觸覺(jué)傳感器介紹

用于機(jī)器人中模仿觸覺(jué)功能的傳感器。觸覺(jué)是人與外界環(huán)境直接接觸時(shí)的重要感覺(jué)功能，研制滿足要求的觸覺(jué)傳感器是機(jī)器人發(fā)展中的技術(shù)關(guān)鍵之一。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和各種有機(jī)材料的出現(xiàn)，已經(jīng)提出了多種多樣的觸覺(jué)傳感器的研制方案，但目前大都屬于實(shí)驗(yàn)室階段，達(dá)到產(chǎn)品化的不多。觸覺(jué)傳感器按功能大致可分為接觸覺(jué)傳感器、力－力矩覺(jué)傳感器、壓覺(jué)傳感器和滑覺(jué)傳感器等。

接觸覺(jué)傳感器用以判斷機(jī)器人(主要指四肢)是否接觸到外界物體或測(cè)量被接觸物體的特征的傳感器。接觸覺(jué)傳感器有微動(dòng)開(kāi)關(guān)、導(dǎo)電橡膠、含碳海綿、碳素纖維、氣動(dòng)復(fù)位式裝置等類(lèi)型。

①微動(dòng)開(kāi)關(guān)：由彈簧和觸頭構(gòu)成。觸頭接觸外界物體后離開(kāi)基板，造成信號(hào)通路斷開(kāi)，從而測(cè)到與外界物體的接觸。這種常閉式（未接觸時(shí)一直接通）微動(dòng)開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是使用方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是易產(chǎn)生機(jī)械振蕩和觸頭易氧化。

②導(dǎo)電橡膠式：它以導(dǎo)電橡膠為敏感元件。當(dāng)觸頭接觸外界物體受壓后，壓迫導(dǎo)電橡膠，使它的電阻發(fā)生改變，從而使流經(jīng)導(dǎo)電橡膠的電流發(fā)生變化。這種傳感器的缺點(diǎn)是由于導(dǎo)電橡膠的材料配方存在差異，出現(xiàn)的漂移和滯后特性也不一致，優(yōu)點(diǎn)是具有柔性。

③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(cè)量流經(jīng)含碳海綿電流的大小，可確定受壓程度。這種傳感器也可用作壓力覺(jué)傳感器。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、彈性好、使用方便。缺點(diǎn)是碳素分布均勻性直接影響測(cè)量結(jié)果和受壓后恢復(fù)能力較差。

④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(shí)碳素纖維受壓與電極接觸導(dǎo)電。優(yōu)點(diǎn)是柔性好，可裝于機(jī)械手臂曲面處，但滯后較大。

⑤氣動(dòng)復(fù)位式：它有柔性絕緣表面，受壓時(shí)變形，脫離接觸時(shí)則由壓縮空氣作為復(fù)位的動(dòng)力。與外界物體接觸時(shí)其內(nèi)部的彈性圓泡(鈹銅箔)與下部觸點(diǎn)接觸而導(dǎo)電。優(yōu)點(diǎn)是柔性好、可靠性高，但需要壓縮空氣源。

滑覺(jué)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。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(lèi)。

①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?；瑒?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。

②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(pán)（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)。

③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)的金屬球（圖4）。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。這種傳感器的制作工藝要求較高。

該提案的目的是要開(kāi)發(fā)一種適應(yīng)人體的新型柔性觸覺(jué)傳感器（flexible tactile sensor）。傳統(tǒng)的人體傳感器存在著透氣性不良，舒適性不佳和生物兼容性差等缺點(diǎn)。我們將從傳感器的材料入手，通過(guò)采用新工藝、新方法，制造出符合人體生理特點(diǎn)的高靈敏度傳感器。聚偏二氟乙烯及相關(guān)的聚合物具有良好的壓電、鐵電及熱電性能，同時(shí)，它們也具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和纖維可紡性。由該材料制成的納米纖維薄膜在觸覺(jué)傳感器方面具有很大的潛在優(yōu)勢(shì)。在此，我們提案以聚偏二氟乙烯及其共聚物為基本原料利用靜電紡絲技術(shù)開(kāi)發(fā)柔軟性傳感器，以滿足人們?cè)诮】当O(jiān)測(cè)，疾病治療以及曲面應(yīng)力檢測(cè)方面的需要。同時(shí)我們希望通過(guò)柔性傳感器的材料和器件開(kāi)發(fā)能進(jìn)一步認(rèn)識(shí)聚合物的結(jié)晶過(guò)程，以及材料納米結(jié)構(gòu)與傳感器性能之間的關(guān)系。

本提案旨在開(kāi)發(fā)一種應(yīng)用于人體或者曲面體方面的新型柔性觸覺(jué)傳感器，研發(fā)與其相關(guān)的功能高分子材料、程序方法和實(shí)驗(yàn)手段，同時(shí)兼顧低成本路線，對(duì)制備過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。靜電紡絲技術(shù)作為一種制備納米纖維薄膜的便捷有效的方法，用于加工傳感器材料具有很大的優(yōu)勢(shì)。聚偏氟乙烯及其相關(guān)的共聚物具有良好的壓電、鐵電、熱電性能。另外，此類(lèi)聚合物具有良好的電紡性能和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。本提案利用靜電紡絲技術(shù)，電紡聚偏氟乙烯及其共聚物形成納米纖維膜，開(kāi)發(fā)出具有質(zhì)輕柔軟、透氣良好、適應(yīng)復(fù)雜生物環(huán)境及靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)的柔性觸覺(jué)傳感器，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的傳感器在人體觸覺(jué)感應(yīng)方面不透氣、生物兼容性差等不足，滿足在人體健康監(jiān)測(cè)和疾病治療等不同彎曲程度表面上的應(yīng)用要求。同時(shí)研究了聚合物不同結(jié)晶類(lèi)型之間相互轉(zhuǎn)變的條件和關(guān)系，探索了高分子納米纖維結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。