探秘电子皮肤——触觉传感器

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

力－力矩觉传感器

用于测量机器人自身或与外界相互作用而产生的力或力矩的传感器。它通常装在机器人各关节处。刚体在空间的运动可以用 6个坐标来描述，例如用表示刚体质心位置的三个直角坐标和分别绕三个直角坐标轴旋转的角度坐标来描述。可以用多种结构的弹性敏感元件 来敏感机器人关节所受的 6个自由度的力或力矩，再由粘贴其上的应变片（见半导体应变计 、电阻应变计 ）将力或力矩的各个分量转换为相应的电信号。常用弹性敏感元件的形式有十字交叉式、三根竖立弹性梁式和八根弹性梁的横竖混合结构等。在每根梁的内侧粘贴张力测量应变片，外侧粘贴剪切力测量应变片，从而构成 6个自由度的力和力矩分量输出。 

压觉传感器

测量接触外界物体时所受压力和压力分布的传感器。它有助于机器人对接触对象的几何形状和硬度的识别。压觉传感器的敏感元件可由各类压敏材料制成，常用的有压敏导电橡胶、由碳纤维烧结而成的丝状碳素纤维片和绳状导电橡胶的排列面等。

如图是以压敏导电橡胶为基本材料的压觉传感器。在导电橡胶上面附有柔性保护层，下部装有玻璃纤维保护环和金属电极。在外压力作用下，导电橡胶电阻发生变化,使基底电极电流相应变化,从而检测出与压力成一定关系的电信号及压力分布情况。通过改变导电橡胶的渗入成分可控制电阻的大小。例如渗入石墨可加大电阻，渗碳、渗镍可减小电阻。通过合理选材和加工可制成高密度分布式压觉传感器。这种传感器可以测量细微的压力分布及其变化，故有人称之为“人工皮肤”。

滑觉传感器

用于判断和测量机器人抓握或搬运物体时物体所产生的滑移。它实际上是一种位移传感器。两电极交替盘绕成螺旋结构，放置在环氧树脂玻璃或柔软纸板基底上，力敏导电橡胶安装在电极的正上方。在滑觉传感器工作过程中，通过检测正负电极间的电压信号并通过ADC将其转换成数字信号，采用DSP芯片进行数字信号处理并输出结果，判定物体是否产生滑动。

滑觉传感器按有无滑动方向检测功能可分为无方向性、单方向性和全方向性三类。

无方向性传感器有探针耳机式，它由蓝宝石探针、金属缓冲器、压电罗谢尔盐 晶体和橡胶缓冲器组成。滑动时探针产生振动，由罗谢尔盐转换为相应的电信号。缓冲器的作用是减小噪声。

单方向性传感器有滚筒光电式，被抓物体的滑移使滚筒转动，导致光敏二极管接收到透过码盘（装在滚筒的圆面上）的光信号，通过滚筒的转角信号而测出物体的滑动。

全方向性传感器采用表面包有绝缘材料并构成经纬分布的导电与不导电区 金属球。当传感器接触物体并产生滑动时，球发生转动，使球面上的导电与不导电区交替接触电极,从而产生通断信号,通过对通断信号的计数和判断可测出滑移的大小和方向。

假肢可以奇迹般地恢复一些截肢者失去的功能，但它们至今尚无法完成一件事，那就是恢复准确的触觉。如今，研究人员报告说，在不远的将来，这些人造的手臂和腿脚有可能获得接近真实的触觉。利用一种两层的柔韧薄塑料，科学家研制出一种新的电子传感器，能够模拟人体皮肤中触觉传感器的神经信息而向小鼠脑组织传送信号。

长期以来，多个研究团队一直试图为假肢佩戴者恢复触觉。例如，两年前，美国俄亥俄州克利夫兰市凯斯西储大学的研究人员报告说，通过在假手使用者的手臂外围神经中连接压力传感器从而使其获得了触觉。