机械手触觉技术研究发展综述

王宏民 梁靖斌 李江源 潘增喜 邓辅秦,2

1. 五邑大学智能制造学部，广东江门 529000；2. 深圳市人工智能与机器人研究院，香港中文大学（深圳），广东深圳 518000

0 前言

人类手部具有17,000多个复杂且精密的感官单元，使得人类可以完成生活中复杂的任务，通过触觉更好地与世界互动，这是人类与生俱有的功能[1]。但机械手臂没有像人类这般复杂的神经回路，它对于外部世界是没有触觉、没有感知的。像人类简单的抓取番茄任务，对于机械手臂抓取而言，需要人类给它明确的指令，包含了输出力的大小、弯曲角度和运动行程等，没有触觉和神经回路调节的机械手臂永远不会知道它是否已经损坏了番茄。如何让触觉成为机械手臂与外部环境进行协调交互是众多研究学者研究的关键问题。触觉传感技术可以帮助机械手臂感受手中物体的重量、粗糙平滑程度、刚度、滑脱力度等等，其目的在于模仿人类，使其具有一个完整的、多层次的系统，但是相对于人类的触觉，机械手臂的触觉往往是多种装置或系统的集合。一般来说，触觉技术在机械手臂上多为指定区域内力的测量，在理想意义下，指定区域内包含了有限个小的质点，该区域内所受力就是有限个点的积分。从最底层的传感接触点去分类，根据传感点的数量可以分为3类：单点式传感触觉技术、高分辨率传感触觉技术和大面积传感触觉技术。其中，单点式传感触觉技术是最小的触觉传感单元，这种类型的传感器可以用于判断是否接触物体，简单检测接触点的力的大小；高分辨率传感触觉技术是指定小区域内多传感单元的集合，类似于人类手指指尖部分，是目前触觉传感技术方面应用最广泛的，例如基于MEMS 技术的电容式微型真空传感器[2]、基于光纤光栅的机械手指触滑觉传感研究[3]和基于聚二甲基硅氧烷柔性可穿戴传感器研究进展[4]等；大面积传感触觉技术是类似于人体手臂皮肤的传感器阵列，其精度和传感单元数量都少于高分辨率传感器，但是其柔性和灵活性要求更高，可以覆盖到机械臂各个部位，主要用于检测机械臂与外界的交互信息，避免伤害的产生。从目前可以实现的力的测量维度进行分类，可以将触觉技术分为一维传感触觉技术、二维传感触觉技术和三维传感触觉技术；从触觉技术使用材料进行分类，目前主要有压阻式、光传感式、电容效应式、磁导式、压电式、电流变式等；从广义的方面来说，触觉技术主要包括了接触感知、压力感知、滑感感知、刚度感知、冷热感知等通过直接接触获得的感知。触觉技术的主要任务是获取外部环境信息来辅助机械手臂完成某种特定的作业任务，这不仅仅是视觉技术的补充，更是机械手臂人工智能化发展的关键核心技术，是仿人类触觉的进步，也是机械手臂与外界交互最直接的介质。

1 国内外研究发展现状

相比于视觉、听觉等技术的发展，触觉技术起步较晚，发展缓慢。模仿人类皮肤触觉十分艰难，20世纪70年代初是机械手臂触觉开始被研究并逐步发展的年代。国外对于触觉技术的研究早于国内，最早开始研究并实现触觉技术的是美国威斯特传感器仪表有限公司，他们成功制备了触觉传感器并广泛应用在类人类的机械手臂当中。在此之后，相关研究人员提出了一种“柔性触觉”传感器的概念，目的在于使该传感器具备人类皮肤的部分功能，增强机械手臂对外部的感知能力。触觉技术开始走入全世界各实验室，刚起步时，触觉技术中常用类型多为压阻式、压电式、电容式等，但是它们在受力之后所产生的信号十分微弱，在经过信号放大处理电路之后，数据往往包含了很多干扰，对于研究形成了巨大的阻碍。

2003年，伊利诺伊州立大学佛雷德里克·塞茨研究实验室、韩国亚洲大学和欧莱雅技术孵化器等团队中KOH A等人[5]研发了一款基于金属薄膜与聚肽亚胺的触觉传感器，可以将其贴附在物体表面，提高触觉感知的性能。2005年，日本东京大学SOMEYA T等人[6]研制出了一款基于有机半导体的网状压力传感器，其内部包含了有机晶体电子电路的塑料薄膜，并成功将传感器阵列贴附在鸡蛋的表面，获得了鸡蛋表面的压力和温度数据图像。2014年，瑞士洛桑联邦理工学院GERRATT A P等人[7]设计了一款可拉伸的触觉传感器，首次应用于iClub仿人类机械手臂的肩部进行实验，采用了有机硅泡沫作为金属Cr和Au薄膜的介质，完成了障碍物的检测和受力压力检测。2016年，韩国首尔国立大学CHO C等人[8]使用复合材料导电油墨和弹性硅设计了一款新型柔性触觉力传感器，在模具中填充复合材料并留有一定的腔室，用于附着设计的薄膜电路采集信号，传感层中包含5个触觉感应元件，可以独立检测外部的压力信号。2018年，康奈尔大学有机机器人实验室（ORL）BAI H等人[9]研究了一种基于光敏应变传感器的穿戴手套，其每根手指内部都具备光波导光电检测器，在触摸过程中手指发生形变，影响光信号进入指尖感光板，可将外力传输至嵌入式传感器获得压力等信息，实现了形状和纹理以及柔软度检测。触觉技术现在逐渐地应用在医学领域，通过与虚拟现实结合完成更多的应用尝试，2021年，CHEHABEDDINE S等人[10]开发了一种使用触觉技术进行模拟牙周探查的系统——Haptodont，通过3组对比试验来研究手指触觉的可用性。

2002年，南京航天航空大学李秀娟等人[11]设计了一种敏感三向力传感器，其由光波导、PSD、CCD以及橡胶构成，嵌入信号处理电路，通过光学传导可以获得三向力信号。2008年，重庆大学黄亮等人[12]研制了一种基于压电式的四维力传感器，并通过有限元软件ANSYS对该传感器静态模态进行仿真分析，实现了对该压电传感器的弹性变形、弹性膜片进行受力分析。2009年，清华大学WANG L等人[13]研究了一种基于硅橡胶和炭黑色纳米复合物的敏感电子触感装置，在其内部分布有效导电回路，分析获得了压力大小和电阻变化的关系。2009年，合肥工业大学董万成等人[14]设计了一种3×3点阵的触觉传感器和其相应的信号处理电路，通过该电路完成信号的放大、阵列信号的选通、数模转换，通过该电路判断该阵列传感器受力的大小和位置，完成了对该传感器的验证。2008年，黄英等人[15-16]基于力敏导电橡胶设计了一种测量三维力的触觉传感器，通过力敏导电橡胶的压阻效应特性完成了传感器单元和力传感阵列的结构设计，获得了该传感器三维力的数学模型并完成了实验。触觉力传感器在设计中往往设计成为一个独立的单元，测量指定区域的力信号等，但在2013年，黄英[15-16]课题组提出了一种新型的触觉力传感器，该传感器可以实现拼接，采用了炭黑填充橡胶作为电容式传感的弹性电介质，以聚酰亚胺为柔性可拼接材料，有机硅和金属银薄膜为柔性电极，构成了单个触觉传感测量单元，可自定义测量区域大小、状态，解决了现有触觉传感器移植性差、不够灵活和不可扩展等缺点。2021年，ZHAO X F等人[17]提出了一种同时适用于压力-应变检测的蜘蛛网状柔性传感器，通过复合材料三维管状石墨烯海绵和蜘蛛网状拉伸性电极设计了一款压力应变传感器，可以同时检测施加力的大小和方向。

2 现有触觉传感技术发展

融合力、温度等传感器技术的发展，使机械手臂在触碰物体上多了外部环境的感知信息，将感知信息和机械手臂控制融合处理成为了机械手臂仿人类的重点研究内容。模仿人类触觉神经回路的功能，简单地将触觉技术应用在机械手臂上分为3部分内容：传感、感知、控制。其中，在传感和感知方面，物体识别、形状感知、姿态识别、感知融合、软性抓取等特定任务成为了目前主流的技术热点。物体识别是通过触觉技术接触、认识、判定物体表面材料的感知过程，类似于人类在不使用视觉的情况下，通过接触感知到番茄表面的刚度、形状、平滑程度、纹理等特征信息来判定接触物体信息的过程，在此种任务中，物体表面材料是至关重要的特性；形状感知是机械手臂通过接触识别与重建物体表面的过程，通过机器视觉只能识别出物体表面的材料，而触觉可以获得其表面材料的物体特性。其主要分为局部感知和全局感知，根据触觉传感器与物体实际接触面积进行判断；姿态识别是在以视觉控制为基础的情况下使用，使用机器视觉操作前端执行器接近物体表面时，可能会导致部分视觉的缺失，而姿态识别可以根据前端执行器是否与物体接触确定被触摸物体的姿态；感知融合是配备不同的传感器单元和方式，将所有的传感器单元数据进行融合计算，生成类似人类皮肤的复杂感知回路，可以提高任务的准确性和鲁棒性；软性抓取是前端执行器需要贴附精准的触觉传感器，该传感器需要具备一定柔性且容易发生形变，在此基础上可以平稳和准确获得被抓软体的力反馈数据，形成稳定的传感-感知-控制回路。关于机器触觉技术的研究已经发展了30多年，在触觉传感设计方面已经衍生了很多的新技术，我们将从5种典型的机械手臂触觉传感技术来认识和了解其发展现状及其发展趋势。

2.1 压阻式触觉传感器

压阻式触觉传感器是利用弹性材料固有的物理特性，其材料电阻率随压力大小的变化而变化，同时将材料电极通过信号处理电路将压力信号变为电信号。早在1954年，史密斯发现了硅和锗的压阻效应的物理现象，当存在外部机械压力作用于材料表面时，其电阻会发生变化。再后来为了更好的商业价值，提高压阻传感器的性能，将应变片扩散在硅的表面薄膜上，带有应变片的硅形成了金属-硅晶体，将压阻传感器的物理尺寸缩减到最小0.5 cm，同时还大大地提高了其反应灵敏度。1978年，Briot设计了一款碳粒子和橡胶复合材料的触觉传感器阵列。1981年，Larcombe将碳毡和碳纤维的复合材料作为金属电极之间的介质，设计了一款新的压阻式触觉传感器。压阻式传感器不仅仅可以完成一维力的测量，更可以完成二维或者三维力的测量，2007年，天津大学李源[18]研究了一种基于压阻式的MEMS三维微触觉探头，建立了相应纳米测量机的几何测量系统和探头的力学模型，通过检测探头位移与压阻敏感单元应力变化之间的关系得到高精度三维力信息。2008年，台湾国立大学WEN C C等人[19]研究了一种新型的三轴聚合物触觉传感器，同时在其内部嵌入压电传感器，实现了该传感器传感范围可调和灵敏度可调，其由高分子压阻薄膜复合材料和4个传感悬臂梁构成，结构如图1所示。当正向应力作用于传感器上时，悬臂梁上表面的压阻薄膜发生形变，通过连接电极检测正向应力的变化情况；当侧向应力作用于传感器上时，悬臂梁侧面的压阻薄膜也发生形变，通过侧面电极也可以获得相应的应力变化数据，灵活改变敏感材料获得不同的传感范围，可将其贴附在机械手表面。

经过数十年的发展，压阻式传感器已经具备良好的机械性能和精度。2016年，浙江大学WANG Y等人[20]基于压阻式导电橡胶开发了一款灵活的三轴力触觉传感器，该传感器由3×3触觉传感阵列、9个传感单元构成，实现在X、Y、Z轴上测量范围为5 N、5 N、20 N，X、Y轴精度分别为0.838 V/N、0.834 V/N，而Z轴在0~10 N时，精度为0.3675 V/N，在10~20 N时，精度为0.0538 V/N。实验通过将该传感器安装在手部指端，检测实时三轴接触力情况，其结构如图2所示。

2.2 电容式触觉传感器

电容式触觉传感器是利用电容的特性——压力变化会改变电容电极板间间距，或者电容电极间正对的面积，或者电容电极板间的介质介电常数，造成电容容值变化，从而体现压力的变化。该类型传感器具有受温漂影响小、灵敏度高、功耗低、对于微小应力变化的感知较灵敏等优点。LEE H K等人[21]设计了一种电容式触觉阵列传感器，使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为电极板材料，其中内嵌电极、气隙和柱形腔室。每个传感单元具有4个电容器，可以将接触力分解为两个方向的力，使腔室形状随应力的变化而变化，通过PDMS浇筑和剥离、镀铜、封装等步骤完成制备，实验得到传感器灵敏度达到最小1.2%/mN，但是该方法存在测量范围较小的缺点，结构如图3所示。另外，如果使用PDMS材料作为支撑面，导致折叠过多，受光照影响容易造成老化，会导致传感器老化测量不精准。

为了提高传感器使用时长，减慢其老化速度，2008年，中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感技术国家重点实验室论述了一种新型旋涂柔性PDMS村底垫片制备方法，由有机金属薄膜和多层无机薄膜构成的复合柔性薄膜，首次在载体硅片和PI层之间注入PDMS介质层，具有良好的可挠性，可贴附在机械手臂获得物体表面的法向力和切向力。近两年，合肥大学HUANG Y等人[16]设计了一种基于边缘效应理论的电容式柔性三轴力传感器，该传感器由4个传感电极和1个公共电极组成，在受到外界压力时会改变电容板间介质介电常数，导致电容变化，三轴力测量的范围均在0~10 N左右，X、Y、Z轴精度分别为0.0095 N-1、0.0053 N-1和0.0060 N-1，其设计结构如图4所示。

2.3 压电式触觉传感器

压电式触觉传感器是利用压电效应的一种力敏元件。当压电材料受到外部施加压力时，可触发其本身具有的机电耦合特性，受激表现出不同压力时具有不同振动频率，根据不同的振动频率检测不同的触觉反馈。通常，压电材料可以分为无机压电材料、有机压电材料和复合压电材料。有机压电材料具有优秀的机械性能，聚偏二氟乙烯（PVDF）是最典型的有机压电材料，被广泛应用在柔性触觉传感技术中。2003年，重庆大学杜久华等人[22]提出了一种基于有机材料PVDF的压电式三轴力触觉传感器，其主要结构包括1个四角锥体、1个基座和4片压电石英晶体，当传感头受到外部三轴力的作用时，通过力学模型分析确定外部力与四角锥体形变导致4片压电石英晶体表面受单向力的转换关系，通过检测石英晶体谐振频率的改变计算三轴力的大小和方向。单触点式的触感传感器在实际应用中的局限相对较大，而阵列式触觉传感器具有更广泛的应用场景。2013年，SEMINARA L等人[23]提出了一种基于复合PVDF材料的大面积阵列式触觉传感器制备方法，复合PVDF材料具有高机电耦合传导特性，频带宽等特点，单个传感单元采用三角图形设计，通过喷涂的方法在复合PVDF层上设计FPCB电路，实现对力敏信号的检测，大面积触觉传感器是由6个传感单元组成，可大面积贴附在机械手臂表面，其结构如图5所示。复合材料的机电性能更加良好，2015年，KHAN S等人[24]提出了一种采用全屏幕打印技术设计的4×4压电阵列式触觉传感器，该传感器采用聚氯乙烯氟化物-三氟乙烯P（VDF-TrFE）与多壁碳纳米管（MWCNTs）作为复合材料，通过打印技术将电极和传感材料打印在聚乙烯四聚氰酸酯（PET）上，研究了不同频率下的压电效应，其设计结构如图6所示。

2.4 电磁式触觉传感器

电磁式触觉传感器是一种通过外部施加压力引起电磁场的变化，同时经过数模转换将电磁场变化转化为电信号的装置，其主要通过磁敏元器件作为介质测量磁性量的变化，常见的磁敏元件主要有磁敏二极管、磁敏电位器等。2019年，南京航空航天大学钱煌等人[25]构建了一种微型的三维电磁作用力测量系统，并使用有限元分析仿真方法验证实验，研究磁性单元受力和线圈之间的关系，促进电磁式力触觉的再现。2020年，河北工业大学王亮等人[26]基于一种新型磁致伸缩材料Galfenol的逆磁致伸缩效应，提出了一种新型的电磁式2×2阵列触觉传感器，其设计结构如图7所示。该传感器可以实现对压力的检测，对物体刚度的检测。

通过电磁学、力学建立数学模型，分析传感阵列输出电压和压力的数学关系，并将其安装在机械手上进行试验，实验数据表明，该传感器阵列灵敏度为115 mV/N，检测范围在0～3 N，具有较高的响应速度和灵敏度，能使机械手稳定地完成抓取任务。电磁式传感器也可与其他介质结合使用，实现更高精度的力测量。2018年，REN Z等人[27]通过识别电磁噪声作为实现触觉触发源，建立了一个半透明、可拉伸的阵列式传感器，其结构如图8所示，人体接触放大发光二极管的电磁波诱导静电信号，通过检测光的强弱来判断接触力的大小，接触力可小于0.001 N，此种传感器可用于机械手臂等场景中。

2.5 光学式触觉传感器

光学式触觉传感器是通过光敏元器件检测因施加外部力而改变的放射光的角度、波长等信息完成对力信息的检测。光敏元器件通常有光电场效应管、光可控硅、光波导传感器、光敏二极管和光纤光栅式传感器等，都是基于光电效应的光电信号变换器。2002年，南京航天航空大学李秀娟等人[11]提出了基于光波导式的三轴力触觉传感器，通过橡胶作为中层介质，光波导和光电PSD作为传感器件，再通过圆柱触头、CCD配合完成受力信息的检测，其设计结构如图9所示。

当橡胶层受力时，触头接触光波导表面发生变形，因橡胶层折射率大于光波导折射率，导致受力处会发生散射，同时在波导板上生成光斑，通过PSD和CCD检测阴影面积，经过信号处理电路完成数模转换，输出三轴力信息。光学波导式的材料选择繁多，具备不同的特性，有学者完成了类人类指端的实验，2006年，名古屋大学OHKA M等人[28]提出了一种由半圆球圆顶丙烯酸、橡胶和CCD组成光学式三轴力触觉传感器，由1个柱状和8个锥形塞组配而成，通过锥形塞与圆顶接触面积检测施加在指尖的三轴力。尽管光学反应时间短、速度快，但是其本质还是受到信号处理电路的约束，2020年，ZHANG L等人[29]提出了一种基于新型的光学复合材料的光学式触感传感器，通过嵌入聚二甲基硅氧烷PDMS材料在玻璃微米或者纳米纤维薄膜上，将传统模式下光敏传感器件受力波导传输的模式改成辐射模式，其结构设计如图10所示，并将5个该传感器组配成1个光学数据手套和1种2×2阵列式触觉传感器。实验证明，该传感器具备超高灵敏度，达到了1,870 kPa-1，同时还具有宽测量范围，最低可以达到7 mPa和10 μs的回应时间。

3 触觉技术发展趋势与局限

从目前总体发展来看，触觉传感技术研究主要包含了传感器设计与制备、传感器半导体材料研究、传感器主被动感知和传感器多技术融合等方面，触觉技术已经成为了一门独立而庞大的学科。20世纪80年代开始，在国家“863计划”的支持之下，触觉传感器有了巨大的进步，涌现出了合肥工业大学、合肥大学、东南大学、北京理工大学、哈尔滨工程大学等各具特色的研究所和院校。在目前的发展中，需要让更多先进的触觉传感技术走出实验室，走入实际应用之中，让触觉传感技术在实践中得到验证和提升。相比较于目前视觉、听觉等技术发展现状，触觉传感技术在投入应用中落后较多。现在，视觉、听觉技术能得到普遍的应用，主要是制造工艺简化、成本低、开发简单，极大地缩短了研究人员二次开发的时间，而这也是触觉技术发展的趋势，同时也是当前触觉技术的局限之一。触觉技术的发展还需要取得重大的突破才能打破壁垒，其中传感器尺寸也是一个亟待突破的点，体积大往往限制了应用场景，把体积做小，重量做轻，可以更加简便地使用在各场景之中，其实这也是传感器发展的另外一个趋势，也就是MEMS技术。

触觉技术在医疗领域上受到极大的重视。目前，医疗领域上使用触觉技术的有医疗康复辅助、医疗手术操作和远程手术操作感知等，这些用于人体手术的操作手会面对一个巨大的问题——人体内部器官和组织非常多且杂乱，器官和组织的表面还依附着巨量毛细血管，如果操作手对于自己所处的环境没有触觉，仅靠视觉来操作，很容易造成病灶处周围器官和组织的损伤，从而引发严重的医疗事故。为了解决这个问题，2019年，南京航空航天大学吕根波[30]设计了一款用于心脏微创手术的触觉传感器。该传感器是由圆锥形内凹面构成，同时在凹面上均匀布置压阻材料，通过分析建立心脏肌肉组织与传感器的接触力数学模型，实现在猪心心室组织中完成对该传感器的验证。微创手术是医疗发展中通过小创伤口，医生操作机械手进行手术的技术，通过与触觉技术的结合，其发展具有很好的前景。同时，医疗还需要触觉再现技术辅助医生进行手术。2019年，电子科技大学张宇慧[31]基于Geomagic Touch触觉设备完成了医疗手术中力触觉的再现，通过OpenGL绘制器官组织表面模型，再通过3Ds绘制人体手部模型，如图11所示，通过触觉传感器再现碰撞和力反馈，实现了人手触诊软组织模型的触觉再现和视觉反馈。但是，医疗技术和触觉技术融合发展存在的局限之一是无论传感器形状或材料如何变化，其本质还是需要依附在施力装置表面，传感器精度和准确性受到施力装置的限制，且传感器没有作为传感单元和施力装置一体的器件。

触觉技术会随着技术的发展产生越来越多的分支，但是目前而言，也有明显的不足之处，触觉和其他仿人类感知技术的互补性不足，触觉传感器的设计往往是研究者和制造者的主观意识，较少走入市场中，与视觉、听觉的商业化相比明显落后，不利于触觉传感器广泛普及，更不足的是设计原理与材料方面，人体触觉的机理没有像视觉、听觉具有如此明显的器官特征，人类触觉主要依赖于皮肤与神经，其面积之巨大、神经之复杂，无疑给仿人类触觉的发展造成了巨大的阻碍。

4 结束语

从20世纪70年代开始，经过数十年的发展，所有研究者都有一个共同目标，就是设计一款可以真正模仿人类皮肤的触觉传感器。从一开始局限在接触与否、接触力大小，发展到如今多种类的传感器材料，可以实现多维力测量、刚度检测、平滑程度检测、温度检测、滑觉检测、形状空间检测等。但是，目前只是从单一或几个方面实现人类皮肤的功能，若要真正实现与人类皮肤相同的功能，需要各类传感器的配合和集成，而体积尺寸是一个很大的局限。尽管触觉技术发展困难重重，伴随而来的是发展机遇与挑战共存。展望未来的发展，应该注重多信息融合和多技术互补、融合纳米材料等复合材料，深度挖掘和改造现有技术。通过对现有触觉技术的概述，为机械手臂融合触觉、视觉等技术实现无伤害抓取的课题开拓了思路，提供了丰富的研究材料和坚实的基础。随着科学技术的飞速发展，人类已经从嫦娥飞月的神话到如今空间站的建立，相信在不久的将来，可以实现真正的仿人类触觉。