许德成，郭小辉

(1.吉林师范大学信息技术学院，吉林四平136000;2.合肥工业大学电子科学与应用物理学院，合肥230009)

用于仿生皮肤的电容式三维力触觉感知系统

许德成1，郭小辉2

(1.吉林师范大学信息技术学院，吉林四平136000;2.合肥工业大学电子科学与应用物理学院，合肥230009)

为解决可穿戴传感器触觉感知信息单一，不具备柔性以及可穿戴性差的问题，研究了一种兼备法向力与切向力感知功能的电容式三维力柔性触觉传感器。阐述了传感器的结构设计、触觉感知机理，并借助ANSYS传感器有限元仿真软件进行触觉感知机理验证。基于CC2530低功耗微处理器与AD7147-1型电容数字转换器构建便携式电容触觉信息感知系统。可分别满足法向力0～5 N范围检测灵敏度为6.87 fF/N以及剪切力0～3 N时灵敏度为10.96 fF/N的触觉感知，动态响应时间为226 ms。实验结果表明，该电容式三维力触觉传感器具备良好的工作稳定性与灵敏度，为可穿戴式人工皮肤的研究提供了一种设计方案。

电容式传感器;全柔性;传感信息处理;仿生皮肤;触觉传感器;三维力

0 引 言

兼备法向力与切向力共同感知功能的全柔性、可穿戴电子仿生皮肤是智能机器人感知外界环境信息的重要途径之一［1-3］，Cirillo等［4］通过在印刷电路板上布置光电式触觉传感器阵列以实现触觉感知功能。Philipp等［5］设计了一种具有模块化特点的机器人用于电子仿生皮肤，为不同大小和形状的人工皮肤设计提出一种可行性方案。以上关于触觉传感器的研究均存在不可弯曲，难以满足电子仿生皮肤的可穿戴性要求。文献［6］提出一种可拼接式电容式柔性触觉传感器，可实现大面积触觉感知功能，然而不能同时感知法向力与切向力。文献［7］给出了基于压电薄膜实现对动态触觉信息的快速感知仿生皮肤，而压电薄膜通常用于实现对动态触觉力的检测，缺乏对静态力的感知能力，限制了其应用范围。文献［8］在一柔性基板上设计了一种具备高可拉伸特点的压阻式电子皮肤，由于整个触觉传感器设置在同一柔性基体，不利于阵列化。

电容式触觉传感器因具备良好的动态响应、灵敏度等优点，在人工皮肤研究中倍受青睐［9-12］。为解决目前多数触觉传感器存在触觉感知信息单一，不具备柔性以及可穿戴性差等弊端，笔者提出了一种可实现切向力与法向力检测的电容式触觉传感器，给出了电容式三维力触觉传感器的触觉感知机理、传感器结构设计以及容性触觉信息提取系统。可实现0～5 N法向力和0～3 N切向力范围内灵敏度分为6.87 fF/N和10.96 fF/N，动态响应时间为226 ms的触觉感知。通过三维力触觉传感单元输出特性测试实验，结果表明该电容式三维力柔性触觉传感器可用作电子仿生皮肤实现法向力与切向力同时检测功能，为感知触觉信息提供了一种设计方案。

1 三维力触觉传感器及感知系统

1.1 结构设计与感知机理

图1 触觉传感单元结构示意图Fig.1 The structure diagram of tactile sensor cell

图1 为电容式三维力柔性触觉感知单元结构，每个法向力与切向力触觉传感单元可看作由4个尺寸相同、圆心为90°的扇形下极板和一个公用圆形接地上极板构成的单电极类平行板电容器构成。选用美国道康宁生产的PDMS为柔性基体，导电银胶制备类平行板电容的上下电极。同时，在电容式三维力柔性触觉传感器上表面附有半球形触头，以利于触觉感知。为实现电容式三维力触觉传感器具备良好的穿戴舒适性，选择柔性基体和电极构成触觉感知单元。上下极板间空气层充当电容式三维力柔性触觉传感器的介电质，同时，亦可在两极板之间填充其他电介质［6］以调节该结构触觉传感器量程、灵敏度、响应特性等性能参数。

图2为笔者提出的电容式法向力与切向力感知机理示意图。图2a中，当电容式三维力柔性触觉传感器受法向力Fz作用时，空气腔受力被压缩使上下极板间距减小Δd(假设极板表面未发生变化)，此时对应输出电容值基本满足

其中R，r分别为扇形下极板和圆形上极板的半径，ε0=8．854×10-12F/m为真空介电常数，εr为两极板间空气相对介电常数，Ci为受力时平行板电容值，i=1，2，3，4。以ΔCnormal表示法向力Fz作用时4个电容的平均变化量，且满足

图2b电容式三维力柔性触觉传感器在切向力FX/FY作用下，触头带动上极板发生相对位移，从而致使其等效极板面积发生变化。相比于传统意义上的电容式触觉传感器，笔者设计的电容式三维力柔性触觉传感器采用差分方式感知切向力信息，提高了其检测灵敏度。当沿X轴和Y轴正方向施加切向力，并分别用ΔCshear-X和ΔCshear-Y表示差分电容的平均变化量时，满足

使用ANSYS有限元仿真软件对该电容式三维力柔性触觉传感器的检测机理进行可行性验证，设计中分别对电容式三维力触觉传感器施加法向力与切向力进行触觉仿真验证，其仿真结果如图3所示(单位:pF)，可以看出，在三维触觉力的作用下，笔者提出的结构可实现触觉力辨识。

图3 电容式三维力柔性触觉传感器受力仿真结果Fig.3 The simulation results of capacitive threedimensional tactile sensor under tangential force

1.2 触觉传感器制备

电容式三维力柔性触觉传感器设计尺寸参数如图4所示，图5为3D打印技术［12］制备的电容式三维力柔性触觉传感器实物图，基于3D打印技术有效地简化了传感器制备流程，尤其对微结构触觉传感器的设计提供了便利条件。

图4 触觉传感器结构及尺寸参数图Fig.4 The structure and size parameters of tactile sensor

图5 电容式三维力柔性触觉传感器实物图Fig.5 The physicalmap capacitive threedimensional force flexible tactile sensor

1.3 容性触觉感知系统

图6为电容式柔性织物压敏单元触觉感知系统框图，选用具备高精度、多通道电容数字转换器(CDC)AD7147-1获取柔性织物压敏单元的容性信息，配合低功耗微控制器CC2530构建便携式触觉感知系统［9］，终端节点采集容性触觉感知信息并无线发送至上位机进行实时显示。服从 I2C通信协议的AD7147-1通过在总线上挂接多个CDC可灵活实现大面积电容敏感信息的采集与处理，同时，片内具备有源交流屏蔽技术的电容数字转换器AD7147-1，很大程度上降低了寄生电容带来的干扰，提高了数据提取准确性。

采用AD7147-1构建电容式触觉信息采集系统，将有源交流屏蔽端与传感器屏蔽电极相连，有效消除了容性输入对地之间的寄生电容，提高了数据提取准确性。同时，针对不适合穿戴行列式触觉传感器的情形，如足底、手指等不规则部位，通过I2C总线上挂接多个器件，分时控制每组I2C总线的数据线同样可实现大面积电容敏感信号的采集与处理，其结构示意图如图7所示。

图6 三维力柔性触觉传感器触觉感知系统框图Fig.6 Tactile perception system block diagram of three-dimensional force flexible tactile sensor

图7 串行总线式电容阵列信号检测系统框图Fig.7 Block diagram of capacitive array signal detection system based on serial bus

2 实验与讨论

2.1 传感器输出特性

为验证笔者提出电容式三维力触觉传感单元的输出特性，采用AIKOH MODEL-762型压力计对其进行测试，图8a和图8b分别为法向力与切向力加载平台示意图。图9为对电容式三维力触觉传感器施加法向力Fz时电容-压力间关系曲线。从图8中可以看出，在0～5 N范围其法向最低灵敏度为6.87 fF/N。

图8 电容式触觉传感器特性测试Fig.8 The characteristics of tactile sensor

图10和图11为分对电容式三维力柔性触觉传感单元加载切向力FX/FY时电容-压力间关系曲线。由图10和图11可知，当外界切向力作用于电容式三维力触觉感知器后，各类平行板电容单元可构成两对类差分结构，有利于提高触觉感知灵敏度，其最低灵敏度为10．96 fF/N。对电容式三维力触觉传感器间隔施加作用力，其动态响应特性如图12所示。其响应时间约为226 ms。

图9 电容式三维力柔性触觉传感器的输出与施加法向力的关系曲线Fig.9 The relationship between the output of capacitive three-dimensional and the normal force

图10 电容式三维力柔性触觉传感器的 输出电容与切向力FX的关系曲线Fig.10 The relationship between the output of capacitive three-dimensional and the shear force(FX)

图11 电容式三维力柔性触觉传感器的输出电容与切向力FY的关系曲线Fig.11 The relationship between the output of capacitive three-dimensionaland the shear force(FY)

图12 电容式三维力柔性传感器 的动态响应特性Fig.12 Time-resolved response is characteristic of capacitive three-dimensional flexible pressure sensor

2.2 标定及误差分析

依据电容式三维力柔性触觉传感器的输出电容-压力间的函数关系便可反演出所受压强值，笔者对电容式三维力柔性触觉传感器进行的标定实验及误差分析如图13所示。

从图13可知，笔者设计的的电容式三维力柔性触觉传感器在检测量程范围内其相对误差均低于8%，具有较好的检测准确度。针对误差产生主要原因主要有:1)温湿度等环境变量对电容式三维力触觉触感器造成的测量误差，可通过引入补偿算法进行校正;2)电容式三维力柔性触觉传感器受法向力和切向力时极板面积的变化对输出电容的影响，同时在进行反演压力值时忽略了线性拟合引入的拟合误差。

图13 电容式三维力柔性触觉传感器实验及误差Fig.13 Experiment errors of capacitive three-dimensional flexible pressure sensor

2.3 应用研究

为验证笔者提出电容式三维力柔性触觉传感器的感知能力，构建了三维力触觉感知测试系统(见图14)，通过在传感器触头上施加触觉力，AD7147-1采集传感器的输出并送至微处理器进行实时处理与显示。图15为三维力触觉感知测试结果，可以看出，沿X轴方向在触头上施加三维力，C2、C3的输出增加，C1、C4的输出减小。实验结果表明，笔者提出的电容式三维力触觉感知具备良好的触觉感知能力，可作为智能机器人仿生皮肤实现法向力与切向力的感知。

图14 三维力触觉感知测试系统Fig.14 The test system of three dimension force tactile perception

图15 三维力触觉感知结果Fig.15 The results of three dimension force tactile perception

3 结 语

笔者提出了一种兼备法向力与切向力检测功能的全柔性电容式三维力触觉传感器，在法向力0～5 N范围其检测灵敏度为6.87 fF/N，切向力0～3 N内为10.96 fF/N，动态响应时间约226 ms。针对该电容式三维力柔性触觉传感器，阐述了其工作原理、结构模型等，同时，基于CC2530低功耗微处理器和AD7147-1电容数字转换器构建的电容信号采集与处理系统，提高了电容传感信息的采集速率与可信度。对文中电容式三维力柔性触觉传感器进行法向力与切向力特性测试，该触觉传感器可作为一种仿生皮肤实现触觉功能感知。

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(责任编辑:张洁)

Capacitive Three-Dimensional Force Tactile Perception System for Artificial Skin

XU Decheng1，GUO Xiaohui2

(1.College of Information Technology，Jilin Normal University，Siping 136000，China; 2.School of Electronic Science＆Applied Physics，Hefei University of Technology，Hefei230009，China)

A capacitive three-dimensional force flexible tactile sensor is proposed，which is capable ofmeasuring normal and shear force.The structure design of capacitive three-dimensional force tactile sensor and the working principle are introduced.The tactile perception mechanism is verified by using ANSYS finite element simulation software，and a portable capacitive tactile information perception system was designed based on low power microprocessor CC2530 and AD 7147-1 capacitance-to-digital converter.The sensor has achieved dynamic response time of 226 ms，the normal load measurement is from 0 to 5 N，shear load measurement is from 0 to 3 N and the measured sensitivities are 6.87 fF/N and 10.96 fF/N.The experiment results indicate that the flexible capacitive sensors array and the capacitive signal extraction system have good stability and sensitivity，providing a design proposal for wearable artificial skin.

capacitive sensor;fully compliant;sensing information processing;artificial skin;tactile sensor; three-dimensional force

TP212

A

1671-5896(2015)06-0652-06

2015-07-28

吉林省教育厅“十二五”科学技术研究基金资助项目(吉教科合字第2013023号)

许德成(1977— )，男，吉林辽源人，吉林师范大学讲师，主要从事智能系统控制与传感技术的研究，(Tel)86-18643425955(E-mail)xudechengxdc@163.com。