机器人类皮肤型触觉传感器具有的功能和特性:触觉敏感能力，柔性接触表面，小巧的片状外形

人类可以通过触摸物体表面感受接触力、接触位置、物体形状和滑动状 态，这种通过皮肤与物体接触而获得的感觉被称为触觉。同时人类皮肤具有较好的弹性和柔顺性，使其可以适应各种形状的物体表面和吸收接触冲击力。 人类的这种柔性触觉感知能力为人们认识外界物体的物理特性和对外界进行 实际操作提供了必要的信息基础。智能机器人要求感知外界环境的物理特 性。因此同样需要触觉感知能力，同时也要求手爪表面具有一定的柔性，以保 护手爪和被抓取物。这种具有类似人类皮肤触觉功能和柔顺特性的机器人触 觉传感器，为类皮肤型触觉传感器。

类皮肤型触觉传感器具有以下几项功能和特性：

(1)触觉敏感能力，包括接触觉、分布压觉、接触力觉和滑觉；

(2)柔性接触表面，以避免硬性碰撞和适应不同形状的表面；

(3)小巧的片状外形，以利于安装在机器人手爪上。

其中，接触觉是对传感器是否与外界物体产生物理接触的判断，为两值输 出。只有当接触觉输出为“是”时，才需要继续检测其他触觉信号。分布压觉 是对接触位置和接触力空间分布的描述(即触觉图像),可以得到被抓取物体 的形状和施力中心。接触力觉是对接触总力的测试，它包括法向力和切向力。 滑觉是对传感器表面与被接触物体表面之间的滑动状态进行判断，它包括滑 动、临界和静止三个状态。

人们已经研制了多种检测法向接触力的阵列式触觉传感器，用于夹持力 控制、夹持位置判定和夹持物识别。然而，由于切向力对力控制和防止滑动具 有不可替代的重要作用，人们又研制了具有切向力检测能力的压阻式、电容式 和光学式三维触觉传感器。其中一些三维触觉传感器采用了微电子机械系统 (MEMS) 技术制作，它们具有集成度高、结构紧凑等优点。下面以ZG科学院 合肥智能机械研究所研制的多功能类皮肤型触觉传感器为例，简要介绍触觉 传感器的系统构成与信息融合方法。

该传感器由敏感阵列和数据处理器两大部分组成，如图3-13所示。

外加的分布接触力作用在触觉敏感阵列上，使敏感阵列中的32个敏感单 元产生应力、应变。每个敏感单元中都集成了三组半导体压阻元件和应变检 测电路，将作用在该单元上的三维接触力转换成三路电信号，每一路电信号 基本上与一个方向的作用力相对应。这样整个阵列就得到了96路力敏感信 号，它们代表了32个敏感点上所受到的三维力。然后这96路力敏感信号通 过模拟开关输送到数据处理器进行信号放大、补偿、A/D 变换和信息融合。 温度信号通过集成在敏感阵列中的半导体热敏电阻进行检测，并直接输送到 数据处理器中。计算机主板具有两个主要功能，即信号采集和信息融合。它根据当前任务控制地址控制器和解码器，选通所需的敏感单元。同时将对应 单元的零点补偿值通过D/A 传送到补偿电路，以消除零点变化对信号采集 精度的影响。信息融合得到的触觉信息Z后通过接口输出到机器人控制 器中。 敏感阵列由橡胶覆盖层、传力阵列、敏感单元、保护阵列和基板组成。橡 胶覆盖层为2mm 厚的高弹性橡胶膜，其作用是保护传感器表面，增加摩擦因 数并吸收冲击能量。

为增加粘贴面积和提高可靠性，将硅橡胶灌充在传力柱之间的间隙中，然 后将橡胶覆盖层通过硅橡胶粘贴在传力阵列上方。敏感阵列的32个敏感单元 以4×8的方式排列，每个单元均能对三个方向的力(法向力F₂ 和切向力Fx、 F,) 敏感。传力阵列中的传力柱安装在每个敏感单元的中心，使绝大部分的接 触力传递到敏感单元中心。保护阵列安装在敏感单元下面，它与敏感单元的 凸台之间存在一微小间隙。间隙宽度随接触力加大而减小，当接触力超 过敏感单元的量程时，间隙为零，起到过载保护作用。基板是敏感阵列的安装 结构板，有镀金引线电极，用于敏感阵列的内、外部引线。该触觉敏感阵列安 装在一外形尺寸为50 mm×20 mm×7mm的铝合金外壳中，其底部有四个安装孔，上表面是橡胶覆盖层。由触觉敏感阵列得到的96路力敏信号经放大、补 偿和A/D 变换后，先在数据处理器中进行单元线性解耦，得到各敏感单元所 受到的三维力，计算出分布压觉。然后，再采用人工神经网络计算出总的三维 接触力，并进一步计算其接触觉和滑觉信息。将单元法向力转换成具有8个灰 度J的触觉图像，使其不仅包含接触位置和形状信息，而且可以进一步得到作 用力中心位置信息。图3-14所示为一个钥匙被按在传感器表面上所产生的 触觉图像，其中黑色圆圈为手指加压的位置。可以看出，触觉图像与钥匙形状 和施力中心具有很好的对应关系。实验结果表明，接触总力的测试精度达到 2%FS。

根据三维接触力可以进一步计算、判断出滑觉和接触觉。当接触总力达 到一预先设定的接触阈值时，接触觉输出为“1”,否则为“0”。滑动状态通过比 较摩擦因数和切向力与法向力的比值来进行判断，当该比值接近摩擦因数时 发出滑动预警信号，当达到和超过时发出滑动信号。