触觉传感器应用

接触觉传感器用以判断机器人(主要指四肢)是否接触到外界物体或测量被接触物体的特征的传感器。接触觉传感器有微动开关、导电橡胶、含碳海绵、碳素纤维、气动复位式装置等类型。

①微动开关：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。这种常闭式（未接触时一直接通）微动开关的优点是使用方便、结构简单，缺点是易产生机械振荡和触头易氧化。

②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。这种传感器的缺点是由于导电橡胶的材料配方存在差异，出现的漂移和滞后特性也不一致，优点是具有柔性。

③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。这种传感器也可用作压力觉传感器。优点是结构简单、弹性好、使用方便。缺点是碳素分布均匀性直接影响测量结果和受压后恢复能力较差。

④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。优点是柔性好，可装于机械手臂曲面处，但滞后较大。

⑤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。优点是柔性好、可靠性高，但需要压缩空气源。

用于机器人中模仿触觉功能的传感器。触觉是人与外界环境直接接触时的重要感觉功能，研制满足要求的触觉传感器是机器人发展中的技术关键之一。随着微电子技术的发展和各种有机材料的出现，已经提出了多种多样的触觉传感器的研制方案，但目前大都属于实验室阶段，达到产品化的不多。触觉传感器按功能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。

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。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。

①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。

②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。

③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的金属球（图4）。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。这种传感器的制作工艺要求较高。

该提案的目的是要开发一种适应人体的新型柔性触觉传感器（flexible tactile sensor）。传统的人体传感器存在着透气性不良，舒适性不佳和生物兼容性差等缺点。我们将从传感器的材料入手，通过采用新工艺、新方法，制造出符合人体生理特点的高灵敏度传感器。聚偏二氟乙烯及相关的聚合物具有良好的压电、铁电及热电性能，同时，它们也具有良好的化学稳定性和纤维可纺性。由该材料制成的纳米纤维薄膜在触觉传感器方面具有很大的潜在优势。在此，我们提案以聚偏二氟乙烯及其共聚物为基本原料利用静电纺丝技术开发柔软性传感器，以满足人们在健康监测，疾病治疗以及曲面应力检测方面的需要。同时我们希望通过柔性传感器的材料和器件开发能进一步认识聚合物的结晶过程，以及材料纳米结构与传感器性能之间的关系。

本提案旨在开发一种应用于人体或者曲面体方面的新型柔性触觉传感器，研发与其相关的功能高分子材料、程序方法和实验手段，同时兼顾低成本路线，对制备过程进行优化。静电纺丝技术作为一种制备纳米纤维薄膜的便捷有效的方法，用于加工传感器材料具有很大的优势。聚偏氟乙烯及其相关的共聚物具有良好的压电、铁电、热电性能。另外，此类聚合物具有良好的电纺性能和稳定的化学性质。本提案利用静电纺丝技术，电纺聚偏氟乙烯及其共聚物形成纳米纤维膜，开发出具有质轻柔软、透气良好、适应复杂生物环境及灵敏度高等优点的柔性触觉传感器，弥补了传统的传感器在人体触觉感应方面不透气、生物兼容性差等不足，满足在人体健康监测和疾病治疗等不同弯曲程度表面上的应用要求。同时研究了聚合物不同结晶类型之间相互转变的条件和关系，探索了高分子纳米纤维结构与性能的关系。