李鐵軍民褂，戴 騏，楊若曦疯潭，馬 濤赊堪，劉今越
( 河北工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，天津 300130)
摘 要: 模仿人體手指的構(gòu)造竖哩，制作了一種以不同硬度的聚二甲基硅氧烷( PDMS) 為外層材料哭廉，聚偏氟乙烯( PVDF) 為傳感元件的柔性觸覺傳感器，利用電荷放大器采集傳感器與五種常見物體接觸并滑動時產(chǎn)生的振動信號相叁，對信號進行選取遵绰、濾波、提取特征值等處理增淹，結(jié)合分類算法椿访，對物體材質(zhì)進行辨識分類。實驗證明虑润，此傳感器對5種常見物體材質(zhì)的識別率可以達到 90 % 以上赎离。
關(guān)鍵詞: 觸覺傳感器; 聚二甲基硅氧烷; 聚偏氟乙烯; 材質(zhì)識別
0引 言
觸覺作為機器人與外界環(huán)境重要的接觸感知方式，從 20 世紀 70 年代起引起了學(xué)者們的廣泛研究［1］。不同團隊從壓力梁剔、接近覺虽画、滑覺、溫覺等方面對觸覺傳感器進行了研究［2］荣病。按工作原理劃分码撰，觸覺傳感器主要分為壓電式、壓 阻式和電容式个盆，其中脖岛，壓電材料具有響應(yīng)頻率高的特點，更 適合對振動信號的獲燃樟痢［3］柴梆。壓電材料可分為無機壓電材料（壓電晶體和壓電陶瓷）和有機壓電材料—聚偏氟乙烯( polyvinylidene fluoride，PVDF) 终惑，PVDF 材料材質(zhì)柔軟绍在，形變能力大，且具有比壓電陶瓷更高的壓電電壓常數(shù)雹有，因此常被用于感知振動的柔性傳感器的制作中［4］偿渡。在柔性材料選擇方面，聚二甲基硅氧烷( polydimethylsiloxane霸奕，PDMS)是一種疏水類的有機硅物料溜宽，常溫下為油狀液體，與固化劑混合后可以固化质帅，固化后有較好的彈性适揉，且可通過調(diào)整 PDMS 基本組分與固化劑的質(zhì)量比(下文中的質(zhì)量比均指 PDMS 基本組分質(zhì)量: 固化劑質(zhì)量) 改變硬度，適合作為柔性傳感器的外層材料煤惩。人類手指主要由指骨嫉嘀、皮膚、指甲等組成盟庞，其 中皮膚分為表皮層、真皮層和皮下組織汤善，皮下組織以脂肪為主［5］什猖。不同的研究均表明，作為直接與外界接觸的表皮層红淡，其楊氏模量要大于真皮層［6］不狮。在皮膚內(nèi)存在四種觸覺小體，可以對不同的刺激產(chǎn)生不同的響應(yīng)在旱，其中帕西尼氏小體對振動比較敏感［7］摇零。
本文模仿人體指尖結(jié)構(gòu)，以 PVDF 壓電薄膜材料為傳感元件制作了一種仿生柔性觸覺傳感器桶蝎，可將其用于機械 臂末端驻仅，通過分析傳感器與材料表面滑動時產(chǎn)生的振動信 號對物體材質(zhì)進行分類識別谅畅。
1結(jié)構(gòu)設(shè)計
基于仿生思想，參考人類手指生物特征設(shè)計傳感器結(jié) 構(gòu)噪服，如圖1所示毡泻。整體由一個圓柱體和位于頂部的半球體組合而成，仿指骨部分位于傳感器內(nèi)部粘优，由聚乳酸( poly- lctic acid仇味，PLA) 材料通過3D打印方式制作而成，提供傳感器的支撐與連接功能雹顺。仿皮膚層部分覆蓋于仿生手指的表面丹墨，由內(nèi)外兩層 PDMS 材料構(gòu)成，內(nèi)層包含一個邊長為10 mm 的正方體嬉愧，考慮到當 PVDF 薄膜與接觸平面平行放置時贩挣，其對振動信號感知效果并不理想［8］，因此英染，本文選擇在 PDMS 正方體與接觸平面垂直的相對兩側(cè)面各設(shè)置一個PVDF 壓電薄膜揽惹，以提高傳感器穩(wěn)定性，當一個傳感元件失效時四康，另一側(cè)傳感元件仍舊正常工作搪搏，保證傳感能力有效。最外層用較硬的 PDMS 將傳感器包裹起來闪金。綜合考慮材料的制作工藝及機械強度因素疯溺，兩層 PDMS 厚度均為 1 mm。
圖 1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
2傳感器樣機研制及測試
裁剪兩塊 10 mm × 15 mm 大小的 PVDF 壓電薄膜作為傳感元件哎垦，其中 10 mm × 10 mm 的正方形區(qū)域為主要感知部分囱嫩， 剩余 5 mm × 10 mm 長方形區(qū)域做為引線導(dǎo)出預(yù)留部分，為了避免高溫破壞 PVDF 材料結(jié)構(gòu)漏设，采用導(dǎo)電膠帶引出電極墨闲。用模具制作 10 mm × 10mm × 10 mm 的 PDMS 正方體小塊( 質(zhì)量比 30︰1) ，將兩片 PVDF 壓電薄膜用雙面膠粘貼在 PDMS 正方體塊的兩個相對側(cè)面郑口，支撐零件采用 PLA 材料通過 3D 打印制作鸳碧，PDMS 正方體塊和支撐零件用雙面膠連接。然后犬性，在組合體外部依次固化一層質(zhì)量比 30︰1 的 PDMS 和一層質(zhì)量比 10︰1 的 PDMS瞻离，傳感器樣機如圖 2 所示。
為了測試傳感器對振動信號的感知能力及兩個 PVDF 壓電薄膜產(chǎn)生信號的一致性乒裆，搭建如圖 3 所示實驗平臺套利，將傳感器的支撐連接件與壓力計連接，并通過其施加 2 N 正壓力。將五種材料之一的美紋紙固定在直線模組的滑塊上肉迫，隨滑塊以 v = 10 mm/ s 的速度滑動验辞，電荷放大器通過同軸電纜與 PVDF 壓電薄膜連接，采集 PVDF 產(chǎn)生的電荷信號昂拂。
由于采集到的振動信號包含工頻干擾受神，對其利用二階巴特沃斯濾波器進行濾波處理后的時域信號，如圖 4 所示格侯。從圖 4 可知鼻听，兩個傳感元件上采集的振動信號具有極高的一致性，這表明联四，當兩個傳感元件中一個失效或性能不良 時撑碴，傳感器仍舊可以依靠另一個傳感元件正常工作，這對于 傳感器耐用性和信號采集的有效性是十分必要的朝墩。
3實驗驗證
對傳感器進行材質(zhì)識別性能測試醉拓，選取美紋紙、手機屏 幕收苏、海綿亿卤、毛氈、泡沫五種物體進行實驗鹿霸，圖 5 ( a) 從左至右依次為這五種物體表面圖像排吴，實驗時，令傳感器在每種物體表面分別滑動 20 次懦鼠，每次滑動 4 s钻哩，記錄傳感器檢測的振動信號，截取滑動過程中的信號較平穩(wěn)的第二秒和第三秒信 號進行分析肛冶，由于 2 只 PVDF 傳感器一致性較強街氢，因此選擇其中一個傳感器檢測到的振動信號進行濾波、快速傅里葉 變換睦袖、提取特征值的分析珊肃，得到各物體表面振動產(chǎn)生的時域 信號( 圖 5( b) ) 和頻域信號( 圖 5( c) ) 。由圖 5( c) 可知馅笙，信號振動頻率主要集中于30 Hz以下伦乔，所以從頻域信號中提取特征值時只考慮 30 Hz 以下部分。
為了通過特征值進行分類識別延蟹，在每一種物體表面振動信號中评矩，分別提取時域信號的均值叶堆、方差阱飘、偏度、峰度和頻 域信號的最大幅值共五個特征值，另外沥匈，將頻域信號按頻率分為 1 ～ 10蔗喂，11 ～ 20，21 ～ 30 Hz 三部分高帖，提取每部分的均值及方差共六個特征值缰儿，即每次滑動實驗數(shù)據(jù)提取 11 個特征值作為分類依據(jù)，對五種材料進行分類識別散址。分別采用線 性支持向量機( linear SVM) 和 K 最近鄰( K-nearest neigh- bour乖阵，KNN) 分類算法( K = 3，5预麸，7瞪浸，9，11吏祸，13) 对蒲，使用十折交叉驗證對算法進行測試，結(jié)果如表 1 所示贡翘。
Linear SVM 3NN 5NN 7NN 9NN 11NN 13NN
時域特征 95 94 94 92 93 94 91
頻域特征 95 95 94 94 96 95 96
時頻域特征 97 98 98 98 98 97 97
根據(jù)表 1 可知蹈矮，線性支持向量機和 KNN 算法對五種材質(zhì)的分類識別準確率均達到 90 % 以上，將時域特征和頻域特征結(jié)合后的分類識別準確率均高于單獨使用兩類特征的分類識別準確率鸣驱。
4結(jié)束語
本文通過模仿人體手指結(jié)構(gòu)泛鸟，設(shè)計制作了一種基于PVDF 壓電材料的仿生柔性觸覺傳感器，在對傳感器測試之后進行了材質(zhì)識別實驗丐巫。實驗結(jié)果顯示谈况，利用滑動過程 中產(chǎn)生振動信號的特征值結(jié)合分類算法可以實現(xiàn)材質(zhì)識別 的功能，識別準確率達到 90 % 以上递胧。
參考文獻:
［1］ 劉少強碑韵，黃惟一，王愛民缎脾，等． 機器人觸覺傳感技術(shù)研發(fā)的歷史現(xiàn)狀與趨勢［J］． 機器人祝闻，2002( 4) : 362 － 366，374．
［2］ SILVEＲA-TAWIL D 遗菠，ＲYE D联喘，VELonAKI M． Artificial skin and tactile sensing for socially interactive robots: A review［J］． Ｒobo- tics and Autonomous Systems，2015辙纬，63: 230 － 243
［3］ LIANG Z豁遭，CHANG G，WANG Z贺拣，et al． Novel tactile sensor tech- nology and smart tactile sensing systems: A review［J］． Sensors蓖谢， 2017捂蕴，17( 11) : 2653 － 2676．
［4］ XIN Y ，SUN H 闪幽，TIAN H 啥辨，et al． The use of polyvinylidene fluoride( PVDF) films as sensors for vibration measurement: A brief review［J］． Ferroelectrics，2016盯腌，502( 1) : 28 － 42．
［5］ 胡吉永． 基于觸覺認知的織物質(zhì)感的形成機理研究［D］． 上海: 東華大學(xué)溉知，2008．
［6］ 盧天健，徐峰． 皮膚的力學(xué)性能概述［J］． 力學(xué)進展腕够，2008( 4) :393 － 426．
［7］ JOHNSON K O级乍，YOSHIOKA T，VVGA-BEＲMUDEZ F． Tactilefunctions of mechanoreceptive afferents innervating the hand［J］． Journal of Clinical Neurophysiology帚湘，2000卡者，17( 6) : 539 － 558．
［8］ YI Z，ZHANG Y客们，PETEＲS J． Bioinspired tactile sensor for surface roughness discrimination［J］． Sensors and Actuators A: Physical崇决， 2017，255: 46 － 53．
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