机器人感知智能课件：机器人触觉感知.pptx

机器人感知智能

机器人触觉感知

2.1机器人触觉感知

机器人触觉是模拟人的感觉，广义的说它包括接触

觉、压觉、力觉、滑觉、冷热觉等与接触有关的感觉，

狭义的说它是机械手与对象接触面上的力感觉。

机器人假手获取触觉信息一般是通过触觉传感器实

现的，通过加载在机器人假手上的触觉传感器，假手的

控制单元能收到假手抓握时的触觉信息，并根据触觉信

息来调控假手的抓握力度。

图2.1配备触觉传感器的智能机器人手

随着硅材料微加工技术和计算机技术的发展，触觉

传感器已逐步实现了集成化、微型化和智能化。

2.2机器人触觉感知传感器类型

机器人触觉传感器根据应用环境可分为两大类：应用于工业生产的机器人触觉传感器和应用于非工

业生产的机器人触觉传感器。工业机器人触觉传感器主要用于多关节机械手或多自由度机器人的感知，

而非工业生产中的触觉传感器则应用于服务机器人、军用机器人、农业机器人和医疗机器人等。触觉

传感器的研究分为广义和狭义，广义触觉包括触觉、压觉、力觉、滑觉和冷热觉，而狭义触觉主要指

机械手与对象接触面上的力感觉。按主要功能，触觉传感器可分为接触觉传感器、力-力矩觉传感器、

压觉传感器、硬度传感器、表面粗糙度传感器和滑觉传感器等。随着MEMS技术、新材料和新工艺的

发展，触觉传感器正朝着柔性化、轻量化、高阵列和高灵敏度的方向发展，特别是在医疗、康复、假

肢、人机交互和消费电子学等领域的应用中，新型柔性触觉传感器和阵列触觉传感器成为研究热点。

2.2.1机器人柔性触觉传感器

所谓“柔性”是指触觉传感器的物理特性具有类似于人类皮肤一样的特性，可以覆盖在任意

的载体表面测量受力信息，从而感知目标对象的性质特征。柔性触觉传感器应用广泛，因其具有

良好的柔性，在可穿戴电子领域有巨大的应用前景，在人体运动监测、健康监测（脉搏、血压、

体温等）、机械结构健康监测、人机交互等方面都有广泛应用，既可直接贴于皮肤表面，或与衣

服、鞋子、手套等相结合，又可植入人体内。

从20世纪80年代开始，世界各国投入大量资源对机器人柔性触觉传感器进行了系统研究。美

国微星科技公司最早研制出应用于工业机器人手臂的触觉敏感皮肤，印度研究者则利用压电陶瓷

材料制作了压电式触觉传感器。2002年，南京航空航天大学和重庆大学分别设计出三维力和四维

力触觉传感器。2005年，美国航空航天局开发出非接触式敏感皮肤。中国科学院合肥智能机械研

究所、中国科学技术大学和合肥工业大学等机构也开展了深入研究。学术界对“触觉和感知”的

研究逐年增加，显示出机器人柔性触觉传感器领域的研究趋势不断增长。综上所述，柔性触觉传

感器在机器人应用中的研究经过几十年的发展已经取得了显著进展。

2.2.1机器人柔性触觉传感器-压阻式柔性触觉传感器

柔性触觉传感器的实现方式很多，主要分为压阻式、压电式和电容式。相较于压电式和电容

式，压阻式柔性触觉传感器监测范围大、灵敏度高、成本低廉、工艺简单，是过去和未来柔性触

觉传感器发展的主要方向。

压阻式柔性触觉传感器工作原理：

利用弹性材料的压阻效应进行压力值的测量，所谓的压阻效应就是指当弹性材料受到应力作

用，由于其载流子的迁移率变化，使材料的电阻率发生变化。

对于一种电阻率为ρ，长度为l，横截面积为S的弹性材料，其电阻为：

l

R

S

对上式进行微分：

dRddl

（12）

Rl

压阻式柔性触觉传感器可以通过检测电阻的变化从而计算出所受的外界压力。

2.2.1机器人柔性触觉传感器-压阻式柔性触觉传感器

由于导电敏感材料的不同，压阻式柔性触觉传感器可以分为

•基于导电聚合物的压阻式柔性触觉传感器

•基于导电溶液的压阻式柔性触觉传感器

美国马里兰大学的柔性机器人方面专家将碳纳米管均匀地分散到聚二甲基硅氧烷中，作为柔

性触觉传感器的导电聚合物，制造了具有较大面积的柔性触觉传感器。

图2.2（a）镍颗粒高分子聚合物混合的导电聚合物（b）一种覆盖