《装备制造技术》2019年第11期
0引言
压觉等机械刺激的总称。大多数动物触觉传感器遍布全身， 人类的皮肤就是一种触觉传感器，依靠神经末梢人类能感受到湿度、温度、痛觉等多种感觉。受此启发，人们发明了触觉传感器，它是能够感受被测压力并且按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或者装置。触觉传感器通常是由敏感元件和转换元件组成的。其中敏感元件是能够直接接触被测压力的部分，转换元件能够将接触到敏感元件的被测压力转换成适于传输或者测量的电信号部分。同时人们研究出基于多
种效应的触觉传感器，如：
压阻式触觉传感器、光电式触觉传感器、电容式触觉传感器、
压电式触觉传感器等多种类型。这些触觉传感器在现实生产生活中起到了重要的作用。如：装配到机器人手臂，用于机器人 的抓取和识别物体等；
医用可穿戴传感器，用来检测人体脉搏，心跳等重要信息；用在智能手机、平板电脑的触摸式显示屏上，还有航空航天领域等等[1]。由此
可见，触觉传感器已经遍布生活中各个领域，
给人们的生活带来了诸多便利。下面重点介绍生活中常见的几种触觉传感器。
1压阻式触觉传感器
压阻效应简单来说是指固体受到压力后，电阻率发生变化的现象。其中以半导体材料最为明显。压阻式触觉传感器的工作原理就是利用半导体材料的
压阻效应。2011年哈工大机器人技术与系统国家重点实验室的吴克等人研发了一种用于机器人手臂的压电式触觉传感器[2]，
此传感器采用压阻导电和导电石墨颗粒，经过实验测试表明该触觉传感器很好的反馈外力信息，从而为实现机器人手指抓取进行力
控制提供了保障；2017年哈工大张会明利用敏感材料的压阻效应，用石墨烯薄膜做力学敏感材料，设计了一种基于机器人领域的柔性触觉传感器[3]， 如图1所示。该触感器结构包括触点层、对苯乙烯磺酸钠
压阻层和柔性电极三部分。最终触觉传感器可实现对正压力、
剪切力的迅速和高灵敏度检测，而且具有优良的稳定性；2017年韩国成均馆大学（SKKU ）机械工程学院的Phi Tien Hoang ，Hoa Phung 等人以PDMS 薄膜为柔性衬底， 利用PEDOT ：PSS 导电聚合物为敏感材料，
研究了一种新型压阻式柔性触觉传感器[4]，如图2所示。为了
提高传感器元件弹性和力学应变，还在PEDOT ：PSS 里面混合了PAM 亲水聚合物。
触觉传感器研究现状与展望
包玉龙，徐斌，舒昊鑫，
程芳，胡鑫，黄博（南昌工程学院江西省精密微纳驱动与控制重点实验室，
江西南昌330099）摘
要：触觉传感技术是未来实现机器人智能化的关键技术之一，
未来机器人终将会代替人类进入许多复杂危险的多信息环境中执行任务。而机器人手作为机器人与环境交互的重要部位，其触觉传感器是使机器人具有触觉和滑觉等感知能力必不可少的媒介。叙述了基于压阻效应、光电效应、电容变化、压电效应的触觉传感器的研究现状和特点，提出触觉传感器未来发展的四个重要方向。
关键词：触觉传感器；压阻效应；光电效应；电容变化；压电效应中图分类号：TP212
文献标识码：A
文章编号：1672-545X （2019）11-0017-05
收稿日期：2019-08-12
作者简介：包玉龙（1995-），男，吉林人，硕士研究生，主要从事基于MEMS 技术的柔性触觉传感器研究方向。
图1石墨烯薄膜触觉传感器实物
图
Equipment Manufacturing Technology No.11，2019
煮机坛子
压阻式触觉传感器具有动态范围宽、
经久耐用、优良的负载能力等优点。但是存在迟滞、单调响应非线性弹性材料的机械和电性能需要优化等缺点。
2光电式触觉传感器
光电效应是指高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流。光电式触觉传感器则是基于该原理将被测压
力的变化转换成光量变化，再通过光电元件把光量变化转换成电信号的测量装置。2006年英国布里斯托尔大学工程数学系的Jonathan.Rossiter 等人提出一种基于光学的触觉传感器[5]，
如图3所示。它利用发光二极管（LED ）与半不透明的柔性介质相结合。该传感器由两层较薄的可变介质制成，每层都有两个LED 安装在底部。由不透明的薄膜或在边界处涂上
一层薄薄的不透明油漆，防止有光线在层间漏出。工作时，两个LED 为一组，一个向柔性基底照射光线，另一个检测反射光照强度，当传感器受力时柔性基底发生形变，会降低反射光照强度。经过实验测试该传感器具有结构简单、覆盖面积大、表面柔软等优点；2008年电子三星半导体公司的Jin-Seok Heo 和韩国大田高级科学技术研究所机械工程系Ju-Young
Kim 等人发明一种新型光电式传感器[6]，如图4所示。将POF （塑料光纤）嵌入在硅橡胶中形成交叉纤维结构，测量系统由发光二极管（LED ）作为光源，CCD （图像传感器）作为检测器。当硅胶受到压力时，内部的POF 也一起弯曲，光照强度也因此改变。此传感器对0~15N 的正压力有良好的线性输出，分辨力可以达到0.05N ；2010年东南大学仪器科学与工程学院的白俊杰及重庆科技大学电气信息工程学院的吴瑛等人提出了一种基于相同FBG （光纤布拉格光栅）的复合触觉传感器单元、结构为4伊4触觉传感器阵列、可以同时测量分布接触力和温度变化的光
电式触觉传感器[7]。经过大量的实验表明，
该光电式触觉传感器具有很好的性能和实际应用的可能性。
其测量分布式触觉力和温度环系统具有稳定性高、容量大、数据处理速度快、控制精度高等优点。测量的接触力分辨率0.01N ，温度分辨率为0.5。
光电式触觉传感器有分辨率高、与视觉技术相
容性好、无电气干扰问题、信号处理电路可以远离触觉传感器等优点。但是也存在一些缺点，
如：触觉传感器存在滞后现象，在一些设计中，器件整体性能对弹性体依赖较强等。
3电容式触觉传感器烫发杠子
电容式触觉传感器原理是施加压力使电容极板
间相对位移发生微变，从而使电容发生改变，通过检测电容变化量来测量施加的压力大小[8]。2014年中国科学院半导体研究所的HU XiaoHui ，清华大学微电子研究所ZHANG Chun 等人研究了一种用于机器人领域的微型柔性电容式触觉传感器[9]。该传感器采用四层结构，其中凸起层上电极层和中间介质层用
图2新型触觉传感器测试柔性和拉伸
性示意图
图3LED 作为光源与检测器的工作原理图
X
S F
L1L3
Medium1light
Medium2
Compression
L2L4
I 2I 4
图4弯曲光电式触觉传感器原理图
Light lnput
Light lnput
主轴编码器
Light output
Light output
1234
5678
1
2345678
《装备制造技术》2019年第11期
PDMS 制作，下电极层用PET 材料制作。中间介质层
设计成微针结构，可以增加电容式触觉传感器的灵
敏度、重复性和稳定性。经过电容值测试，得初始电容为0.86pF ，电容的灵敏度为3.26%/mN ；2015年吉林师范大学的徐德成和合肥工业大学的郭小辉等人设计了一种基于机器人仿生皮肤的电容式柔性触觉传感器[10]，
如图5所示。其中硅橡胶作为各层柔性基底，有机硅导电银胶作为上下层柔性电极，一起构成电容式触觉传感器敏感单元。该传感器可实现法向力0~5N 内的灵敏度为6.78fF/N ，切向力0~3N 范围内灵敏度为11.45fF 的触觉感知能力，经过实验证明该电容式触觉传感器具有优良的灵敏度和稳定
性；2017年苏州大学的吉张萍等人设计了一种面向机器人智能皮肤的电容式柔性触觉传感器[11]，
如图6所示。该传感器的设计采用了四层叠加的结构，其中凸起层和中间介质层用高分子材料PDMS 制成，上下电极层采用了PET 材料，用金属Cu 作电极，上下电极纵横交错形成电容。初始电容为2.79pF ，灵敏度可达35.9%/N 。其创新点在于中间介质层采用PDMS
金字塔形状和空气混合填充，经过实验测试和有限元仿真可知此结构增加了电容式柔性触觉传感器的灵敏度，提高了重复性和耐用性。
电容式触觉传感器具有结构简单、
动态响应快、坚固耐用等优点，但是也存在易受噪音干扰，介电性易受温度影响和分布电容等缺陷，随着集成电路技
术不断发展，这些缺点正在不断的得到克服。
4压电式触觉传感器
压电效应是指当晶体受到沿一定方向的外力作
用时，内部会产生电极化现象，同时两个相对的表面
产生符号相反的电荷，撤掉外力后，
晶体又恢复到不带电的状态，当外力方向发生改变，
电荷的极性也发生变化，施加外力大小与晶体产生电荷量成正比。压电式触觉传感器正是基于此原理发明的。2008年Cuhunyan Li ，Pei-Ming Wu 等人研制成功了一种基于球形和凸点形PVDF-TrFE 薄膜的压电式柔性触觉传感器[12]，如图7所示。PVDF-TrFE 薄膜因其良好的机械弹性而成为触觉传感器常用的选择，利用这种聚合物微结构开发的触觉传感器具有很高的灵敏度；2016年浙江大学机械工程系流体动力与机电系统国家重点实验室的Ping Yu ，Weiting Liu 等人提出了一种基于PVDF （聚偏氟乙烯）的柔性压电触觉传感器阵列，用于测量三维动态力分布[13]，如图8所示。其中PVDF 膜夹在四个方形上电极和一个方形下电
极中间，形成四个压电电容器，
凸点位于四个压电电容器正上方，以改善力的传递。当有外界压力作用于
凸点时，从顶部传递三维接触力，
导致下面四个压电电容器发生不同的电荷变化。经实验测试，触觉单元在x 轴、y 轴和z 轴分别为14.93、14.92和6.62pC/N 。
他们设计的压电触觉传感器具有良好的灵活性、
线性度、较低的耦合效应、较高的重复性等优点；2017
年Merve Acer 等人研制了一种PZT 压电陶瓷材料的
柔性触觉传感器[14]。该传感器由5层结构组成，
上下极板由硅酮组成，上下电极为柔性电极，
中间介质层由3个压电陶瓷（PZT ）置于1伊3阵列中。经过测试得
出制作的触觉传感器具有5mm 的空间分辨率和
0.578~0.821V/N 的灵敏度范围，
重复性为95.65%。在0~1N 脉冲力下具有线性特性。
调频音箱图6金字塔结构触觉传感器实物
图
图7凸点形（左）及球形（右）PVDF-TrFE 薄膜
图
图5电容式触觉传感单元示意图
20mm
触头
支柱
上电极
2mm
1mm 下电极基体
Equipment Manufacturing Technology No.11，2019
压电式触觉传感器在现实生活中应用广泛，因
为它有许多优点，比如：动态范围宽，
经久耐用，压电材料具有良好的机械特性等，但是同时也存在易受
噪音干扰、介电性易受温度的影响、
有限的空间分辨率等缺点限制其进一步发展，相信随着新技术的不断发展这些不足之处会逐步解决。
5触觉传感器展望
近年来智能机器人手臂抓取、
智能假肢、生物医疗等领域发展越来越迅速[15]，触觉传感器也逐渐受到重视。现实生活中广泛应用的触觉传感器除了以上
介绍的压阻式、光电式、电容式、
压电式触觉传感器，还有磁电式、数字式、电感式等[16]。而根据这些原理设计的触觉传感器普遍还存在有待完善之处，这也成为了今后一段时间内重点研究方向，总结来说共有四点发展趋势[17-18]。
第一，实现多维力的检测。从本文第1到4节所述的各类型触觉传感器研究现状来看，大多数触觉传感器只能测量正压力或者切向力，虽然还有三维力触觉传感器，但是它只能准确测量一维的切向力和法向力，不能实现任意三维力的测量。这很难满足生活实际应用。因此如何解决同时准确检测多维力，获得多维力信息，成为将来触觉传感器的一个重要发展方向。
第二，实现高灵敏度和高分辨率。在现实生活中一些特殊场合，可能需要触觉传感器能够在最快时间内检测接触的物体并做出快速反应，如排爆机器人检测、排除。这就需要触觉传感器要做到具有高灵敏度和高分辨率。
第三，实现多功能检测。现在的触觉传感器主要是检测压力、温度、湿度等信息。存在的弊端是多数
触觉传感器只能检测一种信息。如在机器人领域，
需要给机器人同时传递多种的信息，以便机器人获得更多的环境信息，为其决策提供丰富的数据。
第四，具有全柔性。现有的基于多种原理的触觉
传感器普遍没有实现全柔性，
只是处于半柔性。主要原因目前多数具有柔性特征的触觉传感器实际上所
示将刚性的敏感材料设计成特殊的结构嵌入到相对柔性较高的保护层材料内，经过高强度的拉伸后容易断裂或失效等。因此寻全柔性高分子敏感材料也是触觉传感器今后一个重要方向。
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图8触觉单元
图
《装备制造技术》2019年第11期
Research Status and Prospect of Tactile Sensor
BAO Yu-long ，XU Bin ，SHU Hao-xin ，CHENG Fang ，HU Xin ，HUANG Bo
（Jiangxi Provincial Key Laboratory of Precision Micro-nano Drive and Control ，
Nanchang Institute of Technology.Nanchang Jiangxi 330099，China ）
Abstract ：Tactile sensing technology is one of the key technologies to realize intelligent robot in the future.In the future ，robots will replace humans to perform tasks in many complex and dangerous multi-information environ -ments.As an important part of the robot ’s interaction with the environment ，the tactile sensor on the robot is an indispensable medium for the robot to have the sense of touch and sliding.This paper describes the research status and characteristics of tactile sensors based on piezoresistive effect ，photoelectric effect ，capacitance change and
piezoelectric effect ，and proposes four important directions for future development of tactile sensors.
Key words ：tactile sensor ；piezoresistive effect ；photoelectric effect ；capacitance variation ；piezoelectric effect
mation ，Communication and Automation Technologies （ICAT ），
2017.
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LIN Yi-zhong 1，XIE Sheng-liang 1，LUO Guang-ping 1，WANG Shi-hui 1，HUANG Jin-wen 2
（1.College of Mechanical Engineering Guangxi University ，Nanning Guangxi 530000，China ；
2.Guangxi Tengzixi Science and Technology Ltd.，Nanning Guangxi 530000，China ）Abstract ：The project vehicles scattered debris and sand along the road ，seriously polluting the urban road and air environment.More and more attention is paid to the pollution caused by engineering vehicles.
The basic structure and working principle of the cleaning machine are described.The research progress of each part in recent years is summarized.In view of the common problems of cleaning machine ，the solutions of industry peers are listed.For the problem of vehicle pollution to the city ，it is proposed that the traffic management and environment depart -
ments should actively establish intelligent management platform in the future.It is suggested to realize the preven -tion and control of various environmental pollution through system sharing ，data sharing and joint management.It provides reference for dust pollution prevention and control and research and production of car washing machine.Key words ：dust pollution ；car washer ；control system ；wastewater treatment ；remote monitoring.
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