人類可以通過觸摸物體表面感受接觸力、接觸位置、物體形狀和滑動狀 態(tài)，這種通過皮膚與物體接觸而獲得的感覺被稱為觸覺。同時人類皮膚具有較好的彈性和柔順性，使其可以適應(yīng)各種形狀的物體表面和吸收接觸沖擊力。 人類的這種柔性觸覺感知能力為人們認識外界物體的物理特性和對外界進行 實際操作提供了必要的信息基礎(chǔ)。智能機器人要求感知外界環(huán)境的物理特 性。因此同樣需要觸覺感知能力，同時也要求手爪表面具有一定的柔性，以保 護手爪和被抓取物。這種具有類似人類皮膚觸覺功能和柔順特性的機器人觸 覺傳感器，為類皮膚型觸覺傳感器。

類皮膚型觸覺傳感器具有以下幾項功能和特性：

(1)觸覺敏感能力，包括接觸覺、分布壓覺、接觸力覺和滑覺；

(2)柔性接觸表面，以避免硬性碰撞和適應(yīng)不同形狀的表面；

(3)小巧的片狀外形，以利于安裝在機器人手爪上。

其中，接觸覺是對傳感器是否與外界物體產(chǎn)生物理接觸的判斷，為兩值輸 出。只有當(dāng)接觸覺輸出為“是”時，才需要繼續(xù)檢測其他觸覺信號。分布壓覺 是對接觸位置和接觸力空間分布的描述(即觸覺圖像),可以得到被抓取物體 的形狀和施力中心。接觸力覺是對接觸總力的測試，它包括法向力和切向力。 滑覺是對傳感器表面與被接觸物體表面之間的滑動狀態(tài)進行判斷，它包括滑 動、臨界和靜止三個狀態(tài)。

人們已經(jīng)研制了多種檢測法向接觸力的陣列式觸覺傳感器，用于夾持力 控制、夾持位置判定和夾持物識別。然而，由于切向力對力控制和防止滑動具 有不可替代的重要作用，人們又研制了具有切向力檢測能力的壓阻式、電容式 和光學(xué)式三維觸覺傳感器。其中一些三維觸覺傳感器采用了微電子機械系統(tǒng) (MEMS) 技術(shù)制作，它們具有集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點。下面以ZG科學(xué)院 合肥智能機械研究所研制的多功能類皮膚型觸覺傳感器為例，簡要介紹觸覺 傳感器的系統(tǒng)構(gòu)成與信息融合方法。

該傳感器由敏感陣列和數(shù)據(jù)處理器兩大部分組成，如圖3-13所示。

外加的分布接觸力作用在觸覺敏感陣列上，使敏感陣列中的32個敏感單 元產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變。每個敏感單元中都集成了三組半導(dǎo)體壓阻元件和應(yīng)變檢 測電路，將作用在該單元上的三維接觸力轉(zhuǎn)換成三路電信號，每一路電信號 基本上與一個方向的作用力相對應(yīng)。這樣整個陣列就得到了96路力敏感信 號，它們代表了32個敏感點上所受到的三維力。然后這96路力敏感信號通 過模擬開關(guān)輸送到數(shù)據(jù)處理器進行信號放大、補償、A/D 變換和信息融合。 溫度信號通過集成在敏感陣列中的半導(dǎo)體熱敏電阻進行檢測，并直接輸送到 數(shù)據(jù)處理器中。計算機主板具有兩個主要功能，即信號采集和信息融合。它根據(jù)當(dāng)前任務(wù)控制地址控制器和解碼器，選通所需的敏感單元。同時將對應(yīng) 單元的零點補償值通過D/A 傳送到補償電路，以消除零點變化對信號采集 精度的影響。信息融合得到的觸覺信息Z后通過接口輸出到機器人控制 器中。 敏感陣列由橡膠覆蓋層、傳力陣列、敏感單元、保護陣列和基板組成。橡 膠覆蓋層為2mm 厚的高彈性橡膠膜，其作用是保護傳感器表面，增加摩擦因 數(shù)并吸收沖擊能量。

為增加粘貼面積和提高可靠性，將硅橡膠灌充在傳力柱之間的間隙中，然 后將橡膠覆蓋層通過硅橡膠粘貼在傳力陣列上方。敏感陣列的32個敏感單元 以4×8的方式排列，每個單元均能對三個方向的力(法向力F₂ 和切向力Fx、 F,) 敏感。傳力陣列中的傳力柱安裝在每個敏感單元的中心，使絕大部分的接 觸力傳遞到敏感單元中心。保護陣列安裝在敏感單元下面，它與敏感單元的 凸臺之間存在一微小間隙。間隙寬度隨接觸力加大而減小，當(dāng)接觸力超 過敏感單元的量程時，間隙為零，起到過載保護作用�；�板是敏感陣列的安裝 結(jié)構(gòu)板，有鍍金引線電極，用于敏感陣列的內(nèi)、外部引線。該觸覺敏感陣列安 裝在一外形尺寸為50 mm×20 mm×7mm的鋁合金外殼中，其底部有四個安裝孔，上表面是橡膠覆蓋層。由觸覺敏感陣列得到的96路力敏信號經(jīng)放大、補 償和A/D 變換后，先在數(shù)據(jù)處理器中進行單元線性解耦，得到各敏感單元所 受到的三維力，計算出分布壓覺。然后，再采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算出總的三維 接觸力，并進一步計算其接觸覺和滑覺信息。將單元法向力轉(zhuǎn)換成具有8個灰 度J的觸覺圖像，使其不僅包含接觸位置和形狀信息，而且可以進一步得到作 用力中心位置信息。圖3-14所示為一個鑰匙被按在傳感器表面上所產(chǎn)生的 觸覺圖像，其中黑色圓圈為手指加壓的位置�？梢钥闯�，觸覺圖像與鑰匙形狀 和施力中心具有很好的對應(yīng)關(guān)系。實驗結(jié)果表明，接觸總力的測試精度達到 2%FS。

根據(jù)三維接觸力可以進一步計算、判斷出滑覺和接觸覺。當(dāng)接觸總力達 到一預(yù)先設(shè)定的接觸閾值時，接觸覺輸出為“1”,否則為“0”�；瑒訝顟B(tài)通過比 較摩擦因數(shù)和切向力與法向力的比值來進行判斷，當(dāng)該比值接近摩擦因數(shù)時 發(fā)出滑動預(yù)警信號，當(dāng)達到和超過時發(fā)出滑動信號。