【精品课件】机器人多感知技术-触觉
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使特定神经纤维活化的激励源是围绕神经未梢的隔膜，神 经未梢的形类似自由神经末梢的裸神经。如Merkel圆盘具 有扩张尖端的未梢，或如Pacinian细胞之类的压缩末梢— —影响感受器响应机械激励源的动态范围。影响机械感受 器响应的另一因素是神经末梢接触周围组织结构的方式。
1.1 触觉传感器的一般要求
原理；
注： PVDF－poly(vinylidene fluoride)聚偏二氟乙烯 PZT－ piezoecectric是压电的，压电陶瓷：锆钛酸铅(PbZrTiO3)
在有噪声激励的膜片上放置感压膜，当物体作用于感 压膜表面时，声阻抗发生变化的原理等。
第一章 触觉、滑觉传感器及人工皮肤触觉
触觉发展的基础：
覆盖皮肤表面的人体 毛发，除能保持人体 热量外，还有接近传 感器的功能：
毛发的触觉极敏感， 通过它可检测位移的 微小变化，借助毛发 腺胞周围的神经末梢 网络还可传递信号。
1.1 触觉传感器的一般要求
1.1.2 机器人触觉传感器应具备如下基本特征：
1) 传感器有很好的顺应件，并且耐磨。 2) 空间分辨率为1~2mm，这种分辨率接近人指的分辨率 (指人皮肤敏感分离两点的距离为1mm)。 3) 每个指尖有50~200个触觉单元(即5×10，10×20阵列 单元数)。 4) 触元的力灵敏度小于0.05N，最好能达到0. 01N左右。 5) 输出动态范围最好能达到1000：1。 6) 传感器的稳定性、重复性好，无滞后。 7) 输出信号单值，线性度良好。 8) 输出频响100Hz~1kHz。
二、压阻材料
在压阻式阵列触觉传感器中，最关键的构件是敏感材料 和电极。
理想的敏感材料应该是有高的压力动态范围，能承受较 大的过载，有柔性，重复性好，最好线性，滞后小，耐疲劳。
第一章 触觉、滑觉传感器及人工皮肤触觉
机器人触觉在机器人感觉系统中占有非常重要 的地位，它具有视觉等其他感觉无法实现的功 能。视觉借助光的作用完成，当光照受限制时， 仅靠触觉也能完成一些简单的识别功能。
更为重要的是，触觉还能感知物体的表面特征 和物理性能，如柔软性、硬度、弹性、粗糙度、 材质等，因此触觉传感器是机器人感觉系统中 最重要的研究课题之一。
这些功能都是 通过感觉特别是 触觉获得的信息 来实现的。
1.1 触觉传感器的一般要求
在机器人触觉敏感中，我们试图仿效人体触觉敏 感系统的某些功能。为此．要求掌握人体触觉敏感及 其功能的知识，但是，不可能短期内重现生物传感器 的功能。
生物系统的存在和人自身的触觉经验有助于发展 机器人触觉敏感。
人体有两Hale Waihona Puke Baidu感觉系统能与外部物体接触而产生反 应：
(1)内体感觉系统。该系统检测诸如手足关节角、肌肉打张 和肌肉拉紧等内部参量。机器人通过这些参量间接地与外 部物体接触；
(2)外体感觉系统。该系统出于皮肤表面温度和形状的改 变而产生反应，这些参量是直接接触外部物体的结果。
1.1 触觉传感器的一般要求
外体感觉传感 器系统的神经 末梢封闭在真 皮和表皮层之 间，它由许多 特种神经末梢 构成。
机器人触觉的原型是模仿人的触觉功能，通过触觉传感器 与被识物体相接触或相互作用来完成对物体表面特征和物 理性能的感知。
第一章 触觉、滑觉传感器及人工皮肤触觉
触觉传感器采用的原理： 用弹性机械触点和压阻硅橡胶制成的触觉传感器是最
早的触觉模型， 利用受压变形的介质引起两端电极电容变化的原理； 利用可视弹性膜与物体接触引起成像的原理； 各种压电材料(PVDF、PZT等)受压后引起电荷变化的
皮肤能直接响 应接触压力、 温度和疼痛。
1.1 触觉传感器的一般要求
除了疼痛信号外，当一个稳定刺激的强度随时间减小时， 所有的神经末梢呈现出适应性。
适应性的精确率影响每种感应器的频率响应。在冷水中浸 泡几分钟后，就不会感觉到水象开始时那样冷，这是因为 发出信号的神经末梢对温度已适应。温度由两类传感器传 递，一类对“冷”起反应，另一类则对“温暖”产生反应。
使用柔软的压阻敏感材料制作阵列触觉传感器是一个较好 的途径。
1.3 压阻式阵列触觉传感器
一、传感器结构
压阻式阵列触觉传感 器的基本结构是由相互 平行的电极构成触觉单 元的外接引线，上(行) 电极与下(列)电极相互 垂直，压阻材料放在中 间，行列电极的交叉点 定义为阵列触觉的一个 触觉单元
1.3 压阻式阵列触觉传感器
1.2 触觉传感器开关
气动式触觉传感阵列
1.2 触觉传感器开关
光电开关式触觉传感阵列
1.3 压阻式阵列触觉传感器
对于阵列触觉传感器．人们最关心的是阵列数、阵列密 度、灵敏度、柔软性、强固性等技术指标。
对于开关式触觉传感器，阵列密度难以提高。阵列数增加 时外接引线也是一个很大的问题。
利用敏感材料和硅工艺制作的阵列触觉可使阵列数及阵列 密度得到很大提高，并可减少外接引线，但缺乏应有的柔性， 很难安装到不同形状的通用应用载体(如手指)上。
新材料：各向异性的压阻材料如CSA、FSR等使得压 阻型触觉传感器的研究出现了勃勃生机。
注： CSA－碳毡
技术：微电子技术的发展，制造了高速的触觉采样与 控制电路，使触觉图像的采集与视频速率同步。
1.1 触觉传感器的一般要求
1.1.1 人体触 觉敏感
人的手有易抓 住物体、操纵物 体和确定物体的 许多物理特性。
在制作工艺上也有很大的改进：利用半导体集成工艺， 采样电路ASIC化、感压源信号直接与制作在底板上的 MOSFET（场效应晶体管）相联以获得高的输人阻抗 和较强的抗干扰能力，ASIC化采样电路使外接引线大 大减少。
注：ASIC－ (Application Specific Intergrated Circuits)专用集成电路
1.1 触觉传感器的一般要求
触觉传感器按传感原理基本上可以分为 开关式 压阻式 压电式 光电式 电容式 电磁式 其它
1.2 触觉传感器开关
开关是用于检测物体是否存在的一种最简单的 触觉制动器件。
工业上利用小型开关阵列形成一种价廉的触觉 传感器，外形大，空间分辨率低。
二值阵列触觉传感器，严重地限制触觉传感器 可提供的信息量。
1.1 触觉传感器的一般要求
原理；
注： PVDF－poly(vinylidene fluoride)聚偏二氟乙烯 PZT－ piezoecectric是压电的，压电陶瓷：锆钛酸铅(PbZrTiO3)
在有噪声激励的膜片上放置感压膜，当物体作用于感 压膜表面时，声阻抗发生变化的原理等。
第一章 触觉、滑觉传感器及人工皮肤触觉
触觉发展的基础：
覆盖皮肤表面的人体 毛发，除能保持人体 热量外，还有接近传 感器的功能：
毛发的触觉极敏感， 通过它可检测位移的 微小变化，借助毛发 腺胞周围的神经末梢 网络还可传递信号。
1.1 触觉传感器的一般要求
1.1.2 机器人触觉传感器应具备如下基本特征：
1) 传感器有很好的顺应件，并且耐磨。 2) 空间分辨率为1~2mm，这种分辨率接近人指的分辨率 (指人皮肤敏感分离两点的距离为1mm)。 3) 每个指尖有50~200个触觉单元(即5×10，10×20阵列 单元数)。 4) 触元的力灵敏度小于0.05N，最好能达到0. 01N左右。 5) 输出动态范围最好能达到1000：1。 6) 传感器的稳定性、重复性好，无滞后。 7) 输出信号单值，线性度良好。 8) 输出频响100Hz~1kHz。
二、压阻材料
在压阻式阵列触觉传感器中，最关键的构件是敏感材料 和电极。
理想的敏感材料应该是有高的压力动态范围，能承受较 大的过载，有柔性，重复性好，最好线性，滞后小，耐疲劳。
第一章 触觉、滑觉传感器及人工皮肤触觉
机器人触觉在机器人感觉系统中占有非常重要 的地位，它具有视觉等其他感觉无法实现的功 能。视觉借助光的作用完成，当光照受限制时， 仅靠触觉也能完成一些简单的识别功能。
更为重要的是，触觉还能感知物体的表面特征 和物理性能，如柔软性、硬度、弹性、粗糙度、 材质等，因此触觉传感器是机器人感觉系统中 最重要的研究课题之一。
这些功能都是 通过感觉特别是 触觉获得的信息 来实现的。
1.1 触觉传感器的一般要求
在机器人触觉敏感中，我们试图仿效人体触觉敏 感系统的某些功能。为此．要求掌握人体触觉敏感及 其功能的知识，但是，不可能短期内重现生物传感器 的功能。
生物系统的存在和人自身的触觉经验有助于发展 机器人触觉敏感。
人体有两Hale Waihona Puke Baidu感觉系统能与外部物体接触而产生反 应：
(1)内体感觉系统。该系统检测诸如手足关节角、肌肉打张 和肌肉拉紧等内部参量。机器人通过这些参量间接地与外 部物体接触；
(2)外体感觉系统。该系统出于皮肤表面温度和形状的改 变而产生反应，这些参量是直接接触外部物体的结果。
1.1 触觉传感器的一般要求
外体感觉传感 器系统的神经 末梢封闭在真 皮和表皮层之 间，它由许多 特种神经末梢 构成。
机器人触觉的原型是模仿人的触觉功能，通过触觉传感器 与被识物体相接触或相互作用来完成对物体表面特征和物 理性能的感知。
第一章 触觉、滑觉传感器及人工皮肤触觉
触觉传感器采用的原理： 用弹性机械触点和压阻硅橡胶制成的触觉传感器是最
早的触觉模型， 利用受压变形的介质引起两端电极电容变化的原理； 利用可视弹性膜与物体接触引起成像的原理； 各种压电材料(PVDF、PZT等)受压后引起电荷变化的
皮肤能直接响 应接触压力、 温度和疼痛。
1.1 触觉传感器的一般要求
除了疼痛信号外，当一个稳定刺激的强度随时间减小时， 所有的神经末梢呈现出适应性。
适应性的精确率影响每种感应器的频率响应。在冷水中浸 泡几分钟后，就不会感觉到水象开始时那样冷，这是因为 发出信号的神经末梢对温度已适应。温度由两类传感器传 递，一类对“冷”起反应，另一类则对“温暖”产生反应。
使用柔软的压阻敏感材料制作阵列触觉传感器是一个较好 的途径。
1.3 压阻式阵列触觉传感器
一、传感器结构
压阻式阵列触觉传感 器的基本结构是由相互 平行的电极构成触觉单 元的外接引线，上(行) 电极与下(列)电极相互 垂直，压阻材料放在中 间，行列电极的交叉点 定义为阵列触觉的一个 触觉单元
1.3 压阻式阵列触觉传感器
1.2 触觉传感器开关
气动式触觉传感阵列
1.2 触觉传感器开关
光电开关式触觉传感阵列
1.3 压阻式阵列触觉传感器
对于阵列触觉传感器．人们最关心的是阵列数、阵列密 度、灵敏度、柔软性、强固性等技术指标。
对于开关式触觉传感器，阵列密度难以提高。阵列数增加 时外接引线也是一个很大的问题。
利用敏感材料和硅工艺制作的阵列触觉可使阵列数及阵列 密度得到很大提高，并可减少外接引线，但缺乏应有的柔性， 很难安装到不同形状的通用应用载体(如手指)上。
新材料：各向异性的压阻材料如CSA、FSR等使得压 阻型触觉传感器的研究出现了勃勃生机。
注： CSA－碳毡
技术：微电子技术的发展，制造了高速的触觉采样与 控制电路，使触觉图像的采集与视频速率同步。
1.1 触觉传感器的一般要求
1.1.1 人体触 觉敏感
人的手有易抓 住物体、操纵物 体和确定物体的 许多物理特性。
在制作工艺上也有很大的改进：利用半导体集成工艺， 采样电路ASIC化、感压源信号直接与制作在底板上的 MOSFET（场效应晶体管）相联以获得高的输人阻抗 和较强的抗干扰能力，ASIC化采样电路使外接引线大 大减少。
注：ASIC－ (Application Specific Intergrated Circuits)专用集成电路
1.1 触觉传感器的一般要求
触觉传感器按传感原理基本上可以分为 开关式 压阻式 压电式 光电式 电容式 电磁式 其它
1.2 触觉传感器开关
开关是用于检测物体是否存在的一种最简单的 触觉制动器件。
工业上利用小型开关阵列形成一种价廉的触觉 传感器，外形大，空间分辨率低。
二值阵列触觉传感器，严重地限制触觉传感器 可提供的信息量。