柔性阵列触觉传感器设计与应用文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

摘要：本文在查阅大量文献资料的基础上，了解柔性触觉传感器的工作原理及研究现状，分析电容电阻复合触觉传感器的设计意义和应用价值；了解利用不同的方法对触觉传感器进行柔性化，探索工艺简单、成本低廉的柔性化方法；了解进行数据融合的方法，分析各种融合算法，以提高传感器的精度。

关键词：触觉传感器；柔性皮肤；电容电阻复合；柔性化；数据融合。

1. 柔性触觉传感器研究
   1. 柔性触觉传感器原理

触觉传感器是用于机器人中模仿触觉功能的传感器。触觉是机器人等实现与环境直接作用的必需媒介，触觉本身有很强的敏感能力，可直接测量对象和环境的多种性质。根据触觉传感器的包覆层和应用范围，触觉传感器可分为硬质皮肤触觉传感器、柔性皮肤触觉传感器和内接触式触觉传感器。其中柔性皮肤触觉传感器被定义为能够通过接触表征出被测物体的性质(表面形貌、重量等) 或数值化接触参量(力、温度等)的设备或系统^[1]。

按照工作原理的不同，柔性触觉传感器可分为电容式、压阻式、压电式、超声式、磁敏式以及光电式等。其中电阻式、电容式和压电式的应用较为广泛。例如，文献[2]受人体皮肤中机械感受器的组织和功能的启发，设计了一种基于互锁微球结构的电阻式柔性触觉传感器。当外部触觉刺激输入，互锁复合薄膜的接触面积变化使得复合薄膜的电阻发生剧烈变化，通过对复合薄膜电阻的检测可实现对触觉刺激的感知和测量，具有量程大、分辨率高、可检测多维力等优点；文献[3]设计了一种电容式触觉传感器，电容介电层采用微针结构，具有良好的重复性和稳定性；文献[4]设计了一种基于PVDF压电薄膜的触觉传感器，采用倒四棱台结构，可检测三维力。基于其他原理的触觉传感器也有一定的发展。文献[5]提出了一种基于光纤阵列的触觉传感器，当外力使光纤变形时，通过检测光强来进行测量。

目前广泛应用的电容原理和电阻原理，其优缺点具有一定的互补性。例如，电阻式触觉传感器回差小，但是稳定性较差，静态检测会产生蠕变。而电容式触觉传感器稳定性和重复性较好，但存在回差较大的问题。因此，将电容原理和电阻原理结合，通过两种原理优点的互补可以提升触觉传感器的测量精度。电容电阻复合型触觉传感器，可以将外界触觉刺激同时转换为电容值变化和电阻值变化，再通过相应的测量电路将两种变化量转换为电压输出，再通过上位机对两个电压数值进行融合，从而得出更为精确的测量结果。

• 1. 电容电阻复合型柔性触觉传感器研究现状

目前对于电容电阻复合型触觉传感器的研究较少，并且多集中在实现多功能触觉传感器。文献[6]提出了一种电容电阻复合式的触压觉传感器，用于同时检测触觉刺激和压觉刺激，电容传感单元采用硅橡胶制作介电层，用于测量触觉；电阻传感单元采用CNT/CB填充橡胶形成的导电复合材料制备，用于压觉检测。该传感器采用双层结构，将电容单元和电阻单元堆叠在一起，采用3个电极对电容电阻分别做检测，量程达到100N，0-10N采用电容测量，10-100N采用电阻测量，可应用于机器人电子皮肤。文献[7]提出了一种可伸缩的发电传感器阵列，传感器由电阻应变传感器、电容式触觉传感器和单平台摩擦电能采集器组成，利用的电子织物实现，通过检测两根织物之间的电容，可以感知法向的压力。此外，还可以通过检测每根线的电阻来检测横向施加的拉力。电能采集器可在垂直方向施加压力时产生电能，最大功率和功率密度分别为201mu;W和0.48w/m²。文献[8]提出了一种基于硅集成电路柔性变形的多功能MEMS触觉成像仪。该触觉传感器有一个硅膜传感区，在硅膜上集成了电阻传感单元和电容传感单元阵列。其中，电阻传感单元用于检测接触力和硬度，电容传感单元作为温度传感器检测温度。实现传感器可同时检测接触力、硬度和温度。

基于电容电阻触觉传感器研究现状，本课题致力于研究一种基于电容电阻数据融合来提高测量精度的柔性触觉传感器，量程达到几十牛，可应用于机器人的力触觉感知。

1. 触觉传感器柔性化研究
   1. 柔性化的意义

电子皮肤阵列触觉传感器作为柔弹性电子元件的一种，为了模拟人类皮肤能够覆盖于机器人等载体复杂的三维表面和活动关节，必须具有很高的柔弹性^［9-10］。来自意大利技术研究所的研究结果表明，要想实现人类手腕部位的拉伸，仿生皮肤的弹性范围应该在30%左右。因此，优化仿生皮肤触觉传感器，实现其在大拉伸率状态下正常工作是研究的重点与难点之一。

• 1. 柔性化方法研究现状

近年来，阵列触觉传感器柔性化方面进展显著，研究人员主要从3个方面解决触觉传感器柔弹性的问题。

第一点，材料的选取对柔弹性至关重要。文献[11-12]选用PDMS作为基底，PDMS材料具有化学惰性、温度稳定性、透明度等方面的优势，常被选作基底材料。活性材料方面，文献[12]选用石墨烯，该材料具有强度大、导电导热能力强、载流子迁移率高等优点；文献[13]制备碳黑和碳纳米管混合而成的导电聚合物，具有柔韧性好、导电能力强等优点。