觸覺傳感器分類、功能、發(fā)展歷程

觸覺是接觸、滑動(dòng)、壓覺等機(jī)械刺激的總稱。多數(shù)動(dòng)物的觸覺器是遍布全身的，像人類皮膚位于人的體表，并且遍布全身，觸覺器有很多種，有的感覺冷熱，有的感覺痛癢，還有的感覺光滑或是粗糙，不同部位的皮膚對(duì)不同個(gè)東西的觸覺不一樣，這是因?yàn)椴煌惺芷鞣植嫉臄?shù)量和種類不同。人類的臉部、嘴唇、手指等部位的各種感受器很多，所以這些部位的感覺很敏感。

人類皮膚的感知都是定性卻無法定量。而觸覺傳感器可以模仿人類皮膚，更讓人驚嘆的是，還可以把溫度、濕度、力等感覺用定量的方式表達(dá)出來，甚至可以幫助傷殘者獲得失去的感知能力。比如一款新型毛狀電子皮膚，能使機(jī)器人快速分辨出呼吸引起的輕微空氣波動(dòng)或者微弱地心跳震動(dòng)。這款傳感器甚至比人類皮膚更敏感，能夠廣泛應(yīng)用于假肢、心率監(jiān)視器以及機(jī)器人。

觸覺傳感器的主要功能

檢測(cè)功能

檢測(cè)功能包括對(duì)操作對(duì)象的狀態(tài)、機(jī)械手與操作對(duì)象的接觸狀態(tài)、操作對(duì)象的物理性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。

識(shí)別功能

識(shí)別功能是在檢測(cè)的基礎(chǔ)上提取操作對(duì)象的形狀、大小、剛度等特征，以進(jìn)行分類和目標(biāo)識(shí)別。

觸覺傳感器的發(fā)展歷程

70 年代國(guó)外的機(jī)器人研究已成熱點(diǎn)，但觸覺技術(shù)的研究才開始且很少。當(dāng)時(shí)對(duì)觸覺的研究?jī)H限于與對(duì)象的接觸與否 接觸力大小，雖有一些好的設(shè)想 但研制出的傳感器少且簡(jiǎn)陋。

80 年代是機(jī)器人觸覺傳感技術(shù)研究、發(fā)展的快速增長(zhǎng)期，此期間對(duì)傳感器設(shè)計(jì)、原理和方法作了大量研究，主要有電阻、電容、壓電、熱電 磁、磁電、力、光、超聲和電阻應(yīng)變等原理和方法。從總體上看 80 年代的研究可分為傳感器研制、觸覺數(shù)據(jù)處理、主動(dòng)觸覺感知三部分，其突出特點(diǎn)是以傳感器裝置研究為中心 主要面向工業(yè)自動(dòng)化。

90年代對(duì)觸覺傳感技術(shù)的研究繼續(xù)保持增長(zhǎng)并多方向發(fā)展。按寬的分類法，有關(guān)觸覺研究的文獻(xiàn)可分為：傳感技術(shù)與傳感器設(shè)計(jì)、觸覺圖像處理、形狀辨識(shí)、 主動(dòng)觸覺感知、結(jié)構(gòu)與集成。

2002年，美國(guó)科研人員在內(nèi)窺鏡手術(shù)的導(dǎo)管頂部安裝觸覺傳感器，可檢測(cè)疾病組織的剛度，根據(jù)組織柔軟度施加合適的力度，保證手術(shù)操作的安全。

2008年，日本Kazuto Takashima等人設(shè)計(jì)了壓電三維力觸覺傳感器，將其安裝在機(jī)器人靈巧手指端，并建立了肝臟模擬界面，外科醫(yī)生可以通過對(duì)機(jī)器人靈巧手的控制，感受肝臟病變部位的信息，進(jìn)行封閉式手術(shù)。

2009年，德國(guó)菲勞恩霍夫制造技術(shù)和應(yīng)用材料研究院的馬庫(kù)斯-梅瓦爾研制出新型觸覺系統(tǒng)的章魚水下機(jī)器人，可精確地感知障礙物狀況，可以自動(dòng)完成海底環(huán)境的勘測(cè)工作。

觸覺傳感器分類

機(jī)器人感知能力的技術(shù)研究中，觸覺類傳感器極其重要。觸覺類的傳感器研究有廣義和狹義之分。廣義的觸覺包括觸覺、壓覺、力覺、滑覺、冷熱覺等。狹義的觸覺包括機(jī)械手與對(duì)象接觸面上的力感覺。從功能的角度分類，觸覺傳感器大致可分為接觸覺傳感器、力－力矩覺傳感器、壓覺傳感器和滑覺傳感器等。

壓阻式機(jī)器人觸覺傳感器

壓阻式觸覺傳感器是利用彈性體材料的電阻率隨壓力大小的變化而變化的性質(zhì)制成，并把接觸面上的壓力信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)。

1981年，研究人員在金屬電極間夾入碳纖維和碳?xì)?，?gòu)成壓阻傳感器；1999年，中國(guó)科學(xué)院使用力敏電阻制作了能檢測(cè)三維接觸力信息的陣列式觸覺傳感器；2007年，臺(tái)灣國(guó)立大學(xué)利用高分子壓阻復(fù)合膜設(shè)計(jì)研制了傳感范圍和靈敏度可調(diào)整的三軸觸覺傳感器。該三軸觸覺傳感器由四個(gè)傳感懸臂梁及粘貼在各懸臂梁表面和側(cè)面的高分子壓阻復(fù)合薄膜組成。

光傳感式機(jī)器人觸覺傳感器

南京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì)的基于光波導(dǎo)原理的能檢測(cè)三向力的觸覺傳感器。觸覺傳感系統(tǒng)由力敏硅橡膠圓柱觸頭、圓錐觸頭組成，且圓柱觸頭與橡膠墊另一側(cè)的圓錐觸頭一一對(duì)應(yīng)。新型光電敏感器件PSD，不僅可以檢測(cè)三向力，也可以確定受力位置信息。并且觸覺傳感器與視覺傳感器的輸出兼容，適用于機(jī)器人實(shí)時(shí)力控制和主動(dòng)觸覺系統(tǒng)。

電容效應(yīng)式機(jī)器人觸覺傳感器

電容式觸覺傳感器原理是：在外力作用下使兩極板間的相對(duì)位置發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容變化，通過檢測(cè)電容變化量來獲取受力信息。2008年，上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的柔性電容式觸覺傳感器可測(cè)量任意形狀物體表面的接觸力。

磁導(dǎo)式機(jī)器人觸覺傳感器

磁導(dǎo)式觸覺傳感器在外力作用下磁場(chǎng)發(fā)生變化，并把磁場(chǎng)的變化通過磁路系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而感受接觸面上的壓力信息。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所設(shè)計(jì)的基于磁敏Z元件的觸覺傳感器，其中磁敏Z元件能夠輸出隨磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例變化的模擬電壓信號(hào)，靈敏度很高，工作條件要求很低，只要提供有變化的磁場(chǎng)就可以工作。采用平板磁鐵在空氣中的磁場(chǎng)強(qiáng)度衰減作為Z元件的敏感源，通過測(cè)量彈性裝置把力轉(zhuǎn)換為Z元件與磁鐵之間的距離，而Z元件與磁鐵之間的距離與磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化是對(duì)應(yīng)的，這樣，通過把磁場(chǎng)強(qiáng)度參數(shù)轉(zhuǎn)換為位移參數(shù)，再轉(zhuǎn)換為力的參數(shù)，從而達(dá)到測(cè)力的目的。

磁導(dǎo)式觸覺傳感器具有靈敏度高，體積小的優(yōu)點(diǎn)，但與其它類型的機(jī)器人觸覺傳感器相比實(shí)用性較差。

壓電式機(jī)器人觸覺傳感器

壓電轉(zhuǎn)換元件是典型的力敏元件，具有自發(fā)電荷可逆的重要特性，而且具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、固有頻率高、靈敏度和信噪比高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

2004年，重慶大學(xué)設(shè)計(jì)了利用壓電敏感材料檢測(cè)三向力的觸覺傳感器。傳感頭部分主要由基座、蓋子、傳感器內(nèi)芯、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成。傳感頭的內(nèi)芯部分，主要由五個(gè)完全相同的壓電元件、一個(gè)正方體硬質(zhì)合金、一段圓柱硬質(zhì)合金、一段銅柱構(gòu)成。

接觸覺傳感器

接觸覺傳感器用以判斷機(jī)器人是否接觸到外界物體或測(cè)量被接觸物體的特征的傳感器，主要有以下幾種類型。

微動(dòng)開關(guān)式：由彈簧和觸頭構(gòu)成。觸頭接觸外界物體后離開基板，造成信號(hào)通路斷開，從而測(cè)到與外界物體的接觸。

導(dǎo)電橡膠式：它以導(dǎo)電橡膠為敏感元件。當(dāng)觸頭接觸外界物體受壓后，壓迫導(dǎo)電橡膠，使它的電阻發(fā)生改變，從而使流經(jīng)導(dǎo)電橡膠的電流發(fā)生變化。

含碳海綿式：它在基板上裝有海綿構(gòu)成的彈性體，在海綿中按陣列布以含碳海綿。接觸物體受壓后,含碳海綿的電阻減小,測(cè)量流經(jīng)含碳海綿電流的大小，可確定受壓程度。

碳素纖維式：以碳素纖維為上表層，下表層為基板，中間裝以氨基甲酸酯和金屬電極。接觸外界物體時(shí)碳素纖維受壓與電極接觸導(dǎo)電。

氣動(dòng)復(fù)位式：它有柔性絕緣表面，受壓時(shí)變形，脫離接觸時(shí)則由壓縮空氣作為復(fù)位的動(dòng)力。與外界物體接觸時(shí)其內(nèi)部的彈性圓泡(鈹銅箔)與下部觸點(diǎn)接觸而導(dǎo)電。

力－力矩覺傳感器

用于測(cè)量機(jī)器人自身或與外界相互作用而產(chǎn)生的力或力矩的傳感器。它通常裝在機(jī)器人各關(guān)節(jié)處。剛體在空間的運(yùn)動(dòng)可以用 6個(gè)坐標(biāo)來描述，例如用表示剛體質(zhì)心位置的三個(gè)直角坐標(biāo)和分別繞三個(gè)直角坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度坐標(biāo)來描述。可以用多種結(jié)構(gòu)的彈性敏感元件 來敏感機(jī)器人關(guān)節(jié)所受的 6個(gè)自由度的力或力矩，再由粘貼其上的應(yīng)變片（見半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì) 、電阻應(yīng)變計(jì) ）將力或力矩的各個(gè)分量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)。常用彈性敏感元件的形式有十字交叉式、三根豎立彈性梁式和八根彈性梁的橫豎混合結(jié)構(gòu)等。在每根梁的內(nèi)側(cè)粘貼張力測(cè)量應(yīng)變片，外側(cè)粘貼剪切力測(cè)量應(yīng)變片，從而構(gòu)成 6個(gè)自由度的力和力矩分量輸出。?

壓覺傳感器

測(cè)量接觸外界物體時(shí)所受壓力和壓力分布的傳感器。它有助于機(jī)器人對(duì)接觸對(duì)象的幾何形狀和硬度的識(shí)別。壓覺傳感器的敏感元件可由各類壓敏材料制成，常用的有壓敏導(dǎo)電橡膠、由碳纖維燒結(jié)而成的絲狀碳素纖維片和繩狀導(dǎo)電橡膠的排列面等。

如圖是以壓敏導(dǎo)電橡膠為基本材料的壓覺傳感器。在導(dǎo)電橡膠上面附有柔性保護(hù)層，下部裝有玻璃纖維保護(hù)環(huán)和金屬電極。在外壓力作用下，導(dǎo)電橡膠電阻發(fā)生變化,使基底電極電流相應(yīng)變化,從而檢測(cè)出與壓力成一定關(guān)系的電信號(hào)及壓力分布情況。通過改變導(dǎo)電橡膠的滲入成分可控制電阻的大小。例如滲入石墨可加大電阻，滲碳、滲鎳可減小電阻。通過合理選材和加工可制成高密度分布式壓覺傳感器。這種傳感器可以測(cè)量細(xì)微的壓力分布及其變化，故有人稱之為“人工皮膚”。

滑覺傳感器

用于判斷和測(cè)量機(jī)器人抓握或搬運(yùn)物體時(shí)物體所產(chǎn)生的滑移。它實(shí)際上是一種位移傳感器。兩電極交替盤繞成螺旋結(jié)構(gòu)，放置在環(huán)氧樹脂玻璃或柔軟紙板基底上，力敏導(dǎo)電橡膠安裝在電極的正上方。在滑覺傳感器工作過程中，通過檢測(cè)正負(fù)電極間的電壓信號(hào)并通過ADC將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，采用DSP芯片進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理并輸出結(jié)果，判定物體是否產(chǎn)生滑動(dòng)。

滑覺傳感器按有無滑動(dòng)方向檢測(cè)功能可分為無方向性、單方向性和全方向性三類。

無方向性傳感器有探針耳機(jī)式，它由藍(lán)寶石探針、金屬緩沖器、壓電羅謝爾鹽 晶體和橡膠緩沖器組成?；瑒?dòng)時(shí)探針產(chǎn)生振動(dòng)，由羅謝爾鹽轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)。緩沖器的作用是減小噪聲。

單方向性傳感器有滾筒光電式，被抓物體的滑移使?jié)L筒轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致光敏二極管接收到透過碼盤（裝在滾筒的圓面上）的光信號(hào)，通過滾筒的轉(zhuǎn)角信號(hào)而測(cè)出物體的滑動(dòng)。

全方向性傳感器采用表面包有絕緣材料并構(gòu)成經(jīng)緯分布的導(dǎo)電與不導(dǎo)電區(qū) 金屬球。當(dāng)傳感器接觸物體并產(chǎn)生滑動(dòng)時(shí)，球發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使球面上的導(dǎo)電與不導(dǎo)電區(qū)交替接觸電極,從而產(chǎn)生通斷信號(hào),通過對(duì)通斷信號(hào)的計(jì)數(shù)和判斷可測(cè)出滑移的大小和方向。

觸覺傳感器在假肢中的應(yīng)用

假肢可以奇跡般地恢復(fù)一些截肢者失去的功能，但它們至今尚無法完成一件事，那就是恢復(fù)準(zhǔn)確的觸覺。如今，研究人員報(bào)告說，在不遠(yuǎn)的將來，這些人造的手臂和腿腳有可能獲得接近真實(shí)的觸覺。利用一種兩層的柔韌薄塑料，科學(xué)家研制出一種新的電子傳感器，能夠模擬人體皮膚中觸覺傳感器的神經(jīng)信息而向小鼠腦組織傳送信號(hào)。

長(zhǎng)期以來，多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)一直試圖為假肢佩戴者恢復(fù)觸覺。例如，兩年前，美國(guó)俄亥俄州克利夫蘭市凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的研究人員報(bào)告說，通過在假手使用者的手臂外圍神經(jīng)中連接壓力傳感器從而使其獲得了觸覺。

然而盡管這些成績(jī)已經(jīng)恢復(fù)了基本的觸覺，但其傳感器和信號(hào)與皮膚中的天然觸覺傳感器——機(jī)械性感受器發(fā)送的信號(hào)仍存在巨大差異。

當(dāng)人體中的機(jī)械性感受器感受到壓力后，它們會(huì)發(fā)送一股神經(jīng)脈沖；壓力越大，脈沖頻率越高。而之前的觸覺傳感器在更大的壓力下會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的電信號(hào)，而不是高頻脈沖流。電信號(hào)必須被發(fā)送到另一個(gè)處理芯片，該處理芯片將信號(hào)的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成一個(gè)數(shù)字脈沖流，然后才被發(fā)送到周圍神經(jīng)或腦組織中去。

受到天然機(jī)械性感受器的啟發(fā)，由加利福尼亞州帕洛阿爾托市斯坦福大學(xué)化學(xué)工程師鮑哲南率領(lǐng)的研究人員，開始著手研制能夠直接大量產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)的人造皮膚。

據(jù)鮑哲南介紹，這是第一種能夠感知壓力并與大腦溝通的柔性人造皮膚，距真正像人類皮膚的柔性人造皮膚“更近一步”。

這種人造皮膚像“一頁紙那么薄”，可以分為兩層，外層是可以感知壓力的傳感器，由塑料材料加上碳納米管制成；內(nèi)層是由噴墨打印機(jī)印刷出的柔性電子電路，可以把壓力信號(hào)改變成電信號(hào)并傳遞給大腦。

觸覺傳感器在工業(yè)制造中的應(yīng)用

如今大熱的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中重要的角色就是工業(yè)機(jī)器人。著名汽車制造商比如特斯拉、寶馬等等的車間幾乎見不到一個(gè)人，全靠工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)組裝、噴漆、檢測(cè)等工作。今年富士康在國(guó)內(nèi)引進(jìn)數(shù)千機(jī)器人取代工人更是證明了未來制造業(yè)采用工業(yè)機(jī)器人是大勢(shì)所趨。力傳感器賦予機(jī)器人的手腕觸覺。力傳感器安裝在機(jī)器人和它操作的機(jī)臺(tái)之間，這樣兩者間的所有力都能被機(jī)器人和機(jī)臺(tái)感知和監(jiān)控。

2015年問世的一款新型的鍵盤產(chǎn)品“101touch”，其特色在于鍵盤完全是一塊可定制的觸摸屏，你可以根據(jù)電腦使用需求來更改鍵盤布局，來適應(yīng)不同的需求，如打字、游戲操作、視頻播放編輯等等，甚至變成一款專為兒童設(shè)計(jì)的卡通鍵盤。

觸覺傳感器在可穿戴電子產(chǎn)品中的應(yīng)用

近年來，便攜式智能電子產(chǎn)品發(fā)展日新月異，出現(xiàn)了眾多多功能的可穿戴器件。將電子產(chǎn)品用于手鐲、眼鏡和鞋子等隨身穿戴品一樣“穿戴”在身上已然成為一種新時(shí)尚。其中，穿戴式觸覺傳感器是當(dāng)下科技圈最前沿的領(lǐng)域之一，可模仿人與外界環(huán)境直接接觸時(shí)的觸覺功能，主要包括對(duì)力信號(hào)、熱信號(hào)和濕信號(hào)的探測(cè)，是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢和輔助人類全面感知自然及自己的核心元件。

發(fā)展穿戴式、能夠適應(yīng)基底任意變形、同時(shí)對(duì)多種無規(guī)則觸覺刺激有準(zhǔn)確響應(yīng)的新型觸覺傳感器件至關(guān)重要。隨著石墨烯、碳納米管、氧化鋅、液態(tài)金屬等新型功能材料的出現(xiàn)，柔性電子相關(guān)制備技術(shù)的革新，穿戴式觸覺傳感器的研究在近幾年得到了迅猛的發(fā)展。

穿戴式觸覺傳感器通常構(gòu)建在類似皮膚的彈性基底或者可伸縮的織物上以獲得柔性和可伸縮性。隨著材料科學(xué)、柔性電子和納米技術(shù)的飛速發(fā)展，器件的靈敏度、量程、規(guī)模尺寸以及空間分辨率等基礎(chǔ)性能提升迅速，甚至超越了人的皮膚。同時(shí)，為了適應(yīng)對(duì)力、熱、濕、氣體、生物、化學(xué)等多刺激分辨的傳感要求，器件設(shè)計(jì)更加更精巧，集成方案也更加更成熟。具有生物兼容、生物可降解、自修復(fù)、自供能及可視化等實(shí)用功能的智能傳感器件也應(yīng)運(yùn)而生。此外，穿戴式電子產(chǎn)品朝著集成化方向發(fā)展，即針對(duì)具體應(yīng)用將觸覺傳感器與相關(guān)功能部件（如電源、無線收發(fā)模塊、信號(hào)處理、執(zhí)行器等）有效集成，打造具有良好柔性、空間適應(yīng)性和功能性的穿戴式平臺(tái)。

目前，穿戴式觸覺傳感器在實(shí)際應(yīng)用仍然面臨很多挑戰(zhàn)，例如傳感器在反復(fù)變形過程中的性能退化，多刺激同時(shí)探測(cè)的串?dāng)_解耦，穿戴式平臺(tái)內(nèi)部器件之間的力、熱、電性能匹配等。應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)將帶來新的機(jī)遇，為相關(guān)材料制備、器件加工及系統(tǒng)集成指明未來的發(fā)展方向。毫無疑問，穿戴式觸覺傳感器將朝向更加柔性化、小型化、智能化、多功能化、人性化方向發(fā)展。觸覺傳感器的適用范圍將大大拓寬，在人機(jī)交互系統(tǒng)、智能機(jī)器人、移動(dòng)醫(yī)療等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

編輯：黃飛