力－力矩覺傳感器

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。可以用多種結(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(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，故有人稱之為“人工皮膚”。

滑覺傳感器

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。兩電極交替盤繞成螺旋結(jié)構(gòu)，放置在環(huán)氧樹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。

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。滑動(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（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。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。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。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。

然而盡管這些成績(jī)已經(jīng)恢復(fù)了基本的觸覺，但其傳感器和信號(hào)與皮膚中的天然觸覺傳感器——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)送到周圍神經(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。著名汽車制造商比如特斯拉、寶馬等等的車間幾乎見不到一個(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。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產(chǎn)品“101touch”，其特色在于鍵盤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，甚至變成一款專為兒童設(shè)計(jì)的卡通鍵盤。

觸覺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)則觸覺刺激有準(zhǔn)確響應(yīng)的新型觸覺傳感器件至關(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，穿戴式觸覺傳感器的研究在近幾年得到了迅猛的發(fā)展。

穿戴式觸覺傳感器通常構(gòu)建在類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)用將觸覺傳感器與相關(guān)功能部件（如電源、無(wú)線收發(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。