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探秘电子皮肤——触觉传感器

2017-08-11 09:49:12 [导读] 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。
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。 电容效应式机器人触觉传感器 电容式触觉传感器原理是:在外力作用下使两极板间的相对位置发生变化,从而导致电容变化,通过检测电容变化量来获取受力信息。2008年,上海微系统与信息技术研究所传感技术国家重点实验室研制的柔性电容式触觉传感器可测量任意形状物体表面的接触力。 磁导式机器人触觉传感器 磁导式触觉传感器在外力作用下磁场发生变化,并把磁场的变化通过磁路系统转换为电信号,从而感受接触面上的压力信息。 哈尔滨工业大学机器人研究所设计的基于磁敏Z元件的触觉传感器,其中磁敏Z元件能够输出随磁场强度成比例变化的模拟电压信号,灵敏度很高,工作条件要求很低,只要提供有变化的磁场就可以工作。采用平板磁铁在空气中的磁场强度衰减作为Z元件的敏感源,通过测量弹性装置把力转换为Z元件与磁铁之间的距离,而Z元件与磁铁之间的距离与磁场强度的变化是对应的,这样,通过把磁场强度参数转换为位移参数,再转换为力的参数,从而达到测力的目的。 磁导式触觉传感器具有灵敏度高,体积小的优点,但与其它类型的机器人触觉传感器相比实用性较差。 压电式机器人触觉传感器 压电转换元件是典型的力敏元件,具有自发电荷可逆的重要特性,而且具有体积小、质量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪比高、性能稳定等优点。 2004年,重庆大学设计了利用压电敏感材料检测三向力的触觉传感器。传感头部分主要由基座、盖子、传感器内芯、调节机构等组成。传感头的内芯部分,主要由五个完全相同的压电元件、一个正方体硬质合金、一段圆柱硬质合金、一段铜柱构成。 接触觉传感器 接触觉传感器用以判断机器人是否接触到外界物体或测量被接触物体的特征的传感器,主要有以下几种类型。 微动开关式:由弹簧和触头构成。触头接触外界物体后离开基板,造成信号通路断开,从而测到与外界物体的接触。 导电橡胶式:它以导电橡胶为敏感元件。当触头接触外界物体受压后,压迫导电橡胶,使它的电阻发生改变,从而使流经导电橡胶的电流发生变化。 含碳海绵式:它在基板上装有海绵构成的弹性体,在海绵中按阵列布以含碳海绵。接触物体受压后,含碳海绵的电阻减小,测量流经含碳海绵电流的大小,可确定受压程度。 碳素纤维式:以碳素纤维为上表层,下表层为基板,中间装以氨基甲酸酯和金属电极。接触外界物体时碳素纤维受压与电极接触导电。 气动复位式:它有柔性绝缘表面,受压时变形,脱离接触时则由压缩空气作为复位的动力。与外界物体接触时其内部的弹性圆泡(铍铜箔)与下部触点接触而导电。 力-力矩觉传感器 用于测量机器人自身或与外界相互作用而产生的力或力矩的传感器。它通常装在机器人各关节处。刚体在空间的运动可以用 6个坐标来描述,例如用表示刚体质心位置的三个直角坐标和分别绕三个直角坐标轴旋转的角度坐标来描述。可以用多种结构的弹性敏感元件 来敏感机器人关节所受的 6个自由度的力或力矩,再由粘贴其上的应变片(见半导体应变计 、电阻应变计 )将力或力矩的各个分量转换为相应的电信号。常用弹性敏感元件的形式有十字交叉式、三根竖立弹性梁式和八根弹性梁的横竖混合结构等。在每根梁的内侧粘贴张力测量应变片,外侧粘贴剪切力测量应变片,从而构成 6个自由度的力和力矩分量输出。 压觉传感器 测量接触外界物体时所受压力和压力分布的传感器。它有助于机器人对接触对象的几何形状和硬度的识别。压觉传感器的敏感元件可由各类压敏材料制成,常用的有压敏导电橡胶、由碳纤维烧结而成的丝状碳素纤维片和绳状导电橡胶的排列面等。 如图是以压敏导电橡胶为基本材料的压觉传感器。在导电橡胶上面附有柔性保护层,下部装有玻璃纤维保护环和金属电极。在外压力作用下,导电橡胶电阻发生变化,使基底电极电流相应变化,从而检测出与压力成一定关系的电信号及压力分布情况。通过改变导电橡胶的渗入成分可控制电阻的大小。例如渗入石墨可加大电阻,渗碳、渗镍可减小电阻。通过合理选材和加工可制成高密度分布式压觉传感器。这种传感器可以测量细微的压力分布及其变化,故有人称之为“人工皮肤”。 滑觉传感器 用于判断和测量机器人抓握或搬运物体时物体所产生的滑移。它实际上是一种位移传感器。两电极交替盘绕成螺旋结构,放置在环氧树脂玻璃或柔软纸板基底上,力敏导电橡胶安装在电极的正上方。在滑觉传感器工作过程中,通过检测正负电极间的电压信号并通过ADC将其转换成数字信号,采用DSP芯片进行数字信号处理并输出结果,判定物体是否产生滑动。  
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滑觉传感器按有无滑动方向检测功能可分为无方向性、单方向性和全方向性三类。 无方向性传感器有探针耳机式,它由蓝宝石探针、金属缓冲器、压电罗谢尔盐 晶体和橡胶缓冲器组成。滑动时探针产生振动,由罗谢尔盐转换为相应的电信号。缓冲器的作用是减小噪声。 单方向性传感器有滚筒光电式,被抓物体的滑移使滚筒转动,导致光敏二极管接收到透过码盘(装在滚筒的圆面上)的光信号,通过滚筒的转角信号而测出物体的滑动。 全方向性传感器采用表面包有绝缘材料并构成经纬分布的导电与不导电区 金属球。当传感器接触物体并产生滑动时,球发生转动,使球面上的导电与不导电区交替接触电极,从而产生通断信号,通过对通断信号的计数和判断可测出滑移的大小和方向。  
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触觉传感器在假肢中的应用 假肢可以奇迹般地恢复一些截肢者失去的功能,但它们至今尚无法完成一件事,那就是恢复准确的触觉。如今,研究人员报告说,在不远的将来,这些人造的手臂和腿脚有可能获得接近真实的触觉。利用一种两层的柔韧薄塑料,科学家研制出一种新的电子传感器,能够模拟人体皮肤中触觉传感器的神经信息而向小鼠脑组织传送信号。 长期以来,多个研究团队一直试图为假肢佩戴者恢复触觉。例如,两年前,美国俄亥俄州克利夫兰市凯斯西储大学的研究人员报告说,通过在假手使用者的手臂外围神经中连接压力传感器从而使其获得了触觉。 然而尽管这些成绩已经恢复了基本的触觉,但其传感器和信号与皮肤中的天然触觉传感器——机械性感受器发送的信号仍存在巨大差异。 当人体中的机械性感受器感受到压力后,它们会发送一股神经脉冲;压力越大,脉冲频率越高。而之前的触觉传感器在更大的压力下会产生更强的电信号,而不是高频脉冲流。电信号必须被发送到另一个处理芯片,该处理芯片将信号的强度转换成一个数字脉冲流,然后才被发送到周围神经或脑组织中去。 受到天然机械性感受器的启发,由加利福尼亚州帕洛阿尔托市斯坦福大学化学工程师鲍哲南率领的研究人员,开始着手研制能够直接大量产生数字信号的人造皮肤。 据鲍哲南介绍,这是第一种能够感知压力并与大脑沟通的柔性人造皮肤,距真正像人类皮肤的柔性人造皮肤“更近一步”。 这种人造皮肤像“一页纸那么薄”,可以分为两层,外层是可以感知压力的传感器,由塑料材料加上碳纳米管制成;内层是由喷墨打印机印刷出的柔性电子电路,可以把压力信号改变成电信号并传递给大脑。 触觉传感器在工业制造中的应用 如今大热的工业互联网中重要的角色就是工业机器人。著名汽车制造商比如特斯拉、宝马等等的车间几乎见不到一个人,全靠工业机器人实现组装、喷漆、检测等工作。今年富士康在国内引进数千机器人取代工人更是证明了未来制造业采用工业机器人是大势所趋。力传感器赋予机器人的手腕触觉。力传感器安装在机器人和它操作的机台之间,这样两者间的所有力都能被机器人和机台感知和监控。  
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2015年问世的一款新型的键盘产品“101touch”,其特色在于键盘完全是一块可定制的触摸屏,你可以根据电脑使用需求来更改键盘布局,来适应不同的需求,如打字、游戏操作、视频播放编辑等等,甚至变成一款专为儿童设计的卡通键盘。 触觉传感器在可穿戴电子产品中的应用 近年来,便携式智能电子产品发展日新月异,出现了众多多功能的可穿戴器件。将电子产品用于手镯、眼镜和鞋子等随身穿戴品一样“穿戴”在身上已然成为一种新时尚。其中,穿戴式触觉传感器是当下科技圈最前沿的领域之一,可模仿人与外界环境直接接触时的触觉功能,主要包括对力信号、热信号和湿信号的探测,是物联网的神经末梢和辅助人类全面感知自然及自己的核心元件。 发展穿戴式、能够适应基底任意变形、同时对多种无规则触觉刺激有准确响应的新型触觉传感器件至关重要。随着石墨烯、碳纳米管、氧化锌、液态金属等新型功能材料的出现,柔性电子相关制备技术的革新,穿戴式触觉传感器的研究在近几年得到了迅猛的发展。 穿戴式触觉传感器通常构建在类似皮肤的弹性基底或者可伸缩的织物上以获得柔性和可伸缩性。随着材料科学、柔性电子和纳米技术的飞速发展,器件的灵敏度、量程、规模尺寸以及空间分辨率等基础性能提升迅速,甚至超越了人的皮肤。同时,为了适应对力、热、湿、气体、生物、化学等多刺激分辨的传感要求,器件设计更加更精巧,集成方案也更加更成熟。具有生物兼容、生物可降解、自修复、自供能及可视化等实用功能的智能传感器件也应运而生。此外,穿戴式电子产品朝着集成化方向发展,即针对具体应用将触觉传感器与相关功能部件(如电源、无线收发模块、信号处理、执行器等)有效集成,打造具有良好柔性、空间适应性和功能性的穿戴式平台。  
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目前,穿戴式触觉传感器在实际应用仍然面临很多挑战,例如传感器在反复变形过程中的性能退化,多刺激同时探测的串扰解耦,穿戴式平台内部器件之间的力、热、电性能匹配等。应对这些挑战将带来新的机遇,为相关材料制备、器件加工及系统集成指明未来的发展方向。毫无疑问,穿戴式触觉传感器将朝向更加柔性化、小型化、智能化、多功能化、人性化方向发展。触觉传感器的适用范围将大大拓宽,在人机交互系统、智能机器人、移动医疗等领域具有巨大的应用前景。
[整理编辑:鸿运国际]
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