觸覺(jué)是接觸、滑動(dòng)、壓覺(jué)等機(jī)械刺激的總稱(chēng)。多數(shù)動(dòng)物的觸覺(jué)器是遍布全身的，像人類(lèi)皮膚位于人的體表，并且遍布全身，觸覺(jué)器有很多種，有的感覺(jué)冷熱，有的感覺(jué)痛癢，還有的感覺(jué)光滑或是粗糙，不同部位的皮膚對(duì)不同個(gè)東西的觸覺(jué)不一樣，這是因?yàn)椴煌惺芷鞣植嫉臄?shù)量和種類(lèi)不同。人類(lèi)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(jué)很敏感。

人類(lèi)皮膚的感知都是定性卻無(wú)法定量。而觸覺(jué)傳感器可以模仿人類(lèi)皮膚，更讓人驚嘆的是，還可以把溫度、濕度、力等感覺(jué)用定量的方式表達(dá)出來(lái)，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(lèi)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(jué)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(lèi)和目標(biāo)識(shí)別。

觸覺(jué)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(jué)技術(shù)的研究才開(kāi)始且很少。當(dāng)時(shí)對(duì)觸覺(jué)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(jué)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(jué)數(shù)據(jù)處理、主動(dòng)觸覺(jué)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(jué)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(lèi)法，有關(guān)觸覺(jué)研究的文獻(xiàn)可分為：傳感技術(shù)與傳感器設(shè)計(jì)、觸覺(jué)圖像處理、形狀辨識(shí)、 主動(dòng)觸覺(jué)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(jué)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(jué)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(guò)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(jué)系統(tǒng)的章魚(yú)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(jué)傳感器分類(lèi)

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

壓阻式機(jī)器人觸覺(jué)傳感器

壓阻式觸覺(jué)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(jué)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(jué)傳感器。該三軸觸覺(jué)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(jué)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(jué)傳感器。觸覺(jué)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(jué)傳感器與視覺(jué)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(jué)系統(tǒng)。

電容效應(yīng)式機(jī)器人觸覺(jué)傳感器

電容式觸覺(jué)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(guò)檢測(cè)電容變化量來(lái)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(jué)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(jué)傳感器

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

壓電式機(jī)器人觸覺(jué)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(jué)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(jué)傳感器

接觸覺(jué)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(lèi)型。

微動(dòng)開(kāi)關(guān)式：由彈簧和觸頭構(gòu)成。觸頭接觸外界物體后離開(kāi)基板，造成信號(hào)通路斷開(kāi)，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(jué)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(lái)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(lái)描述?？梢杂枚喾N結(jié)構(gòu)的彈性敏感元件 來(lái)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(jiàn)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(jué)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(jué)傳感器的敏感元件可由各類(lèi)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(jué)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(guò)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(guò)合理選材和加工可制成高密度分布式壓覺(jué)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(chēng)之為“人工皮膚”。

滑覺(jué)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(pán)繞成螺旋結(jié)構(gòu)，放置在環(huán)氧樹(shù)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(jué)傳感器工作過(guò)程中，通過(guò)檢測(cè)正負(fù)電極間的電壓信號(hào)并通過(guò)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(jué)傳感器按有無(wú)滑動(dòng)方向檢測(cè)功能可分為無(wú)方向性、單方向性和全方向性三類(lèi)。

無(wú)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(guò)碼盤(pán)（裝在滾筒的圓面上）的光信號(hào)，通過(guò)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(guò)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(jué)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(wú)法完成一件事，那就是恢復(fù)準(zhǔn)確的觸覺(jué)。如今，研究人員報(bào)告說(shuō)，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，這些人造的手臂和腿腳有可能獲得接近真實(shí)的觸覺(jué)。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(jué)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(lái)，多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)一直試圖為假肢佩戴者恢復(fù)觸覺(jué)。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(shuō)，通過(guò)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(jué)。

然而盡管這些成績(jī)已經(jīng)恢復(fù)了基本的觸覺(jué)，但其傳感器和信號(hào)與皮膚中的天然觸覺(jué)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(jué)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?chē)窠?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(kāi)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(lèi)皮膚的柔性人造皮膚“更近一步”。

這種人造皮膚像“一頁(yè)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(jué)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(chē)制造商比如特斯拉、寶馬等等的車(chē)間幾乎見(jiàn)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(lái)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(jué)。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(wèn)世的一款新型的鍵盤(pán)產(chǎn)品“101touch”，其特色在于鍵盤(pán)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(lái)更改鍵盤(pán)布局，來(lái)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(zhuān)為兒童設(shè)計(jì)的卡通鍵盤(pán)。

觸覺(jué)傳感器在可穿戴電子產(chǎn)品中的應(yīng)用

近年來(lái)，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(jué)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(jué)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(lèi)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(wú)規(guī)則觸覺(jué)刺激有準(zhǔn)確響應(yīng)的新型觸覺(jué)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(jué)傳感器的研究在近幾年得到了迅猛的發(fā)展。

穿戴式觸覺(jué)傳感器通常構(gòu)建在類(lèi)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(jué)傳感器與相關(guān)功能部件（如電源、無(wú)線(xiàn)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(jué)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(guò)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(lái)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(lái)的發(fā)展方向。毫無(wú)疑問(wèn)，穿戴式觸覺(jué)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(jué)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。

審核編輯：劉清