触觉传感器大作业

机器人触觉传感器概况

姓名：徐乾荣学号：140231

1.1背景介绍

触觉是人与外界环境直接接触时的重要感觉功能，研制满足要求的触觉传感器是机器人发展中的技术关键之一。随着微电子技术的发展和各种有机材料的出现，已经提出了多种多样的触觉传感器的研制方案，但目前大都属于实验室阶段，达到产品化的不多。

现代工业的高度自动化以及电子工业的迅猛发展，使得机器人在各领域的应用更加广泛和深入。实现机器人智能化的关键是模拟人类五官感知功能的传感器的研究设计。触觉传感技术作为实现智能机器人技术的关键因素之一，不仅仅是视觉的一种补充，它与视觉一样，都是模拟人的感觉，是实现机器人与环境直接作用的必须媒介。

1.2机器人触觉传感器国外研究现状

国外学者对机器人触觉传感技术较系统的研究开始于上世纪70年代，目前国外触觉传感技术研究已经取得很大成果。

2002年，美国科研人员在内窥镜手术的导管顶部安装触觉传感器，可检测疾病组织的刚度，根据组织柔软度施加合适的力度，保证手术操作的安全。2008年，日本Kazuto Takashima等人设计了压电三维力触觉传感器，将其安装在机器人灵巧手指端，并建立了肝脏模拟界面，外科医生可以通过对机器人灵巧手的控制，感受肝脏病变部位的信息，进行封闭式手术。2009年，德国菲劳恩霍夫制造技术和应用材料研究院的马库斯-梅瓦尔研制出新型触觉系统的章鱼水下机器人，可精确地感知障碍物状况，可以自动完成海底环境的勘测工作。

1.3机器人触觉传感器国内研究现状

国内对机器人触觉传感技术的研究起步较晚，受到客观条件的限制，在1987年国家863计划开始实施以后才加快研究步伐。在863计划的支持下，东南大学、北京理工大学，中科院合肥智能所等单位在90年代初相继开展了各有特色的研究，并取得了一定的成果。

1.4触觉传感器分类

机器人感知能力的技术研究中，触觉类传感器极其重要。触觉类的传感器研究有广义和狭义之分。广义的触觉包括触觉、压觉、力觉、滑觉、冷热觉等。狭义的触觉包括机械手与对象接触面上的力感觉。从功能的角度分类，触觉传感器大致可分为接触觉传感器、力－力矩觉传感器、压觉传感器和滑觉传感器等。

1.4.1压阻式机器人触觉传感器

压阻式触觉传感器是利用弹性体材料的电阻率随压力大小的变化而变化的性质制成，并把接触面上的压力信号变为电信号。

1981年，研究人员在金属电极间夹入碳纤维和碳毡，构成压阻传感器；1999年，中国科学院合肥智能机械研究所，使用力敏电阻制作了能检测三维接触力信息的阵列式触觉传感器；2007年，台湾国立大学利用高分子压阻复合膜设计研制了传感范围和灵敏度可调整的三轴触觉传感器。该三轴触觉传感器由四个传感悬臂梁及粘贴在各悬臂梁表面和侧面的高分子压阻复合薄膜组成。具体结构示意图见图1。

图1 压阻式机器人触觉传感器

1.4.2光传感式机器人触觉传感器

2002年，南京航空航天大学自动化学院设计了基于光波导原理的能检测三向力的触觉传感器。触觉传感系统由力敏硅橡胶圆柱触头、圆锥触头组成，且圆柱触头与橡胶垫另一侧的圆锥触头一一对应。新型光电敏感器件PSD，不仅可以检测三向力，也可以确定受力位置信息。并且触觉传感器与视觉传感器的输出兼容，适用于机器人实时力控制和主动触觉系统。具体结构示意图见图2。

图2 光传感式机器人触觉传感器

1.4.3电容效应式机器人触觉传感器

电容式触觉传感器原理是：在外力作用下使两极板间的相对位置发生变化，从而导致电容变化，通过检测电容变化量来获取受力信息。2008年，上海微系统与信息技术研究所传感技术国家重点实验室研制的柔性电容式触觉传感器可测量任意形状物体表面的接触力。具体结构示意图见图3。

图3电容效应式机器人触觉传感器

1.4.4磁导式机器人触觉传感器

磁导式触觉传感器在外力作用下磁场发生变化，并把磁场的变化通过磁路系统转换为电信号，从而感受接触面上的压力信息。

1999年，哈尔滨工业大学机器人研究所设计的基于磁敏Z元件的触觉传感器，其中磁敏Z元件能够输出随磁场强度成比例变化的模拟电压信号，灵敏度很高，工作条件要求很低，只要提供有变化的磁场就可以工作。采用平板磁铁在空气中的磁场强度衰减作为Z元件的敏感源，通过测量弹性装置把力转换为Z元件与磁铁之间的距离，而Z元件与磁铁之间的距离与磁场强度的变化是对应的，这样，通过把磁场强度参数转换为位移参数，再转换为力的参数，从而达到测力的目的。具体结构示意图见图4。

图4 磁导式机器人触觉传感器

磁导式触觉传感器具有灵敏度高，体积小的优点，但与其它类型的机器人触觉传感器相比实用性较差。

1.4.5压电式机器人触觉传感器

压电转换元件是典型的力敏元件，具有自发电荷可逆的重要特性，而且具有体积小、质量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪比高、性能稳定等优点。

2004年，重庆大学设计了利用压电敏感材料检测三向力的触觉传感器。传感头部分主要由基座、盖子、传感器内芯、调节机构等组成。传感头的内芯部分，主要由五个完全相同的压电元件、一个正方体硬质合金、一段圆柱硬质合金、一段铜柱构成。具体结构示意图见图5。

图5 压电式机器人触觉传感器

1.4.6接触觉传感器

接触觉传感器用以判断机器人是否接触到外界物体或测量被接触物体的特征的传感器，主要有以下几种类型。①微动开关式：由弹簧和触头构成。触头接触外界物体后离开基板，造成信号通路断开，从而测到与外界物体的接触。②导电橡胶式：它以导电橡胶为敏感元件。当触头接触外界物体受压后，压迫导电橡胶，使它的电阻发生改变，从而使流经导电橡胶的电流发生变化。③含碳海绵式：它在基板上装有海绵构成的弹性体，在海绵中按阵列布以含碳海绵。接触物体受压后,含碳海绵的电阻减小,测量流经含碳海绵电流的大小，可确定受压程度。④碳素纤维式：以碳素纤维为上表层，下表层为基板，中间装以氨基甲酸酯和金属电极。接触外界物体时碳素纤维受压与电极接触导电。⑤气动复位式：它有柔性绝缘表面，受压时变形，脱离接触时则由压缩空气作为复位的动力。与外界物体接触时其内部的弹性圆泡(铍铜箔)与下部触点接触而导电。

图6 几种典型的接触觉传感器