現代傳感技術——觸覺傳感器

1、Tactile sensors 觸覺傳感器觸覺傳感器 11S101030目 錄一、一、Introduction and Classification三、三、 Applicationv touch sensorv Force - torque tactile sensorv pressure sensorv slip sensor二、二、Principles outlinedIntroductionBiomimetic sensorTactile sensor用于機器用于機器人中模仿人中模仿觸覺功能觸覺功能的傳感器的傳感器Classificationv touch sensorv Force -

2、 torque tactile sensorv pressure sensorv slip sensorPrinciples outlinedtouch sensor 用以判斷機器人用以判斷機器人( (主要指四肢主要指四肢) )是否接是否接觸到外界物體或測量被接觸物體的特征的觸到外界物體或測量被接觸物體的特征的傳感器。傳感器。接觸覺傳感器有微動開關、導電橡膠、接觸覺傳感器有微動開關、導電橡膠、含碳海綿、碳素纖維、氣動復位式裝置等含碳海綿、碳素纖維、氣動復位式裝置等類型。類型。Micro Switch由彈簧和觸頭構成。觸頭接觸外界物體后離開基板，造成信號通路斷開，從而測到與外界物體的接觸。優(yōu)點是

3、使用方便、結構簡單，缺點是易產生機械振蕩和觸頭易氧化。Conductive rubber 它以導電橡膠為敏感元件。當觸頭接觸外界物體受壓后，壓迫導電橡膠，使它的電阻發(fā)生改變，從而使流經導電橡膠的電流發(fā)生變化。 優(yōu)點是具有柔性。 缺點是由于導電橡膠的材料配方存在差異，出現的漂移和滯后特性也不一致Carbon sponge 它在基板上裝有海綿構成的彈性體，在海綿中按陣列布以含碳海綿。接觸物體受壓后,含碳海綿的電阻減小,測量流經含碳海綿電流的大小，可確定受壓程度。這種傳感器也可用作壓力覺傳感器。 優(yōu)點是結構簡單、彈性好、使用方便。 缺點是碳素分布均勻性直接影響測量結果和受壓后恢復能力較差。Carbo

4、n fiber 以碳素纖維為上表層，下表層為基板，中間裝以氨基甲酸酯和金屬電極。接觸外界物體時碳素纖維受壓與電極接觸導電。 優(yōu)點是柔性好，可裝于機械手臂曲面處 缺點滯后較大Pneumatic reset 它有柔性絕緣表面，受壓時變形，脫離接觸時則由壓縮空氣作為復位的動力。與外界物體接觸時其內部的彈性圓泡(鈹銅箔)與下部觸點接觸而導電。 優(yōu)點是柔性好、可靠性高 缺點是需要壓縮空氣源用于測量機器人自身或與外界相互作用而產生用于測量機器人自身或與外界相互作用而產生的力或力矩的傳感器。的力或力矩的傳感器。它通常裝在機器人各關節(jié)處。剛體在空間的運它通常裝在機器人各關節(jié)處。剛體在空間的運動可以用動可以用

5、6 6個坐標來描述，例如用表示剛體質心個坐標來描述，例如用表示剛體質心位置的三個直角坐標和分別繞三個直角坐標軸旋位置的三個直角坐標和分別繞三個直角坐標軸旋轉的角度坐標來描述。可以用多種結構的彈性敏轉的角度坐標來描述。可以用多種結構的彈性敏感元件來敏感機器人關節(jié)所受的感元件來敏感機器人關節(jié)所受的 6 6個自由度的力個自由度的力或力矩，再由粘貼其上的應變片將力或力矩的各或力矩，再由粘貼其上的應變片將力或力矩的各個分量轉換為相應的電信號。個分量轉換為相應的電信號。Force - torque tactile sensor常用彈性敏感元件的常用彈性敏感元件的形式有十字交叉式、三形式有十字交叉式、三根豎

6、立彈性梁式和八根根豎立彈性梁式和八根彈性梁的橫豎混合結構彈性梁的橫豎混合結構等。左圖中為豎梁式等。左圖中為豎梁式 6 6自由度力傳感器的原理。自由度力傳感器的原理。在每根梁的內側粘貼張在每根梁的內側粘貼張力測量應變片，外側粘力測量應變片，外側粘貼剪切力測量應變片，貼剪切力測量應變片，從而構成從而構成 6 6個自由度的個自由度的力和力矩分量輸出。力和力矩分量輸出。測量接觸外界物體時所受壓力和壓力分測量接觸外界物體時所受壓力和壓力分布的傳感器。它有助于機器人對接觸對象布的傳感器。它有助于機器人對接觸對象的幾何形狀和硬度的識別。的幾何形狀和硬度的識別。壓覺傳感器的敏感元件可由各類壓敏材壓覺傳感器的敏

7、感元件可由各類壓敏材料制成，常用的有壓敏導電橡膠、由碳纖料制成，常用的有壓敏導電橡膠、由碳纖維燒結而成的絲狀碳素纖維片和繩狀導電維燒結而成的絲狀碳素纖維片和繩狀導電橡膠的排列面等。橡膠的排列面等。pressure sensor下圖是以壓敏導電橡膠為基本材料的壓覺傳感器。在導電橡下圖是以壓敏導電橡膠為基本材料的壓覺傳感器。在導電橡膠上面附有柔性保護層，下部裝有玻璃纖維保護環(huán)和金屬電極。膠上面附有柔性保護層，下部裝有玻璃纖維保護環(huán)和金屬電極。在外壓力作用下，導電橡膠電阻發(fā)生變化在外壓力作用下，導電橡膠電阻發(fā)生變化, ,使基底電極電流相應使基底電極電流相應變化變化, ,從而檢測出與壓力成一定關系的電

8、信號及壓力分布情況。從而檢測出與壓力成一定關系的電信號及壓力分布情況。通過改變導電橡膠的滲入成分可控制電阻的大小。例如滲入石通過改變導電橡膠的滲入成分可控制電阻的大小。例如滲入石墨可加大電阻，滲碳、滲鎳可減小電阻。通過合理選材和加工墨可加大電阻，滲碳、滲鎳可減小電阻。通過合理選材和加工可制成高密度分布式壓覺傳感器。這種傳感器可以測量細微的可制成高密度分布式壓覺傳感器。這種傳感器可以測量細微的壓力分布及其變化，故有人稱之為壓力分布及其變化，故有人稱之為“人工皮膚人工皮膚”。用于判斷和測量機器人抓握或搬運物體用于判斷和測量機器人抓握或搬運物體時物體所產生的滑移。它實際上是一種位時物體所產生的滑移。

9、它實際上是一種位移傳感器。移傳感器。按有無滑動方向檢測功能可分為無方向按有無滑動方向檢測功能可分為無方向性、單方向性和全方向性三類。性、單方向性和全方向性三類。slip sensor 無方向性傳感器有探針耳機式，它由藍無方向性傳感器有探針耳機式，它由藍寶石探針、金屬緩沖器、壓電羅謝爾鹽晶寶石探針、金屬緩沖器、壓電羅謝爾鹽晶體和橡膠緩沖器組成?；瑒訒r探針產生振體和橡膠緩沖器組成。滑動時探針產生振動，由羅謝爾鹽轉換為相應的電信號。緩動，由羅謝爾鹽轉換為相應的電信號。緩沖器的作用是減小噪聲。沖器的作用是減小噪聲。單方向性傳感器有滾筒光電式，被抓物單方向性傳感器有滾筒光電式，被抓物體的滑移使?jié)L筒轉動，導致光敏二極管接體的滑移使?jié)L筒轉動，導致光敏二極管接收到透過碼盤（裝在滾筒的圓面上）的光收到透過碼盤（裝在滾筒的圓面上）的光信號，通過滾筒的轉角信號而測出物體的信號，通過滾筒的轉角信號而測出物體的滑動?；瑒?。 全方向性傳感器采用全方向性傳感器采用表面包有絕緣材料并構表面包有絕緣材料并構成經緯分布的導電與不成經緯分布的導電與不導電區(qū)的金屬球。當傳導電區(qū)的金屬球。當傳感器接觸物體并產生滑感器接觸物體并產生滑動時，球發(fā)生轉動，使動時，球發(fā)生轉動，使球面上的導電與不導電球面上的