中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
人機交互已被廣泛應用于機器人控制和增強現實(shí)/虛擬現實(shí)等多個(gè)領(lǐng)域。然而，目前的人機交互主要基于單一交互模式，需要佩戴笨重的設備或與界面保持物理接觸，導致交互效率和智能化程度有限?；谝陨锨闆r，浙江大學(xué)機械306實(shí)驗室劉瑋杰博士生提出了一種新型柔性雙模式電容傳感器，可實(shí)現非接觸距離與接觸壓力的復合傳感，并應用到人機交互接口中實(shí)現了無(wú)觸摸與觸摸雙模式人機交互。相關(guān)成果發(fā)表在A(yíng)dvanced Materials Technologies期刊上，題為“A Flexible Dual-Mode Capacitive Sensor for Highly Sensitive Touchless and Tactile Sensing in Human-Machine Interactions”。論文研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中央高?；A研究基金等項目的資助。
該傳感器的結構如圖1所示，它由三層組成：頂層和底層是帶有迷宮式銅電極的PET，頂層和底層電極之間夾著(zhù)一層硅橡膠電介質(zhì)層，具有多孔-截斷金字塔雙層微結構。傳感器分為12個(gè)傳感單元，每個(gè)傳感器單元由一對互補的迷宮電極和一個(gè)多孔-截頂金字塔分層電介質(zhì)組成。通過(guò)將電極設計成方形迷宮結構加強邊緣電場(chǎng)，從而提高近距離感知性能。多孔-截斷金字塔分層電介質(zhì)層的設計旨在通過(guò)分層變形來(lái)改善硅橡膠的變形能力，從而提高壓力傳感性能。
圖1 柔性雙模電容傳感器的結構示意圖
接近傳感的原理為：上下電極構成一個(gè)電容雙極板，當外部物體尚未接觸傳感器時(shí)，傳感器通過(guò)電極激發(fā)的邊緣電場(chǎng)檢測外部物體的接近。當外部物體接近時(shí)，傳感器激發(fā)的邊緣電場(chǎng)會(huì )減弱。對于導電物體，原始邊緣電場(chǎng)的減弱主要歸因于靜電感應產(chǎn)生的感應電荷，絕緣物體則主要通過(guò)極化效應削弱邊緣電場(chǎng)。壓力傳感的原理為：當物體開(kāi)始對傳感器施加壓力時(shí)，介電層開(kāi)始變形，傳感器內部的電場(chǎng)將發(fā)生變化。如圖2(d)所示，在低壓范圍內，由于楊氏模量較低，多孔結構會(huì )迅速變形。內部孔隙受到擠壓，上下電極之間的距離減小，同時(shí)介電層的介電常數也會(huì )因空氣受到擠壓而增大。這兩者都會(huì )使傳感器的電容增大。由于多孔結構的應力分散，截頂金字塔形結構在這一階段的變形不明顯。因此，電容的變化主要是由多孔結構的變形造成的。在高壓范圍內，內部孔隙被充分壓縮，多孔結構可以看作是一個(gè)向下的固體，進(jìn)一步擠壓截頂金字塔形結構。截頂金字塔形結構的變形導致上下電極之間的距離縮短，從而使電容繼續增加。
圖2 柔性雙模電容傳感器的工作原理與仿真分析
所提出的雙模傳感器具有很高的傳感性能，對人手的非接觸距離檢測范圍可達110mm，對不同接近速度的物體也能很好的區別檢測，且具備良好的信號穩定性。壓力檢測范圍為0至200kPa，具有兩段線(xiàn)性靈敏度，最大靈敏度為0.464% kPa?1。此外，該傳感器還能有效區分近距離信號和觸覺(jué)信號，并具有出色的信號穩定性、可重復性和準確識別手勢動(dòng)作的能力。
圖3 柔性雙模電容傳感器的性能測試結果
為了驗證我們開(kāi)發(fā)的雙模傳感器在人機交互中的潛在應用，我們進(jìn)行了機器人交互實(shí)驗。如圖4(a)和圖4(b)所示，我們搭建了一個(gè)人機交互平臺。傳感器通過(guò)FPC連接到采集電路。MCU通過(guò)控制模擬開(kāi)關(guān)選擇傳感器單元。選定傳感器單元的行電極和列電極隨后連接到AD7153 CDC芯片，該芯片通過(guò)在方波激勵期間連續采樣通過(guò)傳感器的電荷來(lái)收集電容數據。然后通過(guò)USB將數據傳輸到控制機械臂的計算機，計算機根據收集到的數據識別交互動(dòng)作，然后通過(guò) RS232將控制命令傳輸給機械臂和機械手。
圖4 雙模式人機交互系統搭建示意圖
如圖5所示，手指在傳感器上方依次經(jīng)過(guò)傳感器單元1-單元4-單元8-單元11，在時(shí)域中得到相應的序列--單元1減小0.38pF，單元4減小0.31pF，單元8減小0.39pF，單元11減小0.45pF。機械臂能實(shí)時(shí)接收繞Y軸逆時(shí)針旋轉的運動(dòng)指令并完成操作。除了非接觸式交互，傳感器還能很好地實(shí)現接觸式交互，手指與不同的傳感器單元接觸，可依次實(shí)現機械手的抓取和釋放，以及機械臂在Z軸上的下降。傳感器還能連續實(shí)現一系列動(dòng)作的感知，并能在非接觸式和接觸式交互之間無(wú)縫切換。
圖5 非接觸-接觸雙模式人機交互示意圖
該傳感器的卓越性能不僅推動(dòng)了智能人機交互技術(shù)的發(fā)展，而且凸顯了其在未來(lái)人機界面應用中的巨大潛力。通過(guò)無(wú)縫、準確地檢測非觸摸和觸覺(jué)輸入，該傳感器可增強用戶(hù)的控制能力和直觀(guān)的交互體驗。將這種傳感器集成到各種交互系統中大有可為，將為人機交互領(lǐng)域帶來(lái)新的機遇。
