觸覺(jué)是接觸、滑動(dòng)、壓覺(jué)等機(jī)械刺激的總稱。多數(shù)動(dòng)物的觸覺(jué)器是遍布全身的，像人類皮膚位于人的體表，并且遍布全身，觸覺(jué)器有很多種，有的感覺(jué)冷熱，有的感覺(jué)痛癢，還有的感覺(jué)光滑或是粗糙，不同部位的皮膚對(duì)不同個(gè)東西的觸覺(jué)不一樣，這是因?yàn)椴煌惺芷鞣植嫉臄?shù)量和種類不同。人類的臉部、嘴唇、手指等部位的各種感受器很多，所以這些部位的感覺(jué)很敏感。

人類皮膚的感知都是定性卻無(wú)法定量。而觸覺(jué)傳感器可以模仿人類皮膚，更讓人驚嘆的是，還可以把溫度、濕度、力等感覺(jué)用定量的方式表達(dá)出來(lái)，甚至可以幫助傷殘者獲得失去的感知能力。比如一款新型毛狀電子皮膚，能使機(jī)器人快速分辨出呼吸引起的輕微空氣波動(dòng)或者微弱地心跳震動(dòng)。這款傳感器甚至比人類皮膚更敏感，能夠廣泛應(yīng)用于假肢、心率監(jiān)視器以及機(jī)器人。

觸覺(jué)傳感器的主要功能

檢測(cè)功能

檢測(cè)功能包括對(duì)操作對(duì)象的狀態(tài)、機(jī)械手與操作對(duì)象的接觸狀態(tài)、操作對(duì)象的物理性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。

識(shí)別功能

識(shí)別功能是在檢測(cè)的基礎(chǔ)上提取操作對(duì)象的形狀、大小、剛度等特征，以進(jìn)行分類和目標(biāo)識(shí)別。

觸覺(jué)傳感器的發(fā)展歷程

70 年代國(guó)外的機(jī)器人研究已成熱點(diǎn)，但觸覺(jué)技術(shù)的研究才開(kāi)始且很少。當(dāng)時(shí)對(duì)觸覺(jué)的研究?jī)H限于與對(duì)象的接觸與否 接觸力大小，雖有一些好的設(shè)想 但研制出的傳感器少且簡(jiǎn)陋。

80 年代是機(jī)器人觸覺(jué)傳感技術(shù)研究、發(fā)展的快速增長(zhǎng)期，此期間對(duì)傳感器設(shè)計(jì)、原理和方法作了大量研究，主要有電阻、電容、壓電、熱電 磁、磁電、力、光、超聲和電阻應(yīng)變等原理和方法。從總體上看 80 年代的研究可分為傳感器研制、觸覺(jué)數(shù)據(jù)處理、主動(dòng)觸覺(jué)感知三部分，其突出特點(diǎn)是以傳感器裝置研究為中心 主要面向工業(yè)自動(dòng)化。

90年代對(duì)觸覺(jué)傳感技術(shù)的研究繼續(xù)保持增長(zhǎng)并多方向發(fā)展。按寬的分類法，有關(guān)觸覺(jué)研究的文獻(xiàn)可分為：傳感技術(shù)與傳感器設(shè)計(jì)、觸覺(jué)圖像處理、形狀辨識(shí)、 主動(dòng)觸覺(jué)感知、結(jié)構(gòu)與集成。

2002年，美國(guó)科研人員在內(nèi)窺鏡手術(shù)的導(dǎo)管頂部安裝觸覺(jué)傳感器，可檢測(cè)疾病組織的剛度，根據(jù)組織柔軟度施加合適的力度，保證手術(shù)操作的安全。

2008年，日本Kazuto Takashima等人設(shè)計(jì)了壓電三維力觸覺(jué)傳感器，將其安裝在機(jī)器人靈巧手指端，并建立了肝臟模擬界面，外科醫(yī)生可以通過(guò)對(duì)機(jī)器人靈巧手的控制，感受肝臟病變部位的信息，進(jìn)行封閉式手術(shù)。

2009年，德國(guó)菲勞恩霍夫制造技術(shù)和應(yīng)用材料研究院的馬庫(kù)斯-梅瓦爾研制出新型觸覺(jué)系統(tǒng)的章魚(yú)水下機(jī)器人，可精確地感知障礙物狀況，可以自動(dòng)完成海底環(huán)境的勘測(cè)工作。

觸覺(jué)傳感器分類

機(jī)器人感知能力的技術(shù)研究中，觸覺(jué)類傳感器極其重要。觸覺(jué)類的傳感器研究有廣義和狹義之分。廣義的觸覺(jué)包括觸覺(jué)、壓覺(jué)、力覺(jué)、滑覺(jué)、冷熱覺(jué)等。狹義的觸覺(jué)包括機(jī)械手與對(duì)象接觸面上的力感覺(jué)。從功能的角度分類，觸覺(jué)傳感器大致可分為接觸覺(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。

壓阻式機(jī)器人觸覺(jué)傳感器

壓阻式觸覺(jué)傳感器是利用彈性體材料的電阻率隨壓力大小的變化而變化的性質(zhì)制成，并把接觸面上的壓力信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)。

1981年，研究人員在金屬電極間夾入碳纖維和碳?xì)郑瑯?gòu)成壓阻傳感器；1999年，中國(guó)科學(xué)院使用力敏電阻制作了能檢測(cè)三維接觸力信息的陣列式觸覺(jué)傳感器；2007年，臺(tái)灣國(guó)立大學(xué)利用高分子壓阻復(fù)合膜設(shè)計(jì)研制了傳感范圍和靈敏度可調(diào)整的三軸觸覺(jué)傳感器。該三軸觸覺(jué)傳感器由四個(gè)傳感懸臂梁及粘貼在各懸臂梁表面和側(cè)面的高分子壓阻復(fù)合薄膜組成。

光傳感式機(jī)器人觸覺(jué)傳感器

南京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì)的基于光波導(dǎo)原理的能檢測(cè)三向力的觸覺(jué)傳感器。觸覺(jué)傳感系統(tǒng)由力敏硅橡膠圓柱觸頭、圓錐觸頭組成，且圓柱觸頭與橡膠墊另一側(cè)的圓錐觸頭一一對(duì)應(yīng)。新型光電敏感器件PSD，不僅可以檢測(cè)三向力，也可以確定受力位置信息。并且觸覺(jué)傳感器與視覺(jué)傳感器的輸出兼容，適用于機(jī)器人實(shí)時(shí)力控制和主動(dòng)觸覺(jué)系統(tǒng)。

電容效應(yīng)式機(jī)器人觸覺(jué)傳感器

電容式觸覺(jué)傳感器原理是：在外力作用下使兩極板間的相對(duì)位置發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容變化，通過(guò)檢測(cè)電容變化量來(lái)獲取受力信息。2008年，上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的柔性電容式觸覺(jué)傳感器可測(cè)量任意形狀物體表面的接觸力。

磁導(dǎo)式機(jī)器人觸覺(jué)傳感器

磁導(dǎo)式觸覺(jué)傳感器在外力作用下磁場(chǎng)發(fā)生變化，并把磁場(chǎng)的變化通過(guò)磁路系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而感受接觸面上的壓力信息。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所設(shè)計(jì)的基于磁敏Z元件的觸覺(jué)傳感器，其中磁敏Z元件能夠輸出隨磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例變化的模擬電壓信號(hào)，靈敏度很高，工作條件要求很低，只要提供有變化的磁場(chǎng)就可以工作。采用平板磁鐵在空氣中的磁場(chǎng)強(qiáng)度衰減作為Z元件的敏感源，通過(guò)測(cè)量彈性裝置把力轉(zhuǎn)換為Z元件與磁鐵之間的距離，而Z元件與磁鐵之間的距離與磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化是對(duì)應(yīng)的，這樣，通過(guò)把磁場(chǎng)強(qiáng)度參數(shù)轉(zhuǎn)換為位移參數(shù)，再轉(zhuǎn)換為力的參數(shù)，從而達(dá)到測(cè)力的目的。

磁導(dǎo)式觸覺(jué)傳感器具有靈敏度高，體積小的優(yōu)點(diǎn)，但與其它類型的機(jī)器人觸覺(jué)傳感器相比實(shí)用性較差。

壓電式機(jī)器人觸覺(jué)傳感器

壓電轉(zhuǎn)換元件是典型的力敏元件，具有自發(fā)電荷可逆的重要特性，而且具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、固有頻率高、靈敏度和信噪比高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

2004年，重慶大學(xué)設(shè)計(jì)了利用壓電敏感材料檢測(cè)三向力的觸覺(jué)傳感器。傳感頭部分主要由基座、蓋子、傳感器內(nèi)芯、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成。傳感頭的內(nèi)芯部分，主要由五個(gè)完全相同的壓電元件、一個(gè)正方體硬質(zhì)合金、一段圓柱硬質(zhì)合金、一段銅柱構(gòu)成。

接觸覺(jué)傳感器

接觸覺(jué)傳感器用以判斷機(jī)器人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，主要有以下幾種類型。

微動(dòng)開(kāi)關(guān)式：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。

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。

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。

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。

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。