柔性触觉传感器在机器人上的应用综述*

何慧娟，王 雷，许德章

(1.安徽工程大学 机械与汽车工程学院，安徽 芜湖241000;2.芜湖安普机器人产业技术研究院有限公司，安徽 芜湖241000)

0 引 言

智能机器人技术已成为当今应用广泛、发展最引人注目的高新技术之一。触觉是机器人感知外部信息的重要手段，而柔性触觉传感器技术对于未来智能机器人的发展至关重要。所谓“柔性”是指触觉传感器的物理特性具有类似于人类皮肤一样的特性，可以覆盖在任意的载体表面测量受力信息，从而感知目标对象的性质特征［1］。“机器人柔性敏感皮肤”已成为智能机器人触觉传感器技术领域一个研究热点［2］。

20 世纪80 年代开始，世界各国开始投入较大的人力财力物力对机器人触觉传感器进行较为系统的研究。最早研制触觉敏感皮肤的是美国MSI 公司，该敏感皮肤应用在工业机器人手臂上［3］。印度的研究者根据压电陶瓷材料的压电效应制作了一种压电式触觉传感器［4］。2003 年，美国伊利诺斯州大学的Engel J 等人研究了用聚酞亚胺和金属薄膜应变计的柔性触觉传感器皮肤［5］。2005 年，美国航空航天局研制出一种机器人非接触式的敏感皮肤［6］。2002 年，南京航空航天大学自动化学院研究人员采用光波导原理设计出能检测三维力的触觉传感器［7］。重庆大学光电技术与系统实验室也研制了一种压电式四维力触觉传感器［8］。除此之外，中科院合肥智能机械研究所、中国科学技术大学、合肥工业大学等都对触觉传感器进行了深入研究。使用“Tactile and Sensor”在数据库搜索论文数历年递增，可以看出触觉传感器在学术界不断增长的研究趋势［9］。综观国内外的研究成果，触觉传感器在机器人应用中的研究经过几十年的发展已经取得了较大进步。

1 柔性触觉传感器设计主要关键问题

智能机器人触觉感知技术发展的总体目标是利用新材料、新工艺实现微型化、集成化，利用新原理、新方法实现更多种类的信息获取，并辅以先进的信息处理技术提高传感器的各项技术指标，以适应更广泛的应用需求［10］。

1.1 敏感材料的选择

功能敏感材料是传感器之本，近30 多年来，科研人员不断研究各种新的敏感材料和新的敏感机理来模仿触觉，新材料的研究涉及的种类繁多，如基于压阻式、压电式、电容式、磁敏式、光电式和超声式等各种敏感材料，如表1。敏感材料的早期研究主要集中在对聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)聚合物的压电柔性材料上，目前主要集中在基于柔软、韧性好的压敏导电橡胶和薄膜电容器上。2006 年，Lee H K 等人利用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)制作了一种电容式触觉传感器［11］;2008 年，加拿大的Cannata C 研制了一种基于电容式柔性触觉阵列传感器［12］。国内重庆大学的秦岚等人利用导电橡胶做成大面积的电阻式阵列传感器［13］;合肥工业大学的黄英等人利用导电橡胶做成了三维触觉传感器［14］;昆明理工大学的付朝阳等人对力敏导电橡胶进行了理论研究［15］。尽管如此，由于受导电机理、“敏感材料”制备工艺等因素的制约，导电橡胶触觉传感器的研究基本处于理论研究和实验阶段，目前对于导电橡胶的力敏特性的研究尚未有成熟的压阻数学模型。表1 为不同敏感机理的特性比较。

表1 各敏感机理优缺点比较与典型设计实例Tab 1 Advantages and disadvantages of each sensitive and typical design examples

1.2 传感器结构设计与解耦算法研究

传感器性能与敏感单元的结构设计有着直接的联系，在整个传感器系统的设计中，传感器的结构设计尤为重要。日本东京大学的Shimojo M 等人基于力敏导电橡胶设计了一种整体性结构的新型柔性触觉传感器，该结构只能检测单维压力［26］;中科院智能机械研究所的沈春山提出一种网状结构三维阵列触觉传感器设计思想［27］;中国科学技术大学的徐菲基于柔性力敏导电橡胶设计了一种具有整体多层网状结构的三维阵列触觉传感器，使得研究的触觉传感器能够在具有“类皮肤”柔性的同时实现三维力检测功能［1］;中国科学技术大学的丁俊香研究了一种上下层节点对称分布的三维触觉阵列传感器的结构与解耦算法，使用注射成型方式将导电橡胶注入到节点框架结构中［28］。以上各传感器结构设计的建模和理论分析过程大多基于敏感材料的理想特性，与实际应用有较大差距，传感器结构设计仍存在许多待解决的关键问题。

具有整体性结构的触觉传感器，无法明确地分隔成彼此独立的阵列单元，由于橡胶材料的高弹性，任何一点的受力均会影响到其它所有节点，因此，受力点之间存在复杂的耦合现象。有效的解耦算法能实时准确地求解实际复杂的阵列传感器的压阻数学模型，解耦算法亦为触觉传感器研究的重要内容。国内外研究人员采用多种方法实现传感器解耦和多维力信息获取，Baglio S 依据模糊逻辑理论实现传感器特征信息的检测［29］;Peter I 利用人工神经网络对分布式触觉传感器进行标定和误差修正，实现了硬件电路的解耦［30］;丁俊香基于同伦理论的解耦算法将传统的传感器静态解耦转换成动态解耦过程，适用于大规模阵列触觉传感器的信息解耦［31］。虽然目前关于解耦算法的研究有很多，但都无法精确解决三维柔性触觉阵列传感器的解耦，选择适用于柔性材料特性的触觉阵列传感器的解耦算法，根据解耦算法结果对结构进行优化仍是需要解决的关键问题。

1.3 信号获取电路设计与传感器标定

三维柔性触觉传感器采集系统能够直接获得由于力的加载而使柔性触觉传感器产生弹性形变进而使得柔性触觉传感器的阻值变化而产生的电压信号，并能对获取的信息进行实时显示。敏感阵列触觉传感器信号获取电路的一般结构框图如图1 所示，该采集系统以计算机为硬件平台，将A/D 转换后的数字信号由数据采集电路送入计算机后处理。若以导电橡胶作为敏感材料，采用阵列式结构，即将触觉传感器的压力—电阻信号送入到计算机中去。

图1 触觉传感器信号获取电路框图Fig 1 Signal acquisition circuit of tactile sensor

柔性触觉传感器无论采用何种材料制作，理论分析基于的理想特性与实际特性都有一定的差距，因此，需要对柔性触觉传感器进行实际的标定，通过标定实验发现理论与实际的误差并分析原因，对传感器结构和模型进一步修正完善。目前，国内外的标定方法一般采用砝码加载式，中科院合肥智能所机器人传感器实验室设计了一种砝码加载式的六维力传感器标定系统［32］;合肥工业大学的黄英利用STM32F103VET6 微处理器设计了一种柔性触觉阵列传感器的专用智能标定平台［33］。为了更加准确、方便、快速地对柔性三维力触觉传感器进行标定，目前的标定平台需进一步改进，需进一步完善标定方法，使其具备高度的智能化和自动化，提高传感器的测力精度。

1.4 虚拟触觉传感器研究

虚拟触觉技术为机器人触觉感知提供了新的研究平台。利用虚拟现实系统平台，根据具体任务性质、研究动态拟实操作过程的“物理模型”，了解对刚体和变形体操作时的动态特性，可降低研发成本、缩短时间、提高效率［34］。Harsha A M 研究了一种适用于微创手术的虚拟触觉模型［35］;赵春霞等人也对虚拟触觉传感器模型及其实现方法进行了研究，用该模型可以较好地揭示拾取操作中与材料特性相关的接触力瞬态特性［36］。目前，虚拟传感器建模仍存在许多问题需要研究者们不断深入地加以解决。

2 触觉传感器在其他方面的应用

触觉传感器除在机器人上的应用之外，在体育训练、康复医疗和人体生物力学等诸多领域均有广泛应用，在制造业、军事、航空航天和娱乐等各种新的领域的应用也开始大量涌现。

3 结束语

随着科技的发展和各国研究人员的不断努力，触觉传感技术在机器人上的应用虽然有了一定发展，但由于材料科学、制造加工技术、工艺等限制，相对于其他传感器而言还有一定差距，触觉传感器的发展现状距能满足当前机器人实际应用需求尚有较大的距离。柔性触觉等传感器在机器人上的应用技术在未来的发展潜力是显而易见的，许多成功的公司，如美国洛杉矶Pressure Profile Systems 公司、美国波士顿Tekscan 公司都证明了此项技术产品市场存在的价值，成功的商业产品亦为此技术的进一步研究提供了动力和资金支持，触觉已不再局限于实验室研究，市场产品需求正日益增长。

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