機器人觸覺傳感器行業(yè)

傳感器作為一種檢測裝置，通過接收被測量的信息?按一定規(guī)律變換成電信號或其他方

式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器的特點

包括：微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化；它是實現(xiàn)自動檢測和自動控

制的首要環(huán)節(jié)。因為傳感器的存在，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等器官。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

的發(fā)展，傳感器在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中所扮演的角色越來越重要，目前傳感器產(chǎn)品需求大幅增加,

并且重心逐漸轉(zhuǎn)向技術(shù)含量較高的MEMS傳感器領(lǐng)域，MEMS傳感器的精確度決定了所

收集信息的品質(zhì)。物聯(lián)網(wǎng)2017市場規(guī)模為1.16萬億,同比增長26%;預計物聯(lián)網(wǎng)的高

增長將帶來傳感器市場的行業(yè)景氣，2017年傳感器銷售額125.71億元，同比增長16%;

預計2018年傳感器銷售額將達到133.06億元。

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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(tài)、機械手與操作對象的接觸狀態(tài)、操作對象的物理性質(zhì)

進行檢測。

識別功能

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

協(xié)捌。

觸覺傳感器的發(fā)展歷程

70年代國外的機器人研究已成熱點，但觸覺技術(shù)的研究才開始且很少。當時對觸覺的

研究僅限于與對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

陋。

80年代是機器人觸覺傳感技術(shù)研究、發(fā)展的快速增長期，此期間對傳感器設(shè)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制、觸覺數(shù)據(jù)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面向工業(yè)自動化。

90年代對觸覺傳感技術(shù)的研究繼續(xù)保持增長并多方向發(fā)展。按寬的分類法，有關(guān)觸覺

研究的文獻可分為：傳感技術(shù)與傳感器設(shè)計、觸覺圖像處理、形狀辨識、主動觸覺感知、

結(jié)構(gòu)與集成。

2002年，美國科研人員在內(nèi)窺鏡手術(shù)的導管頂部安裝觸覺傳感器，可檢測疾病組織的

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KazutoTakashima等人設(shè)計了壓電三維力觸覺傳感器，將其安裝在機

器人靈巧手指端，并建立了肝臟模擬界面，外科醫(yī)生可以通過對機器人靈巧手的控制，感受

肝臟病變部位的信息，進行封閉式手術(shù)。

2009年德國菲勞恩霍夫制造技術(shù)和應用材料研究院的馬庫斯-梅瓦爾研制出新型觸覺

系統(tǒng)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(huán)境的勘測工作“

觸覺傳感器分類

機器人感知能力的技術(shù)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

對象接觸面上的力感覺。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(zhì)制成，并

把接觸面上的壓力信號變?yōu)殡娦盘枴?/p>

可調(diào)薄膜

AA'部分

傳感梁

上表面.

壓電薄膜

BB'部分

則面壓電薄膜

1981年，研究人員在金屬電極間夾入碳纖維和碳氈，構(gòu)成壓阻傳感器；1999年，中

國科學院使用力敏電阻制作了能檢測三維接觸力信息的陣列式觸覺傳感器；2007年，臺灣

國立大學利用高分子壓阻復合膜設(shè)計研制了傳感范圍和靈敏度可調(diào)整的三軸觸覺傳感器。該

三軸觸覺傳感器由四個傳感懸臂梁及粘貼在各懸臂梁表面和側(cè)面的高分子壓阻復合薄膜組

成。

光傳感式機器人觸覺傳感器

南京航空航天大學設(shè)計的基于光波導原理的能檢測三向力的觸覺傳感器。觸覺傳感系統(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)的圓錐觸頭一對應。

新型光電敏感器件PSD,不僅可以檢測三向力，也可以確定受力位置信息。并且觸覺傳感

器與視覺傳感器的輸出兼容，適用于機器人實時力控制和主動觸覺系統(tǒng)。

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(fā)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，上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所傳

感技術(shù)國家重點實驗室研制的柔性電容式觸覺傳感器可測量任意形狀物體表面的接觸力。

保護層

驅(qū)動電極

第二介電信

第?介電層

敏感電極

襯底

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(fā)生變化，并把磁場的變化通過磁路系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電

信號，從而感受接觸面上的壓力信息。

哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所設(shè)計的基于磁敏Z元件的觸覺傳感器，其中磁敏Z元件

能夠輸出隨磁場強度成比例變化的模擬電壓信號，靈敏度很高，工作條件要求很低，只要提

供有變化的磁場就可以工作。采用平板磁鐵在空氣中的磁場強度衰減作為Z元件的敏感源,

通過測量彈性裝置把力轉(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

場強度的變化是對應的，這樣，通過把磁場強度參數(shù)轉(zhuǎn)換為位移參數(shù)，再轉(zhuǎn)換為力的參數(shù),

從而達到測力的目的。

磁導式觸覺傳感器具有靈敏度高，體積小的優(yōu)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(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。

2004年，重慶大學設(shè)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(nèi)芯、調(diào)節(jié)機構(gòu)等組成。傳感頭的內(nèi)芯部分，主要由五個完全相同

的壓電元件、一個正方體硬質(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(guān)式：由彈簧和觸頭構(gòu)成。觸頭接觸外界物體后離開基板，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后，壓迫導電橡膠，

使它的電阻發(fā)生改變，從而使流經(jīng)導電橡膠的電流發(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。

接觸外界物體時碳素纖維受壓與電極接觸導電。

氣動復位式：它有柔性絕緣表面，受壓時變形，脫離接觸時則由壓縮空氣作為復位的動

力。與外界物體接觸時其內(nèi)部的彈性圓泡（鍍銅箔）與下部觸點接觸而導電.

力?力矩覺傳感器

用于測量機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。它通常裝在機器人

各關(guān)節(jié)處。剛體在空間的運動可以用6個坐標來描述，例如用表示剛體質(zhì)心位置的三個直

角坐標和分別繞三個直角坐標軸旋轉(zhuǎn)的角度坐標來描述?？梢杂枚喾N結(jié)構(gòu)的彈性敏感元件

來敏感機器人關(guān)節(jié)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)等。在每根梁的內(nèi)側(cè)粘貼張

力測量應變片，外側(cè)粘貼剪切力測量應變片，從而構(gòu)成6個自由度的力和力矩分量輸出。

壓覺傳感器

測量接觸外界物體時所受壓力和壓力分布的傳感器c它有助于機器人又推觸對象的幾何

形狀和硬度的識別。壓覺傳感器的敏感元件可由各類壓敏材料制成，常用的有壓敏導電橡膠、

由碳纖維燒結(jié)而成的絲狀碳素纖維片和繩狀導電橡膠的排列面等。

如圖是以壓敏導電橡膠為基本材料的壓覺傳感器。在導電橡膠上面附有柔性保護層，下

部裝有玻璃纖維保護環(huán)和金屬電極。在外壓力作用下，導電橡膠電阻發(fā)生變化，使基底電極

電流相應變化，從而檢測出與壓力成一定關(guān)系的電信號及壓力分布情況。通過改變導電橡膠

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、滲鎮(zhèn)可減小電阻。通過合

理選材和加工可制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"人工皮膚二

排電楝被電阻壓點電極

圖3充巒及分布式任父傳感壽原理

滑覺傳感器

用于判斷和測量機器人抓握或搬運物體時物體所產(chǎn)生的滑移。它實際上是一種位移傳感

器。兩電極交替盤繞成螺根結(jié)構(gòu)，放置在環(huán)氧樹脂玻璃瓦柔軟紙板基底上，力敏導電橡膠安

裝在電極的正上方。在滑覺傳感器工作過程中，通過檢測正負電極間的電壓信號并通過ADC

將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，采用DSP芯片進行數(shù)字信號處理并輸出結(jié)果，判定物體是否產(chǎn)生滑

動。

Sensoroutput

Signal

f_TLTL

Processing

Electrodes

目前觸覺傳感器主要應用:

觸覺傳感器在假肢中的應用

假肢可以奇跡般地恢復一些截肢者失去的功能，但它們至今尚無法完成T牛事，那就是

恢復準確的觸覺。如今，研究人員報告說，在不遠的將來，這些人造的手臂和腿腳有可能獲

得接近真實的觸覺。利用一種兩層的柔韌薄塑料，科學冢研制出一種新的電子傳感器，能夠

模擬人體皮膚中觸覺傳感器的神經(jīng)信息而向小鼠腦組織傳送信號。

當人體中的機械性感受器感受到壓力后，它們會發(fā)送一股神經(jīng)脈沖；壓力越大，脈沖頻

率越高。而之前的觸覺傳感器在更大的壓力下會產(chǎn)生更強的電信號，而不是高頻脈沖流。電

信號必須被發(fā)送到另一個處理芯片，該處理芯片將信號的強度轉(zhuǎn)換成一個數(shù)字脈沖流，然后

才被發(fā)送到周圍神經(jīng)或腦組織中去。

觸覺傳感器在工業(yè)制造中的應用

如今大熱的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中重要的角色就是工業(yè)機器人。著名汽車制造商比如特斯拉、寶

馬等等的車間幾乎見不到一個人，全靠工業(yè)機器人實現(xiàn)組裝、噴漆、檢測等工作。今年富士

康在國內(nèi)引進數(shù)千機器人取代工人更是證明了未來制造業(yè)采用工業(yè)機器人是大勢所趨。力傳

感器賦予機器人的手腕觸覺。力傳感器安裝在機器人和它操作的機臺之間，這樣兩者間的所

有力都能被機器人和機臺:株口和監(jiān)控。

觸覺傳感器在可穿戴電子產(chǎn)品中的應用

近年來，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尚。其