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触摸屏手机⽂ | 传感器技术（WW_CGQJS）
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。 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。
萨纳克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。
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。
角钉
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
磁化净水器
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。
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。
预应力电杆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。
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
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。
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。
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