生物微觸覺實(shí)時(shí)量測(cè)和校準(zhǔn)系統(tǒng)
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醫(yī)學(xué)量度工程上發(fā)展觸覺傳感器，可以輔助量測(cè)人體生理訊號(hào)的變動(dòng)。肌肉骨胳之間失調(diào)、神經(jīng)末稍病變、脈搏、脊髓傷害、關(guān)節(jié)炎和皮膚組織病變等，都可以藉由觸覺傳感器量測(cè)人體物理量變化，協(xié)助醫(yī)療上診斷。對(duì)于手足傷殘病患而言，觸覺傳感器可以量測(cè)手部力量變化，可以幫助評(píng)估病患手部功能及輔助手部復(fù)健工作[1]-[3]；外科技術(shù)方面，可藉由觸覺傳感器評(píng)估替換后的人工關(guān)節(jié)及肌腱調(diào)換后復(fù)健狀態(tài)[4]；血壓量測(cè)及薄膜組織病變癌癥腫塊也可以利用觸覺傳感器來(lái)檢查人體異狀[5]-[6]；醫(yī)療補(bǔ)助復(fù)健器材方面，觸覺傳感器也應(yīng)用于義肢及輪椅等輔具上，協(xié)助病人行動(dòng)及減輕不適[7]，由于觸覺傳感器于醫(yī)療上廣泛應(yīng)用需求，近年來(lái)許多以硅微加工制作（Micro-Fabrication）觸覺傳感器已經(jīng)相繼開發(fā)，如光學(xué)、壓電、壓阻和超音波等。
觸覺傳感器依型態(tài)分類，可分為接觸式及非接觸式兩種形式觸覺傳感器，所謂接觸指的是傳感器與人體之間接觸；壓阻、電容及壓電式觸覺傳感器屬于接觸式，光學(xué)與超音波觸覺傳感器屬于非接觸式。本研究針對(duì)接觸式觸覺傳感器，開發(fā)一套可以評(píng)估觸覺傳感器特性之微力量測(cè)校準(zhǔn)系統(tǒng)，系統(tǒng)可以仿真人體力量變化，提供正向力或側(cè)向剪力之動(dòng)態(tài)施力，完成接觸式觸覺傳感器驗(yàn)證工作，同時(shí)也可以于人體直接量測(cè)，與觸覺傳感器施力測(cè)試相互驗(yàn)證。
2. 系統(tǒng)描述
本研究接觸力量測(cè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示，允許接觸力的量測(cè)范圍可由數(shù)亳克至一仟克，探針接觸的可調(diào)間隙范圍從0μm 到40μm。此機(jī)構(gòu)主要由二個(gè)部分組成，其一為致動(dòng)量測(cè)單元，含壓電致動(dòng)器、荷重元和探針；另一為可調(diào)三維之定位機(jī)構(gòu)，含 XY與Z 軸精密位移計(jì)、角度盤、高度規(guī)和底部基座等。在直接量測(cè)接觸力的情形下，如何適切作接觸的特性量測(cè)是本系統(tǒng)的首要考量，不良的力接觸過程，除了造成量測(cè)的誤差外，亦可能破壞待測(cè)組件。本系統(tǒng)以壓電伸縮原理作接觸方法量測(cè)，利用壓電致動(dòng)控制探針施力。此壓電致動(dòng)比起一般使用精密位移計(jì)來(lái)帶動(dòng)施力的基本方法，存在數(shù)優(yōu)點(diǎn)，首先，壓電伸縮產(chǎn)生的精密位移，可以提高施力范圍精度到達(dá)毫克的變化。次之，壓電伸縮精度于微米下移動(dòng)時(shí)，可準(zhǔn)確施加微力帶動(dòng)探針做直接接觸量測(cè)，充分降低探針與芯片不良接觸過程，進(jìn)而影響改善微力之量測(cè)特性。同時(shí)兼具保護(hù)微傳感器功能，避免過大的施力造成微組件損壞。最后，可控制壓電致動(dòng)器產(chǎn)生周期性切換，可對(duì)觸覺傳感器作動(dòng)態(tài)施力量測(cè)。微力變化的量測(cè)部分設(shè)計(jì)，采用高分辨率之荷重元（SENSOTEC MODEL 34）作為力的轉(zhuǎn)換單元，此荷重元的規(guī)格精度達(dá)到毫克，并具有零點(diǎn)校正功能，當(dāng)在荷重元前端裝置探針，可以減去探針的重量，量測(cè)到實(shí)際壓電致動(dòng)施力于感測(cè)晶粒的微力變化，施加作用力于觸覺傳感器上之作用點(diǎn)，則設(shè)計(jì)點(diǎn)力探針實(shí)現(xiàn)。
受限于觸覺傳感器微小化限制，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)需要更高精密度機(jī)構(gòu)組件才能達(dá)到探針與觸覺傳感器對(duì)位的要求。測(cè)量機(jī)以高倍顯微鏡或雷射光點(diǎn)，完成針尖與力微傳感器之接觸面中心對(duì)準(zhǔn)的動(dòng)作；藉由控制三軸平臺(tái)位移，達(dá)到對(duì)位的要求；水平軸對(duì)位以精度10μm X-Y 平臺(tái)，調(diào)整探針與觸覺傳感器接觸面的中心準(zhǔn)位點(diǎn)。垂直軸下針的動(dòng)作，以精度1μm 分厘卡頭，完成針尖與觸覺傳感器接觸面間的最小預(yù)力接觸量測(cè)。于X-Y 平臺(tái)底部加入可旋轉(zhuǎn)角度臺(tái)，做為觸覺傳感器的正向力與側(cè)向剪力量測(cè)機(jī)制，角度臺(tái)最小的旋轉(zhuǎn)刻度為1 度角，最大傾斜角左右各60 度。
圖1. 力微感測(cè)組件測(cè)量機(jī)構(gòu)
本感測(cè)量測(cè)系統(tǒng)設(shè)置方塊圖與實(shí)體圖，如圖2所示，系統(tǒng)的組成單元包含施力量測(cè)機(jī)構(gòu)、訊號(hào)處理、電子電路設(shè)計(jì)、人機(jī)接口、資料擷取與資料分析。當(dāng)探針與力微傳感器完成對(duì)位后，以LabVIEW軟件撰寫人機(jī)接口，由GPIB 傳輸接口完成計(jì)算機(jī)與個(gè)別儀器間連結(jié)，再透過個(gè)人計(jì)算機(jī)下達(dá)指令。交直流控制信號(hào)經(jīng)電壓放大器放大后驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器，致動(dòng)器推動(dòng)裝置于前端機(jī)構(gòu)之荷重元與探針，施加微力于觸覺傳感器。在接觸的施力量測(cè)過程，可以獲得兩組輸出數(shù)據(jù)，一組為荷重元所量測(cè)得到的施力變化，可由荷重元電表上顯示出標(biāo)準(zhǔn)施力值。另一組為觸覺傳感器經(jīng)由訊號(hào)處理電路所獲得輸出的電壓值變化。利用GPIB 傳輸接口，取得荷重元電表數(shù)據(jù)與示波器上之觸覺傳感器輸出電壓，進(jìn)行實(shí)時(shí)訊號(hào)處理。整個(gè)量測(cè)過程中，可隨時(shí)由計(jì)算機(jī)屏幕上監(jiān)控施力與觸覺傳感器輸出變化情形，并同步記錄靜態(tài)資料的保存檔案，完成測(cè)試步驟，驗(yàn)證觸覺傳感器性能。
圖2. 微力實(shí)時(shí)量測(cè)系統(tǒng)
3. 傳感器結(jié)果與討論
本研究分別針對(duì)壓阻式及壓電式觸覺微傳感器施予靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的正向力，藉由施力變化與觸覺微傳感器輸出響應(yīng)之關(guān)系，校對(duì)驗(yàn)證量測(cè)系統(tǒng)的功能。使用壓阻式觸覺力微芯片(SM5102-030-A)，作為本實(shí)驗(yàn)量測(cè)驗(yàn)證測(cè)試。由控制單元輸出直流訊號(hào)經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器，產(chǎn)生正向靜態(tài)作用力施于力微傳感器上。系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)作用力驗(yàn)證，傳感器重復(fù)量測(cè)的輸出響應(yīng)，如圖4 所示。經(jīng)由重復(fù)量測(cè)結(jié)果顯示，儀器重復(fù)施力之可靠度佳，壓阻式觸覺傳感器的線性度約為3.1%VFS ， 典型靈敏度約為13mV/g，電壓補(bǔ)偏值約為52mV，此可藉調(diào)節(jié)預(yù)力而降低之。
圖4. 壓阻觸覺傳感器之力與輸出電壓響應(yīng)關(guān)系
圖5. 壓電傳感器動(dòng)態(tài)受力輸出響應(yīng)實(shí)時(shí)顯示
圖 6 . 壓電致動(dòng)測(cè)試之荷重元量測(cè)與壓電感測(cè)輸出響應(yīng)
圖 7. 壓電觸覺傳感器之力與輸出電壓響應(yīng)關(guān)系
在本研究中，我們研制出一套微力實(shí)時(shí)量測(cè)系統(tǒng)，其基本性能藉由壓阻與壓電觸覺感測(cè)組件測(cè)試輸出響應(yīng)分析，完成微力測(cè)試量測(cè)系統(tǒng)的可用性和可靠度的驗(yàn)證。壓阻微傳感器于靜態(tài)負(fù)載施力實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，可以精確量測(cè)到次毫克的微力變化。壓電感測(cè)組件于動(dòng)態(tài)負(fù)載作用力下，系統(tǒng)藉由訊號(hào)的擷取與人機(jī)接口，可以實(shí)時(shí)觀察到訊號(hào)輸入的振動(dòng)量與感測(cè)訊號(hào)輸出的情形，監(jiān)視器可實(shí)時(shí)顯示擷取資料數(shù)值變化，相關(guān)量測(cè)信息可儲(chǔ)存于聯(lián)機(jī)計(jì)算機(jī)，作為后續(xù)研究之基礎(chǔ)；本套微力實(shí)時(shí)量測(cè)系統(tǒng)經(jīng)由觸覺傳感器相互驗(yàn)證，將對(duì)觸覺傳感器性能評(píng)估，得到一個(gè)更具可信度與臨床應(yīng)用價(jià)值的發(fā)展。
References
[1] D. J. Beebe, D. D. Denton, R.G. Radwin, and J. G. Webster, “A silicon-based tactile sensor for finger-mounted applications,” Biomedical Engineering, Vol. 45, No. 2, pp. 151~159, 1998.
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評(píng)論