生物微觸覺(jué)實(shí)時(shí)量測和校準系統
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醫學(xué)量度工程上發(fā)展觸覺(jué)傳感器，可以輔助量測人體生理訊號的變動(dòng)。肌肉骨胳之間失調、神經(jīng)末稍病變、脈搏、脊髓傷害、關(guān)節炎和皮膚組織病變等，都可以藉由觸覺(jué)傳感器量測人體物理量變化，協(xié)助醫療上診斷。對于手足傷殘病患而言，觸覺(jué)傳感器可以量測手部力量變化，可以幫助評估病患手部功能及輔助手部復健工作[1]-[3]；外科技術(shù)方面，可藉由觸覺(jué)傳感器評估替換后的人工關(guān)節及肌腱調換后復健狀態(tài)[4]；血壓量測及薄膜組織病變癌癥腫塊也可以利用觸覺(jué)傳感器來(lái)檢查人體異狀[5]-[6]；醫療補助復健器材方面，觸覺(jué)傳感器也應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(jué)傳感器于醫療上廣泛應用需求，近年來(lái)許多以硅微加工制作（Micro-Fabrication）觸覺(jué)傳感器已經(jīng)相繼開(kāi)發(fā)，如光學(xué)、壓電、壓阻和超音波等。
觸覺(jué)傳感器依型態(tài)分類(lèi)，可分為接觸式及非接觸式兩種形式觸覺(jué)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(jué)傳感器屬于接觸式，光學(xué)與超音波觸覺(jué)傳感器屬于非接觸式。本研究針對接觸式觸覺(jué)傳感器，開(kāi)發(fā)一套可以評估觸覺(jué)傳感器特性之微力量測校準系統，系統可以仿真人體力量變化，提供正向力或側向剪力之動(dòng)態(tài)施力，完成接觸式觸覺(jué)傳感器驗證工作，同時(shí)也可以于人體直接量測，與觸覺(jué)傳感器施力測試相互驗證。
2. 系統描述
本研究接觸力量測機構設計如圖1 所示，允許接觸力的量測范圍可由數亳克至一仟克，探針接觸的可調間隙范圍從0μm 到40μm。此機構主要由二個(gè)部分組成，其一為致動(dòng)量測單元，含壓電致動(dòng)器、荷重元和探針；另一為可調三維之定位機構，含 XY與Z 軸精密位移計、角度盤(pán)、高度規和底部基座等。在直接量測接觸力的情形下，如何適切作接觸的特性量測是本系統的首要考量，不良的力接觸過(guò)程，除了造成量測的誤差外，亦可能破壞待測組件。本系統以壓電伸縮原理作接觸方法量測，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來(lái)帶動(dòng)施力的基本方法，存在數優(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毫克的變化。次之，壓電伸縮精度于微米下移動(dòng)時(shí)，可準確施加微力帶動(dòng)探針做直接接觸量測，充分降低探針與芯片不良接觸過(guò)程，進(jìn)而影響改善微力之量測特性。同時(shí)兼具保護微傳感器功能，避免過(guò)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，可對觸覺(jué)傳感器作動(dòng)態(tài)施力量測。微力變化的量測部分設計，采用高分辨率之荷重元（SENSOTEC MODEL 34）作為力的轉換單元，此荷重元的規格精度達到毫克，并具有零點(diǎn)校正功能，當在荷重元前端裝置探針，可以減去探針的重量，量測到實(shí)際壓電致動(dòng)施力于感測晶粒的微力變化，施加作用力于觸覺(jué)傳感器上之作用點(diǎn)，則設計點(diǎn)力探針實(shí)現。
受限于觸覺(jué)傳感器微小化限制，機構設計相對需要更高精密度機構組件才能達到探針與觸覺(jué)傳感器對位的要求。測量機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準的動(dòng)作；藉由控制三軸平臺位移，達到對位的要求；水平軸對位以精度10μm X-Y 平臺，調整探針與觸覺(jué)傳感器接觸面的中心準位點(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(jué)傳感器接觸面間的最小預力接觸量測。于X-Y 平臺底部加入可旋轉角度臺，做為觸覺(jué)傳感器的正向力與側向剪力量測機制，角度臺最小的旋轉刻度為1 度角，最大傾斜角左右各60 度。
圖1. 力微感測組件測量機構
本感測量測系統設置方塊圖與實(shí)體圖，如圖2所示，系統的組成單元包含施力量測機構、訊號處理、電子電路設計、人機接口、資料擷取與資料分析。當探針與力微傳感器完成對位后，以L(fǎng)abVIEW軟件撰寫(xiě)人機接口，由GPIB 傳輸接口完成計算機與個(gè)別儀器間連結，再透過(guò)個(gè)人計算機下達指令。交直流控制信號經(jīng)電壓放大器放大后驅動(dòng)致動(dòng)器，致動(dòng)器推動(dòng)裝置于前端機構之荷重元與探針，施加微力于觸覺(jué)傳感器。在接觸的施力量測過(guò)程，可以獲得兩組輸出數據，一組為荷重元所量測得到的施力變化，可由荷重元電表上顯示出標準施力值。另一組為觸覺(jué)傳感器經(jīng)由訊號處理電路所獲得輸出的電壓值變化。利用GPIB 傳輸接口，取得荷重元電表數據與示波器上之觸覺(jué)傳感器輸出電壓，進(jìn)行實(shí)時(shí)訊號處理。整個(gè)量測過(guò)程中，可隨時(shí)由計算機屏幕上監控施力與觸覺(jué)傳感器輸出變化情形，并同步記錄靜態(tài)資料的保存檔案，完成測試步驟，驗證觸覺(jué)傳感器性能。
圖2. 微力實(shí)時(shí)量測系統
3. 傳感器結果與討論
本研究分別針對壓阻式及壓電式觸覺(jué)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(jué)微傳感器輸出響應之關(guān)系，校對驗證量測系統的功能。使用壓阻式觸覺(jué)力微芯片(SM5102-030-A)，作為本實(shí)驗量測驗證測試。由控制單元輸出直流訊號經(jīng)放大后驅動(dòng)致動(dòng)器，產(chǎn)生正向靜態(tài)作用力施于力微傳感器上。系統進(jìn)行靜態(tài)作用力驗證，傳感器重復量測的輸出響應，如圖4 所示。經(jīng)由重復量測結果顯示，儀器重復施力之可靠度佳，壓阻式觸覺(jué)傳感器的線(xiàn)性度約為3.1%VFS ， 典型靈敏度約為13mV/g，電壓補偏值約為52mV，此可藉調節預力而降低之。
圖4. 壓阻觸覺(jué)傳感器之力與輸出電壓響應關(guān)系
圖5. 壓電傳感器動(dòng)態(tài)受力輸出響應實(shí)時(shí)顯示
圖 6 . 壓電致動(dòng)測試之荷重元量測與壓電感測輸出響應
圖 7. 壓電觸覺(jué)傳感器之力與輸出電壓響應關(guān)系
在本研究中，我們研制出一套微力實(shí)時(shí)量測系統，其基本性能藉由壓阻與壓電觸覺(jué)感測組件測試輸出響應分析，完成微力測試量測系統的可用性和可靠度的驗證。壓阻微傳感器于靜態(tài)負載施力實(shí)驗測試時(shí)，可以精確量測到次毫克的微力變化。壓電感測組件于動(dòng)態(tài)負載作用力下，系統藉由訊號的擷取與人機接口，可以實(shí)時(shí)觀(guān)察到訊號輸入的振動(dòng)量與感測訊號輸出的情形，監視器可實(shí)時(shí)顯示擷取資料數值變化，相關(guān)量測信息可儲存于聯(lián)機計算機，作為后續研究之基礎；本套微力實(shí)時(shí)量測系統經(jīng)由觸覺(jué)傳感器相互驗證，將對觸覺(jué)傳感器性能評估，得到一個(gè)更具可信度與臨床應用價(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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