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探秘电子皮肤——触觉传感器

传感器技术 中字

触觉是接触、滑动、压觉等机械刺激的总称。多数动物的触觉器是遍布全身的,像人类皮肤位于人的体表,并且遍布全身,触觉器有很多种,有的感觉冷热,有的感觉痛痒,还有的感觉光滑或是粗糙,不同部位的皮肤对不同个东西的触觉不一样,这是因为不同感受器分布的数量和种类不同。人类的脸部、嘴唇、手指等部位的各种感受器很多,所以这些部位的感觉很敏感。

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人类皮肤的感知都是定性却无法定量。而触觉传感器可以模仿人类皮肤,更让人惊叹的是,还可以把温度、湿度、力等感觉用定量的方式表达出来,甚至可以帮助伤残者获得失去的感知能力。比如一款新型毛状电子皮肤,能使机器人快速分辨出呼吸引起的轻微空气波动或者微弱地心跳震动。这款传感器甚至比人类皮肤更敏感,能够广泛应用于假肢、心率监视器以及机器人。

触觉传感器的主要功能

检测功能

检测功能包括对操作对象的状态、机械手与操作对象的接触状态、操作对象的物理性质进行检测。

识别功能

识别功能是在检测的基础上提取操作对象的形状、大小、刚度等特征,以进行分类和目标识别。

触觉传感器的发展历程

70 年代国外的机器人研究已成热点,但触觉技术的研究才开始且很少。当时对触觉的研究仅限于与对象的接触与否 接触力大小,虽有一些好的设想 但研制出的传感器少且简陋。

80 年代是机器人触觉传感技术研究、发展的快速增长期,此期间对传感器设计、原理和方法作了大量研究,主要有电阻、电容、压电、热电 磁、磁电、力、光、超声和电阻应变等原理和方法。从总体上看 80 年代的研究可分为传感器研制、触觉数据处理、主动触觉感知三部分,其突出特点是以传感器装置研究为中心 主要面向工业自动化。

90年代对触觉传感技术的研究继续保持增长并多方向发展。按宽的分类法,有关触觉研究的文献可分为:传感技术与传感器设计、触觉图像处理、形状辨识、 主动触觉感知、结构与集成。

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。

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。

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。

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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。

光传感式机器人触觉传感器

南京航空航天大学设计的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。

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