觸覺傳感器應用

接觸覺傳感器用以判斷機器人(主要指四肢)是否接觸到外界物體或測量被接觸物體的特征的傳感器。接觸覺傳感器有微動開關、導電橡膠、含碳海綿、碳素纖維、氣動復位式裝置等類型。

①微動開關：由彈簧和觸頭構成。觸頭接觸外界物體后離開基板，造成信號通路斷開，從而測到與外界物體的接觸。這種常閉式（未接觸時一直接通）微動開關的優(yōu)點是使用方便、結構簡單，缺點是易產(chǎn)生機械振蕩和觸頭易氧化。

②導電橡膠式：它以導電橡膠為敏感元件。當觸頭接觸外界物體受壓后，壓迫導電橡膠，使它的電阻發(fā)生改變，從而使流經(jīng)導電橡膠的電流發(fā)生變化。這種傳感器的缺點是由于導電橡膠的材料配方存在差異，出現(xiàn)的漂移和滯后特性也不一致，優(yōu)點是具有柔性。

③含碳海綿式：它在基板上裝有海綿構成的彈性體，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,測量流經(jīng)含碳海綿電流的大小，可確定受壓程度。這種傳感器也可用作壓力覺傳感器。優(yōu)點是結構簡單、彈性好、使用方便。缺點是碳素分布均勻性直接影響測量結果和受壓后恢復能力較差。

④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。接觸外界物體時碳素纖維受壓與電極接觸導電。優(yōu)點是柔性好，可裝于機械手臂曲面處，但滯后較大。

⑤氣動復位式：它有柔性絕緣表面，受壓時變形，脫離接觸時則由壓縮空氣作為復位的動力。與外界物體接觸時其內(nèi)部的彈性圓泡(鈹銅箔)與下部觸點接觸而導電。優(yōu)點是柔性好、可靠性高，但需要壓縮空氣源。

用于機器人中模仿觸覺功能的傳感器。觸覺是人與外界環(huán)境直接接觸時的重要感覺功能，研制滿足要求的觸覺傳感器是機器人發(fā)展中的技術關鍵之一。隨著微電子技術的發(fā)展和各種有機材料的出現(xiàn)，已經(jīng)提出了多種多樣的觸覺傳感器的研制方案，但目前大都屬于實驗室階段，達到產(chǎn)品化的不多。觸覺傳感器按功能大致可分為接觸覺傳感器、力－力矩覺傳感器、壓覺傳感器和滑覺傳感器等。

滑覺傳感器用于判斷和測量機器人抓握或搬運物體時物體所產(chǎn)生的滑移。它實際上是一種位移傳感器。按有無滑動方向檢測功能可分為無方向性、單方向性和全方向性三類。

①無方向性傳感器有探針耳機式，它由藍寶石探針、金屬緩沖器、壓電羅謝爾鹽晶體和橡膠緩沖器組成?；瑒訒r探針產(chǎn)生振動，由羅謝爾鹽轉(zhuǎn)換為相應的電信號。緩沖器的作用是減小噪聲。

②單方向性傳感器有滾筒光電式，被抓物體的滑移使?jié)L筒轉(zhuǎn)動，導致光敏二極管接收到透過碼盤（裝在滾筒的圓面上）的光信號，通過滾筒的轉(zhuǎn)角信號而測出物體的滑動。

③全方向性傳感器采用表面包有絕緣材料并構成經(jīng)緯分布的導電與不導電區(qū)的金屬球（圖4）。當傳感器接觸物體并產(chǎn)生滑動時，球發(fā)生轉(zhuǎn)動，使球面上的導電與不導電區(qū)交替接觸電極,從而產(chǎn)生通斷信號,通過對通斷信號的計數(shù)和判斷可測出滑移的大小和方向。這種傳感器的制作工藝要求較高。

該提案的目的是要開發(fā)一種適應人體的新型柔性觸覺傳感器（flexible tactile sensor）。傳統(tǒng)的人體傳感器存在著透氣性不良，舒適性不佳和生物兼容性差等缺點。我們將從傳感器的材料入手，通過采用新工藝、新方法，制造出符合人體生理特點的高靈敏度傳感器。聚偏二氟乙烯及相關的聚合物具有良好的壓電、鐵電及熱電性能，同時，它們也具有良好的化學穩(wěn)定性和纖維可紡性。由該材料制成的納米纖維薄膜在觸覺傳感器方面具有很大的潛在優(yōu)勢。在此，我們提案以聚偏二氟乙烯及其共聚物為基本原料利用靜電紡絲技術開發(fā)柔軟性傳感器，以滿足人們在健康監(jiān)測，疾病治療以及曲面應力檢測方面的需要。同時我們希望通過柔性傳感器的材料和器件開發(fā)能進一步認識聚合物的結晶過程，以及材料納米結構與傳感器性能之間的關系。

本提案旨在開發(fā)一種應用于人體或者曲面體方面的新型柔性觸覺傳感器，研發(fā)與其相關的功能高分子材料、程序方法和實驗手段，同時兼顧低成本路線，對制備過程進行優(yōu)化。靜電紡絲技術作為一種制備納米纖維薄膜的便捷有效的方法，用于加工傳感器材料具有很大的優(yōu)勢。聚偏氟乙烯及其相關的共聚物具有良好的壓電、鐵電、熱電性能。另外，此類聚合物具有良好的電紡性能和穩(wěn)定的化學性質(zhì)。本提案利用靜電紡絲技術，電紡聚偏氟乙烯及其共聚物形成納米纖維膜，開發(fā)出具有質(zhì)輕柔軟、透氣良好、適應復雜生物環(huán)境及靈敏度高等優(yōu)點的柔性觸覺傳感器，彌補了傳統(tǒng)的傳感器在人體觸覺感應方面不透氣、生物兼容性差等不足，滿足在人體健康監(jiān)測和疾病治療等不同彎曲程度表面上的應用要求。同時研究了聚合物不同結晶類型之間相互轉(zhuǎn)變的條件和關系，探索了高分子納米纖維結構與性能的關系。