人類可以通過(guò)觸摸物體表面感受接觸力、接觸位置、物體形狀和滑動(dòng)狀 態(tài)，這種通過(guò)皮膚與物體接觸而獲得的感覺(jué)被稱為觸覺(jué)。同時(shí)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(jué)感知能力為人們認(rèn)識(shí)外界物體的物理特性和對(duì)外界進(jìn)行 實(shí)際操作提供了必要的信息基礎(chǔ)。智能機(jī)器人要求感知外界環(huán)境的物理特 性。因此同樣需要觸覺(jué)感知能力，同時(shí)也要求手爪表面具有一定的柔性，以保 護(hù)手爪和被抓取物。這種具有類似人類皮膚觸覺(jué)功能和柔順特性的機(jī)器人觸 覺(jué)傳感器，為類皮膚型觸覺(jué)傳感器。

類皮膚型觸覺(jué)傳感器具有以下幾項(xiàng)功能和特性：

(1)觸覺(jué)敏感能力，包括接觸覺(jué)、分布?jí)河X(jué)、接觸力覺(jué)和滑覺(jué)；

(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(jī)器人手爪上。

其中，接觸覺(jué)是對(duì)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(jué)輸出為“是”時(shí)，才需要繼續(xù)檢測(cè)其他觸覺(jué)信號(hào)。分布?jí)河X(jué) 是對(duì)接觸位置和接觸力空間分布的描述(即觸覺(jué)圖像),可以得到被抓取物體 的形狀和施力中心。接觸力覺(jué)是對(duì)接觸總力的測(cè)試，它包括法向力和切向力。 滑覺(jué)是對(duì)傳感器表面與被接觸物體表面之間的滑動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行判斷，它包括滑 動(dòng)、臨界和靜止三個(gè)狀態(tài)。

人們已經(jīng)研制了多種檢測(cè)法向接觸力的陣列式觸覺(jué)傳感器，用于夾持力 控制、夾持位置判定和夾持物識(shí)別。然而，由于切向力對(duì)力控制和防止滑動(dòng)具 有不可替代的重要作用，人們又研制了具有切向力檢測(cè)能力的壓阻式、電容式 和光學(xué)式三維觸覺(jué)傳感器。其中一些三維觸覺(jué)傳感器采用了微電子機(jī)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(diǎn)。下面以ZG科學(xué)院 合肥智能機(jī)械研究所研制的多功能類皮膚型觸覺(jué)傳感器為例，簡(jiǎn)要介紹觸覺(jué) 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(jué)敏感陣列上，使敏感陣列中的32個(gè)敏感單 元產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變。每個(gè)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(cè)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(hào)，每一路電信號(hào) 基本上與一個(gè)方向的作用力相對(duì)應(yīng)。這樣整個(gè)陣列就得到了96路力敏感信 號(hào)，它們代表了32個(gè)敏感點(diǎn)上所受到的三維力。然后這96路力敏感信號(hào)通 過(guò)模擬開(kāi)關(guān)輸送到數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行信號(hào)放大、補(bǔ)償、A/D 變換和信息融合。 溫度信號(hào)通過(guò)集成在敏感陣列中的半導(dǎo)體熱敏電阻進(jìn)行檢測(cè)，并直接輸送到 數(shù)據(jù)處理器中。計(jì)算機(jī)主板具有兩個(gè)主要功能，即信號(hào)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(shí)將對(duì)應(yīng) 單元的零點(diǎn)補(bǔ)償值通過(guò)D/A 傳送到補(bǔ)償電路，以消除零點(diǎn)變化對(duì)信號(hào)采集 精度的影響。信息融合得到的觸覺(jué)信息Z后通過(guò)接口輸出到機(jī)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(hù)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(hù)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(guò)硅橡膠粘貼在傳力陣列上方。敏感陣列的32個(gè)敏感單元 以4×8的方式排列，每個(gè)單元均能對(duì)三個(gè)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(gè)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(hù)陣列安裝在敏感單元下面，它與敏感單元的 凸臺(tái)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(guò)敏感單元的量程時(shí)，間隙為零，起到過(guò)載保護(hù)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(jué)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(gè)安裝孔，上表面是橡膠覆蓋層。由觸覺(jué)敏感陣列得到的96路力敏信號(hào)經(jīng)放大、補(bǔ) 償和A/D 變換后，先在數(shù)據(jù)處理器中進(jìn)行單元線性解耦，得到各敏感單元所 受到的三維力，計(jì)算出分布?jí)河X(jué)。然后，再采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算出總的三維 接觸力，并進(jìn)一步計(jì)算其接觸覺(jué)和滑覺(jué)信息。將單元法向力轉(zhuǎn)換成具有8個(gè)灰 度J的觸覺(jué)圖像，使其不僅包含接觸位置和形狀信息，而且可以進(jìn)一步得到作 用力中心位置信息。圖3-14所示為一個(gè)鑰匙被按在傳感器表面上所產(chǎn)生的 觸覺(jué)圖像，其中黑色圓圈為手指加壓的位置�？梢钥闯觯�觸覺(jué)圖像與鑰匙形狀 和施力中心具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，接觸總力的測(cè)試精度達(dá)到 2%FS。

根據(jù)三維接觸力可以進(jìn)一步計(jì)算、判斷出滑覺(jué)和接觸覺(jué)。當(dāng)接觸總力達(dá) 到一預(yù)先設(shè)定的接觸閾值時(shí)，接觸覺(jué)輸出為“1”,否則為“0”�；瑒�(dòng)狀態(tài)通過(guò)比 較摩擦因數(shù)和切向力與法向力的比值來(lái)進(jìn)行判斷，當(dāng)該比值接近摩擦因數(shù)時(shí) 發(fā)出滑動(dòng)預(yù)警信號(hào)，當(dāng)達(dá)到和超過(guò)時(shí)發(fā)出滑動(dòng)信號(hào)。