī)器人上[6]。

2) 如數(shù)字手套一樣穿戴在機(jī)器人上[7]。

作為電子皮膚感知外界刺激的觸覺傳感器應(yīng)具有高靈敏度，能夠感知皮膚上微小的刺激；高柔軟性能適應(yīng)機(jī)器人上不同的曲面，并能夠承受拉伸、擠壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形[8]；低成本，制備工藝應(yīng)簡單[9]。以聚偏二氟乙烯(PVDF)為材料的壓電傳感器能達(dá)到以上要求。近年來，由于PVDF材料具有優(yōu)良的壓電性及柔軟性而備受關(guān)注[10-11]。與其他壓電材料(如壓電陶瓷)相比，PVDF材料更靈活、柔軟[12]。因此，本文設(shè)計(jì)制備了以PVDF為材料的壓電式電子皮膚柔性觸覺傳感器，以液體芯PVDF壓電纖維表面的壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷為基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)分析了陣列的電子皮膚柔性傳感器在不同力及不同位置的信號(hào)差異。最后通過機(jī)器學(xué)習(xí)來實(shí)現(xiàn)通過信號(hào)數(shù)據(jù)得知力的大小及坐標(biāo)位置。

1 液體芯PVDF壓電纖維的制備

將PVDF顆粒放在100 ℃的恒溫裝置上，完全干燥后放入拉絲裝置中熔化。PVDF在170 ℃時(shí)達(dá)到熔融狀態(tài)，因此，將恒溫爐調(diào)到200 ℃使PVDF達(dá)到熔融狀態(tài)[13]。再將PVDF和金屬絲從模具底部擠出，在空氣中冷卻后形成金屬芯PVDF壓電纖維(見圖1)。PVDF纖維在受到外力作用下，其表面的電荷密度會(huì)發(fā)生變化,因此，PVDF涂導(dǎo)電銀漿后通過電極來收集電荷，然后以信號(hào)的形式進(jìn)行反饋。

圖1 金屬芯PVDF壓電纖維

將金屬芯PVDF壓電纖維進(jìn)行極化處理。PVDF是半結(jié)晶高分子材料，具有α、β、γ、δ4種晶相，其中β相是有極性的[14]。極化裝置可使PVDF纖維的β相方向與極化方向相同，這樣能讓PVDF的壓電性更強(qiáng)。最后將金屬絲抽出，注入超導(dǎo)電炭黑水溶劑。在PVDF纖維中間插入一根超細(xì)的金屬絲作為一個(gè)電極，PVDF纖維表面的導(dǎo)電銀漿作為另一個(gè)電極。這樣便制備出了液體芯PVDF壓電纖維(見圖2)，其橫截面如圖3所示。

圖2 液體芯PVDF纖維

圖3 液體芯PVDF纖維的橫截面

2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)狀電子皮膚柔性觸覺傳感器的制備

將6根液體芯PVDF壓電纖維以3×3的陣列放置在68 mm×68 mm的正方形模具中(制備的液體芯PVDF壓電纖維為68 mm)，液體芯PVDF壓電纖維兩兩相距17 mm，且兩兩相互編織。由于液體芯PVDF壓電纖維表面涂布的是全電極，當(dāng)液體芯PVDF壓電纖維表面兩兩接觸后會(huì)造成其表面電極間的短路，為了克服短路而導(dǎo)致電子皮膚對(duì)于信號(hào)輸出的影響，在兩個(gè)液體芯PVDF壓電纖維交匯處用絕緣薄膜隔開。這里的絕緣薄膜使用保鮮膜，因?yàn)楸ｕr膜具有透明、柔軟、薄和絕緣的特點(diǎn)， 幾乎不影響電子皮膚的性能。最后將編織后的液體芯PVDF壓電纖維放在自制裝置中并注入人體硅橡膠,制備的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)狀電子皮膚柔性觸覺傳感器如圖4所示。

圖4 陣列的電子皮膚柔性觸覺傳感器

3 電子皮膚柔性觸覺傳感器的傳感原理

液體芯PVDF壓電纖維受到推力計(jì)的壓力時(shí)，由于壓電效應(yīng)，將在其表面產(chǎn)生電荷Q。液體芯PVDF壓電纖維是圓柱形狀，使用圓柱坐標(biāo)系。液體芯PVDF纖維幾何形狀如圖5所示。圖中，Rm為內(nèi)部半徑，Rp為外部半徑，L為液體芯PVDF纖維的長度，θ為標(biāo)準(zhǔn)圓柱坐標(biāo)系的方位角。

圖5 液體芯PVDF壓電纖維的圓柱坐標(biāo)系和幾何形狀

壓電方程具有4種類型，采用d型壓電方程[15]。由于液體芯PVDF壓電纖維的L?2Rp，所以受到的周向應(yīng)力、切應(yīng)力可忽略。當(dāng)液體芯PVDF壓電纖維表面電極與中間液體芯電極導(dǎo)電,且受到外加電壓時(shí)，應(yīng)力條件和電場(chǎng)條件為

T33=T22=T32=T21=T31=0

(1)

E2=E1=0

(2)

式中：Tij為液體芯PVDF壓電纖維所受應(yīng)力；Ei為電場(chǎng)強(qiáng)度。此時(shí)壓電方程為

(3)

由式(3)可知,當(dāng)有應(yīng)變時(shí)，液體芯PVDF壓電纖維表面電極與內(nèi)部液體芯電極產(chǎn)生電荷。但由于電荷過小，在電路中電荷易被消耗，用電荷放大器將Q轉(zhuǎn)化成電壓(V),并通過數(shù)據(jù)采集卡讀取。

4 電子皮膚柔性觸覺傳感器實(shí)驗(yàn)

為了明確電子皮膚受到壓力作用產(chǎn)生信號(hào)值的標(biāo)準(zhǔn)，使用以單根液體芯PVDF壓電纖維制備成的電子皮膚柔性傳感器，將推力計(jì)連接電腦端，采集推力計(jì)作用在電子皮膚上力的作用波形。電子皮膚表面受到壓力后，纖維產(chǎn)生的電荷變化通過電荷放大器被數(shù)據(jù)采集卡采集，形成電壓信號(hào)波形，與推力計(jì)作用在電子皮膚上的波形進(jìn)行對(duì)比,如圖6所示。通過對(duì)比圖6(a)、(b)的波形發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電子皮膚受到壓力后，電壓信號(hào)也發(fā)生相應(yīng)的變化，因此，選擇以電壓波形的幅值大小作為信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 纖維受到壓力時(shí)信號(hào)波形、推力計(jì)施加壓力波形

將電子皮膚固定在三維位移平臺(tái)的上方，調(diào)動(dòng)位移平臺(tái)的x、y、z軸,以精確移動(dòng)人工皮膚的柔性觸覺傳感器。接著劃分坐標(biāo)，將6根纖維以A、B、C、D、E、F為代號(hào)區(qū)分，如圖7所示，共有49個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)。液體芯的鉬絲、銅絲作為正、負(fù)極，連接到電荷放大器并接入數(shù)據(jù)采集卡，將信號(hào)傳輸至上位機(jī)，實(shí)驗(yàn)裝置布置圖如圖8所示。推力計(jì)以若干確定坐標(biāo)擠壓刺激人工皮膚柔性觸覺傳感器(見圖9)，記錄壓力的大小、受力坐標(biāo)。將電荷變化數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin濾波計(jì)算后得到幅值。

圖7 皮膚柔性觸覺傳感器坐標(biāo)劃分

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置布置圖

圖9 推力計(jì)垂直作用在電子皮膚上實(shí)驗(yàn)圖

通過實(shí)驗(yàn)可知,在電子皮膚上施加相應(yīng)的力，則6根液體芯PVDF壓電纖維有對(duì)應(yīng)的信號(hào)。將信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡采集后，通過Origin建立坐標(biāo)系形成圖像，再采用非線性擬合得到擬合曲線及對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)方程。

圖10為推力計(jì)給6根液體芯PVDF壓電纖維正上方施加的力與信號(hào)關(guān)系。由圖可知，隨著力的增加，液體芯PVDF壓電纖維的信號(hào)也隨之增大。通過Origin將點(diǎn)擬合后得到擬合曲線的方程為

(4)

式中：C為壓電纖維信號(hào)；F為施加壓力；a1、a2、a3、p為擬合后方程參數(shù)。已知信號(hào)大小后通過式(4)可得出作用力的大小。

不同距離對(duì)電子皮膚中的液體芯PVDF壓電纖維施加的力所產(chǎn)生的信號(hào)也不同，即可看作方程參數(shù)不同，如表1所示。

表1 擬合曲線的方程參數(shù)

通過式(4)可推理出力的作用點(diǎn)及坐標(biāo)。首先挑選出4個(gè)信號(hào)最大的液體芯PVDF壓電纖維以鎖定坐標(biāo)區(qū)域，當(dāng)單根的液體芯PVDF壓電纖維的信號(hào)比其他纖維大時(shí)，則可以推斷出力的坐標(biāo)在哪根纖維上，采用式(4)可計(jì)算出力的大小。當(dāng)4根液體芯PVDF壓電纖維的信號(hào)一致時(shí)，可判斷出力作用在中間位置，將4個(gè)信號(hào)值代入式(4)后得出4個(gè)力的大小，并取4個(gè)力的平均數(shù)。當(dāng)然這樣計(jì)算不精確，且當(dāng)液體芯PVDF壓電纖維的數(shù)量增加到很大時(shí)，面積將增加到很大，坐標(biāo)變復(fù)雜，對(duì)作用力的計(jì)算也會(huì)復(fù)雜。因此需要采用機(jī)器學(xué)習(xí)，用覆蓋式的實(shí)驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)來進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，以達(dá)到方便且精確的力大小及坐標(biāo)。

5 采用機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)電子皮膚對(duì)力的采集

運(yùn)用Matlab可以對(duì)數(shù)據(jù)使用函數(shù)進(jìn)行分類及學(xué)習(xí)。Matlab可以瀏覽數(shù)據(jù)、選擇功能、指定驗(yàn)證方案、培訓(xùn)模型和評(píng)估結(jié)果，可以執(zhí)行自動(dòng)培訓(xùn)以搜索最佳分類模型類型, 包括決策樹、判別分析、支持向量機(jī)、邏輯回歸、最近鄰居和集合分類等[16]。Matlab的工具箱功能多樣且強(qiáng)大，這里運(yùn)用逆向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法及分類學(xué)習(xí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

5.1 運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法具有任意復(fù)雜的模式分類能力和優(yōu)良的多維函數(shù)映射能力，解決了簡單感知器不能解決的異或和其他問題。結(jié)構(gòu)上BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有輸入層、隱藏層和輸出層；本質(zhì)上BP算法是以網(wǎng)絡(luò)誤差平方為目標(biāo)函數(shù),采用梯度下降法來計(jì)算目標(biāo)函數(shù)的最小值[17]。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以針對(duì)每一個(gè)液體芯PVDF壓電纖維不同的信號(hào)數(shù)據(jù)，通過不斷地訓(xùn)練、驗(yàn)證、測(cè)試，得到一個(gè)契合電子皮膚的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從而能夠?qū)?根液體芯PVDF壓電纖維不同的信號(hào)輸出成力的具體數(shù)值。

首先將信號(hào)與力的數(shù)據(jù)分別作為訓(xùn)練的輸入值和目標(biāo)值，然后分別將訓(xùn)練集、驗(yàn)證集、測(cè)試集設(shè)置為70%、15%、15%，接著將神經(jīng)元數(shù)量設(shè)置為10，最后訓(xùn)練及查看訓(xùn)練結(jié)果圖的誤差分析圖(Performance)及回歸分析圖(Regression)，如圖11所示。

圖11 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法訓(xùn)練結(jié)果圖

由圖11(a)可知，3條曲線分別為訓(xùn)練集、驗(yàn)證集、測(cè)試集，且當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到36次時(shí)，迭代結(jié)束。由圖11(b)可看出回歸系數(shù)(R)為0.874 22，說明訓(xùn)練的結(jié)果很理想，所以訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)效果很好。

5.2 運(yùn)用分類學(xué)習(xí)

Matlab工具箱里的分類學(xué)習(xí)(Classification Learner)可以將不同的液體芯PVDF壓電纖維的信號(hào)進(jìn)行分類，由于力的作用點(diǎn)不同，6根液體芯PVDF壓電纖維的信號(hào)大小也不同，以此來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類學(xué)習(xí)。通過不同信號(hào)的表現(xiàn)能輸出具體的坐標(biāo)，最終在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法及分類學(xué)習(xí)下將6根液體芯PVDF壓電纖維的信號(hào)轉(zhuǎn)化成力的大小及作用點(diǎn)。

首先將數(shù)據(jù)導(dǎo)入其中，然后設(shè)置預(yù)測(cè)值以及反饋值。由于每個(gè)算法對(duì)數(shù)據(jù)的處理不同，所以使用所有的算法進(jìn)行計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，中等高斯向量機(jī)(Medium Gaussian SVM)算法學(xué)習(xí)的程度最高(為94.2%)。因此，哪個(gè)學(xué)習(xí)程度較高，就采用哪個(gè)算法。最后查看分類學(xué)習(xí)結(jié)果的平行坐標(biāo)圖(Parallel Coordinates Plot)及接受者操作特征曲線圖(ROC Curve)。

圖12(a)為機(jī)器學(xué)習(xí)的平行坐標(biāo)圖。由圖可知，同一屬性的相同顏色相對(duì)集中，且屬性上線條有顏色、有規(guī)律，這代表了本次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)具有非常好的規(guī)律性，能夠很好地進(jìn)行分類學(xué)習(xí)。圖12(b)為49個(gè)接受者操作特征曲線的其中一種，由圖可知，曲線下面積(AUC)的取值是1，這說明檢測(cè)方法的真實(shí)性很高，左上角直角程度代表了本次分類學(xué)習(xí)的結(jié)果很好。最后保存至工作區(qū)，等待后續(xù)驗(yàn)證及采用。

圖12 分類學(xué)習(xí)結(jié)果圖

5.3 機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)果分析

在Matalb的命令行窗口輸入代碼，首先將6個(gè)信號(hào)值以矩陣形式輸入，然后用sim語句及trainedClassifier.predictFcn語句來讀取力的大小及坐標(biāo)。將預(yù)留的10組實(shí)際的力大小、坐標(biāo)與機(jī)器學(xué)習(xí)后Matlab輸出結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)(見圖13、14)，實(shí)際力的大小與Matlab輸出的數(shù)值有一定偏差，力作用點(diǎn)坐標(biāo)的結(jié)果基本相同，表明利用機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)于本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理計(jì)算較精確。

圖13 測(cè)試壓力結(jié)果與實(shí)際壓力的比較

圖14 測(cè)試坐標(biāo)結(jié)果與實(shí)際坐標(biāo)對(duì)比

6 結(jié)束語

本文介紹了液體芯PVDF壓電纖維、電子皮膚柔性觸覺傳感器的材料及制備過程。其中單個(gè)壓電纖維的傳感原理是壓電效應(yīng)，纖維變形引起的電荷變化。傳感實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)用推力計(jì)對(duì)電子皮膚柔性觸覺傳感器施加壓力，通過電荷放大器將纖維的電荷轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后再用數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集。通過對(duì)比壓力波形、纖維電荷變化波形，將電荷波形幅值標(biāo)定為信號(hào)大小。推力計(jì)不斷增加壓力后，信號(hào)不斷增大，采用Origin擬合曲線得到數(shù)學(xué)方程。在Matlab應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)中的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法及分類學(xué)習(xí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，其中圖11(b)中R=0.87，分類學(xué)習(xí)中學(xué)習(xí)結(jié)果接受者操作特征曲線(ROC)下的面積為1，這表明機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)果優(yōu)良。最后通過測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn),陣列的電子皮膚柔性觸覺傳感器對(duì)于壓力感應(yīng)時(shí)壓力大小偏差不大，作用點(diǎn)坐標(biāo)僅個(gè)別有偏差。