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，更讓人驚歎的是
，還可以把溫度
、濕度
、力li等deng感gan覺jiao用yong定ding量liang的de方fang式shi表biao達da出chu來lai
，甚shen至zhi可ke以yi幫bang助zhu傷shang殘can者zhe獲huo得de失shi去qu的de感gan知zhi能neng力li。比bi如ru一yi款kuan新xin型xing毛mao狀zhuang電dian子zi皮pi膚fu

，能neng使shi機ji器qi人ren快kuai速su分fen辨bian出chu呼hu吸xi引yin起qi的de輕qing微wei空kong氣qi波bo動dong或huo者zhe微wei弱ruo地di心xin跳tiao震zhen動dong。這zhe款kuan傳chuan感gan器qi甚shen至zhi比bi人ren類lei皮pi膚fu更geng敏min感gan，能neng夠gou廣guang泛fan應ying用yong於yu假jia肢zhi、心率監視器以及機器人。

 

觸覺傳感器的主要功能

 

檢測功能

 

檢測功能包括對操作對象的狀態、機械手與操作對象的接觸狀態、操作對象的物理性質進行檢測。

 

 

識別功能

 

識別功能是在檢測的基礎上提取操作對象的形狀、大小、剛度等特征，以進行分類和目標識別。

 

觸覺傳感器的發展曆程

 

70 年代國外的機器人研究已成熱點，但觸覺技術的研究才開始且很少。當時對觸覺的研究僅限於與對象的接觸與否 接觸力大小，雖有一些好的設想 但研製出的傳感器少且簡陋。

 

80 年代是機器人觸覺傳感技術研究、發展的快速增長期，此期間對傳感器設計、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製、觸覺數據處理
、主動觸覺感知三部分
，其突出特點是以傳感器裝置研究為中心 主要麵向工業自動化。

 

90年代對觸覺傳感技術的研究繼續保持增長並多方向發展。按寬的分類法
，有關觸覺研究的文獻可分為：傳感技術與傳感器設計
、觸覺圖像處理、形狀辨識
、 主動觸覺感知
、結構與集成。

 

2002nian，meiguokeyanrenyuanzaineikuijingshoushudedaoguandingbuanzhuangchujiaochuanganqi
，kejiancejibingzuzhidegangdu，genjuzuzhirouruandushijiaheshidelidu，baozhengshoushucaozuodeanquan。

 

2008年
，日本Kazuto Takashima等(deng)人(ren)設(she)計(ji)了(le)壓(ya)電(dian)三(san)維(wei)力(li)觸(chu)覺(jiao)傳(chuan)感(gan)器(qi)，將(jiang)其(qi)安(an)裝(zhuang)在(zai)機(ji)器(qi)人(ren)靈(ling)巧(qiao)手(shou)指(zhi)端(duan)，並(bing)建(jian)立(li)了(le)肝(gan)髒(zang)模(mo)擬(ni)界(jie)麵(mian)，外(wai)科(ke)醫(yi)生(sheng)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)對(dui)機(ji)器(qi)人(ren)靈(ling)巧(qiao)手(shou)的(de)控(kong)製(zhi)，感(gan)受(shou)肝(gan)髒(zang)病(bing)變(bian)部(bu)位(wei)的(de)信(xin)息(xi)，進(jin)行(xing)封(feng)閉(bi)式(shi)手(shou)術(shu)。

 

2009年
，德國菲勞恩霍夫製造技術和應用材料研究院的馬庫斯-梅瓦爾研製出新型觸覺係統的章魚水下機器人，可精確地感知障礙物狀況，可以自動完成海底環境的勘測工作。

 

觸覺傳感器分類

 

機器人感知能力的技術研究中，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。狹義的觸覺包括機械手與對象接觸麵上的力感覺。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製成
，並把接觸麵上的壓力信號變為電信號。

 

 

1981年，研究人員在金屬電極間夾入碳纖維和碳氈

，構成壓阻傳感器；1999年
，中國科學院使用力敏電阻製作了能檢測三維接觸力信息的陣列式觸覺傳感器；2007nian，taiwanguolidaxueliyonggaofenziyazufuhemoshejiyanzhilechuanganfanweihelingminduketiaozhengdesanzhouchujiaochuanganqi。gaisanzhouchujiaochuanganqiyousigechuanganxuanbiliangjizhantiezaigexuanbiliangbiaomianhecemiandegaofenziyazufuhebomozucheng。

 

光傳感式機器人觸覺傳感器

 

南京航空航天大學設計的基於光波導原理的能檢測三向力的觸覺傳感器。觸覺傳感係統由力敏矽橡膠圓柱觸頭、圓錐觸頭組成，且圓柱觸頭與橡膠墊另一側的圓錐觸頭一一對應。新型光電敏感器件PSD，不bu僅jin可ke以yi檢jian測ce三san向xiang力li，也ye可ke以yi確que定ding受shou力li位wei置zhi信xin息xi。並bing且qie觸chu覺jiao傳chuan感gan器qi與yu視shi覺jiao傳chuan感gan器qi的de輸shu出chu兼jian容rong，適shi用yong於yu機ji器qi人ren實shi時shi力li控kong製zhi和he主zhu動dong觸chu覺jiao係xi統tong。

 

 

電容效應式機器人觸覺傳感器

 

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位置發生變化，從而導致電容變化，通過檢測電容變化量來獲取受力信息。2008年，上海微係統與信息技術研究所傳感技術國家重點實驗室研製的柔性電容式觸覺傳感器可測量任意形狀物體表麵的接觸力。

 

 

磁導式機器人觸覺傳感器

 

磁導式觸覺傳感器在外力作用下磁場發生變化，並把磁場的變化通過磁路係統轉換為電信號
，從而感受接觸麵上的壓力信息。

 

 

哈爾濱工業大學機器人研究所設計的基於磁敏Z元件的觸覺傳感器，其中磁敏Z元(yuan)件(jian)能(neng)夠(gou)輸(shu)出(chu)隨(sui)磁(ci)場(chang)強(qiang)度(du)成(cheng)比(bi)例(li)變(bian)化(hua)的(de)模(mo)擬(ni)電(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)，靈(ling)敏(min)度(du)很(hen)高(gao)，工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)要(yao)求(qiu)很(hen)低(di)，隻(zhi)要(yao)提(ti)供(gong)有(you)變(bian)化(hua)的(de)磁(ci)場(chang)就(jiu)可(ke)以(yi)工(gong)作(zuo)。采(cai)用(yong)平(ping)板(ban)磁(ci)鐵(tie)在(zai)空(kong)氣(qi)中(zhong)的(de)磁(ci)場(chang)強(qiang)度(du)衰(shuai)減(jian)作(zuo)為(wei)Z元件的敏感源，通過測量彈性裝置把力轉換為Z元件與磁鐵之間的距離，而Z元(yuan)件(jian)與(yu)磁(ci)鐵(tie)之(zhi)間(jian)的(de)距(ju)離(li)與(yu)磁(ci)場(chang)強(qiang)度(du)的(de)變(bian)化(hua)是(shi)對(dui)應(ying)的(de)，這(zhe)樣(yang)

，通(tong)過(guo)把(ba)磁(ci)場(chang)強(qiang)度(du)參(can)數(shu)轉(zhuan)換(huan)為(wei)位(wei)移(yi)參(can)數(shu)
，再(zai)轉(zhuan)換(huan)為(wei)力(li)的(de)參(can)數(shu)

，從(cong)而(er)達(da)到(dao)測(ce)力(li)的(de)目(mu)的(de)。

 

磁導式觸覺傳感器具有靈敏度高，體積小的優點，但與其它類型的機器人觸覺傳感器相比實用性較差。

 

壓電式機器人觸覺傳感器

 

壓電轉換元件是典型的力敏元件

，具有自發電荷可逆的重要特性，而且具有體積小、質量輕
、結構簡單、工作可靠、固有頻率高

、靈敏度和信噪比高、性能穩定等優點。

 

2004年，重慶大學設計了利用壓電敏感材料檢測三向力的觸覺傳感器。傳感頭部分主要由基座、蓋子
、傳感器內芯
、調節機構等組成。傳感頭的內芯部分，主要由五個完全相同的壓電元件、一個正方體硬質合金、一段圓柱硬質合金、一段銅柱構成。

 

 

接觸覺傳感器

 

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

 

微動開關式：由彈簧和觸頭構成。觸頭接觸外界物體後離開基板，造成信號通路斷開，從而測到與外界物體的接觸。

 

導電橡膠式：它以導電橡膠為敏感元件。當觸頭接觸外界物體受壓後，壓迫導電橡膠，使它的電阻發生改變，從而使流經導電橡膠的電流發生變化。

 

含碳海綿式：它在基板上裝有海綿構成的彈性體
，在海綿中按陣列布以含碳海綿。接觸物體受壓後,含碳海綿的電阻減小,測量流經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。接觸外界物體時碳素纖維受壓與電極接觸導電。

 

氣動複位式：它有柔性絕緣表麵，受壓時變形，脫離接觸時則由壓縮空氣作為複位的動力。與外界物體接觸時其內部的彈性圓泡(鈹銅箔)與下部觸點接觸而導電。

 

 

力－力矩覺傳感器

 

用於測量機器人自身或與外界相互作用而產生的力或力矩的傳感器。它通常裝在機器人各關節處。剛體在空間的運動可以用 6個ge坐zuo標biao來lai描miao述shu，例li如ru用yong表biao示shi剛gang體ti質zhi心xin位wei置zhi的de三san個ge直zhi角jiao坐zuo標biao和he分fen別bie繞rao三san個ge直zhi角jiao坐zuo標biao軸zhou旋xuan轉zhuan的de角jiao度du坐zuo標biao來lai描miao述shu。可ke以yi用yong多duo種zhong結jie構gou的de彈dan性xing敏min感gan元yuan件jian 來敏感機器人關節所受的 6個自由度的力或力矩
，再由粘貼其上的應變片（見半導體應變計

、電阻應變計 ）將力或力矩的各個分量轉換為相應的電信號。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構等。在每根梁的內側粘貼張力測量應變片，外側粘貼剪切力測量應變片，從而構成 6個自由度的力和力矩分量輸出。

 

壓覺傳感器

 

測(ce)量(liang)接(jie)觸(chu)外(wai)界(jie)物(wu)體(ti)時(shi)所(suo)受(shou)壓(ya)力(li)和(he)壓(ya)力(li)分(fen)布(bu)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)。它(ta)有(you)助(zhu)於(yu)機(ji)器(qi)人(ren)對(dui)接(jie)觸(chu)對(dui)象(xiang)的(de)幾(ji)何(he)形(xing)狀(zhuang)和(he)硬(ying)度(du)的(de)識(shi)別(bie)。壓(ya)覺(jiao)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)可(ke)由(you)各(ge)類(lei)壓(ya)敏(min)材(cai)料(liao)製(zhi)成(cheng)
，常(chang)用(yong)的(de)有(you)壓(ya)敏(min)導(dao)電(dian)橡(xiang)膠(jiao)、由碳纖維燒結而成的絲狀碳素纖維片和繩狀導電橡膠的排列麵等。

 

如ru圖tu是shi以yi壓ya敏min導dao電dian橡xiang膠jiao為wei基ji本ben材cai料liao的de壓ya覺jiao傳chuan感gan器qi。在zai導dao電dian橡xiang膠jiao上shang麵mian附fu有you柔rou性xing保bao護hu層ceng，下xia部bu裝zhuang有you玻bo璃li纖xian維wei保bao護hu環huan和he金jin屬shu電dian極ji。在zai外wai壓ya力li作zuo用yong下xia，導dao電dian橡xiang膠jiao電dian阻zu發fa生sheng變bian化hua,使基底電極電流相應變化,從(cong)而(er)檢(jian)測(ce)出(chu)與(yu)壓(ya)力(li)成(cheng)一(yi)定(ding)關(guan)係(xi)的(de)電(dian)信(xin)號(hao)及(ji)壓(ya)力(li)分(fen)布(bu)情(qing)況(kuang)。通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)導(dao)電(dian)橡(xiang)膠(jiao)的(de)滲(shen)入(ru)成(cheng)分(fen)可(ke)控(kong)製(zhi)電(dian)阻(zu)的(de)大(da)小(xiao)。例(li)如(ru)滲(shen)入(ru)石(shi)墨(mo)可(ke)加(jia)大(da)電(dian)阻(zu)，滲(shen)碳(tan)
、滲鎳可減小電阻。通過合理選材和加工可製成高密度分布式壓覺傳感器。這種傳感器可以測量細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(yong)於(yu)判(pan)斷(duan)和(he)測(ce)量(liang)機(ji)器(qi)人(ren)抓(zhua)握(wo)或(huo)搬(ban)運(yun)物(wu)體(ti)時(shi)物(wu)體(ti)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)滑(hua)移(yi)。它(ta)實(shi)際(ji)上(shang)是(shi)一(yi)種(zhong)位(wei)移(yi)傳(chuan)感(gan)器(qi)。兩(liang)電(dian)極(ji)交(jiao)替(ti)盤(pan)繞(rao)成(cheng)螺(luo)旋(xuan)結(jie)構(gou)

，放(fang)置(zhi)在(zai)環(huan)氧(yang)樹(shu)脂(zhi)玻(bo)璃(li)或(huo)柔(rou)軟(ruan)紙(zhi)板(ban)基(ji)底(di)上(shang)
，力(li)敏(min)導(dao)電(dian)橡(xiang)膠(jiao)安(an)裝(zhuang)在(zai)電(dian)極(ji)的(de)正(zheng)上(shang)方(fang)。在(zai)滑(hua)覺(jiao)傳(chuan)感(gan)器(qi)工(gong)作(zuo)過(guo)程(cheng)中(zhong)，通(tong)過(guo)檢(jian)測(ce)正(zheng)負(fu)電(dian)極(ji)間(jian)的(de)電(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)並(bing)通(tong)過(guo)ADC將其轉換成數字信號，采用DSP芯片進行數字信號處理並輸出結果，判定物體是否產生滑動。

 

 

滑覺傳感器按有無滑動方向檢測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式
，它由藍寶石探針、金屬緩衝器、壓電羅謝爾鹽 晶體和橡膠緩衝器組成。滑動時探針產生振動，由羅謝爾鹽轉換為相應的電信號。緩衝器的作用是減小噪聲。

 

單方向性傳感器有滾筒光電式，被抓物體的滑移使滾筒轉動，導致光敏二極管接收到透過碼盤（裝在滾筒的圓麵上）的光信號，通過滾筒的轉角信號而測出物體的滑動。

 

全方向性傳感器采用表麵包有絕緣材料並構成經緯分布的導電與不導電區 金屬球。當傳感器接觸物體並產生滑動時，球發生轉動，使球麵上的導電與不導電區交替接觸電極,從而產生通斷信號,通過對通斷信號的計數和判斷可測出滑移的大小和方向。

 

 

觸覺傳感器在假肢中的應用

 

jiazhikeyiqijibandihuifuyixiejiezhizheshiqudegongneng，dantamenzhijinshangwufawanchengyijianshi


，najiushihuifuzhunquedechujiao。rujin，yanjiurenyuanbaogaoshuo，zaibuyuandejianglai，zhexierenzaodeshoubihetuijiaoyoukenenghuodejiejinzhenshidechujiao。liyongyizhongliangcengderourenbosuliao，kexuejiayanzhichuyizhongxindedianzichuanganqi，nenggoumonirentipifuzhongchujiaochuanganqideshenjingxinxierxiangxiaoshunaozuzhichuansongxinhao。

 

 

長chang期qi以yi來lai，多duo個ge研yan究jiu團tuan隊dui一yi直zhi試shi圖tu為wei假jia肢zhi佩pei戴dai者zhe恢hui複fu觸chu覺jiao。例li如ru
，兩liang年nian前qian，美mei國guo俄e亥hai俄e州zhou克ke利li夫fu蘭lan市shi凱kai斯si西xi儲chu大da學xue的de研yan究jiu人ren員yuan報bao告gao說shuo
，通tong過guo在zai假jia手shou使shi用yong者zhe的de手shou臂bi外wai圍wei神shen經jing中zhong連lian接jie壓ya力li傳chuan感gan器qi從cong而er使shi其qi獲huo得de了le觸chu覺jiao。

 

然而盡管這些成績已經恢複了基本的觸覺，但其傳感器和信號與皮膚中的天然觸覺傳感器——機械性感受器發送的信號仍存在巨大差異。

 

當人體中的機械性感受器感受到壓力後

，它們會發送一股神經脈衝
；yaliyueda，maichongpinlvyuegao。erzhiqiandechujiaochuanganqizaigengdadeyalixiahuichanshenggengqiangdedianxinhao，erbushigaopinmaichongliu。dianxinhaobixubeifasongdaolingyigechulixinpian，gaichulixinpianjiangxinhaodeqiangduzhuanhuanchengyigeshuzimaichongliu，ranhoucaibeifasongdaozhouweishenjinghuonaozuzhizhongqu。

 

 

受shou到dao天tian然ran機ji械xie性xing感gan受shou器qi的de啟qi發fa，由you加jia利li福fu尼ni亞ya州zhou帕pa洛luo阿e爾er托tuo市shi斯si坦tan福fu大da學xue化hua學xue工gong程cheng師shi鮑bao哲zhe南nan率lv領ling的de研yan究jiu人ren員yuan，開kai始shi著zhe手shou研yan製zhi能neng夠gou直zhi接jie大da量liang產chan生sheng數shu字zi信xin號hao的de人ren造zao皮pi膚fu。

 

據鮑哲南介紹
，這是第一種能夠感知壓力並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“一頁紙那麼薄”

，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製成；內層是由噴墨打印機印刷出的柔性電子電路，可以把壓力信號改變成電信號並傳遞給大腦。

 

觸覺傳感器在工業製造中的應用

 

如今大熱的工業互聯網中重要的角色就是工業機器人。著名汽車製造商比如特斯拉、寶馬等等的車間幾乎見不到一個人，全靠工業機器人實現組裝、噴漆、jiancedenggongzuo。jinnianfushikangzaiguoneiyinjinshuqianjiqirenqudaigongrengengshizhengmingleweilaizhizaoyecaiyonggongyejiqirenshidashisuoqu。lichuanganqifuyujiqirendeshouwanchujiao。lichuanganqianzhuangzaijiqirenhetacaozuodejitaizhijian
，zheyangliangzhejiandesuoyoulidounengbeijiqirenhejitaiganzhihejiankong。

 

 

2015年問世的一款新型的鍵盤產品“101touch”
，其特色在於鍵盤完全是一塊可定製的觸摸屏，你可以根據電腦使用需求來更改鍵盤布局
，來適應不同的需求
，如打字、遊戲操作、視頻播放編輯等等

，甚至變成一款專為兒童設計的卡通鍵盤。

 

 

觸覺傳感器在可穿戴電子產品中的應用

 

近年來，便攜式智能電子產品發展日新月異
，出現了眾多多功能的可穿戴器件。將電子產品用於手鐲、眼鏡和鞋子等隨身穿戴品一樣“穿戴”在zai身shen上shang已yi然ran成cheng為wei一yi種zhong新xin時shi尚shang。其qi中zhong
，穿chuan戴dai式shi觸chu覺jiao傳chuan感gan器qi是shi當dang下xia科ke技ji圈quan最zui前qian沿yan的de領ling域yu之zhi一yi，可ke模mo仿fang人ren與yu外wai界jie環huan境jing直zhi接jie接jie觸chu時shi的de觸chu覺jiao功gong能neng，主zhu要yao包bao括kuo對dui力li信xin號hao

、熱信號和濕信號的探測，是物聯網的神經末梢和輔助人類全麵感知自然及自己的核心元件。

 

 

發展穿戴式、能夠適應基底任意變形、同時對多種無規則觸覺刺激有準確響應的新型觸覺傳感器件至關重要。隨著石墨烯、碳納米管、氧化鋅
、液態金屬等新型功能材料的出現，柔性電子相關製備技術的革新，穿戴式觸覺傳感器的研究在近幾年得到了迅猛的發展。

 

穿戴式觸覺傳感器通常構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、柔性電子和納米技術的飛速發展
，器件的靈敏度、量程、規模尺寸以及空間分辨率等基礎性能提升迅速，甚至超越了人的皮膚。同時，為了適應對力、熱
、濕、氣體
、生物


、化學等多刺激分辨的傳感要求，器件設計更加更精巧
，集成方案也更加更成熟。具有生物兼容
、生物可降解、自修複、自(zi)供(gong)能(neng)及(ji)可(ke)視(shi)化(hua)等(deng)實(shi)用(yong)功(gong)能(neng)的(de)智(zhi)能(neng)傳(chuan)感(gan)器(qi)件(jian)也(ye)應(ying)運(yun)而(er)生(sheng)。此(ci)外(wai)，穿(chuan)戴(dai)式(shi)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)朝(chao)著(zhe)集(ji)成(cheng)化(hua)方(fang)向(xiang)發(fa)展(zhan)
，即(ji)針(zhen)對(dui)具(ju)體(ti)應(ying)用(yong)將(jiang)觸(chu)覺(jiao)傳(chuan)感(gan)器(qi)與(yu)相(xiang)關(guan)功(gong)能(neng)部(bu)件(jian)（如電源、無線收發模塊
、信號處理、執行器等）有效集成
，打造具有良好柔性

、空間適應性和功能性的穿戴式平台。

 

 

目mu前qian，穿chuan戴dai式shi觸chu覺jiao傳chuan感gan器qi在zai實shi際ji應ying用yong仍reng然ran麵mian臨lin很hen多duo挑tiao戰zhan，例li如ru傳chuan感gan器qi在zai反fan複fu變bian形xing過guo程cheng中zhong的de性xing能neng退tui化hua，多duo刺ci激ji同tong時shi探tan測ce的de串chuan擾rao解jie耦ou，穿chuan戴dai式shi平ping台tai內nei部bu器qi件jian之zhi間jian的de力li、熱、電性能匹配等。應對這些挑戰將帶來新的機遇

，為相關材料製備、器件加工及係統集成指明未來的發展方向。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、人性化方向發展。觸覺傳感器的適用範圍將大大拓寬，在人機交互係統
、智能機器人
、移動醫療等領域具有巨大的應用前景。

 

本文轉載自傳感器技術。

 

 

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