柔性橡胶膜触觉传感器及其应用研究

应用本章的知识，航天五院的曹哲研究员与北京协和医院张雪怡医师共同设计研发了一种新型的触觉传感器，用来实现“末端”的触觉感知功能。图11.16中给出了该触觉传感器对对“垂直力”和“水平力”的测试结果^[3]。

图11.16　受力测试结果。(a)垂直力和水平力的测试示意图。(b)三维推拉力计显示为1 N，上位机实时画面显示存在垂直按压的作用力。(c)施加向左2 N的摩擦力，上位机实时画面显示存在向左的按压作用力。

该技术可以用来为航天员的舱外宇航服、宇航手套提供助力。航天员出舱活动时，大量操作需要手部完成，手部易疲惫。助力手套通过“感知/驱动”的方法，采集手部动作后，驱动手套完成相应动作，降低手部疲惫程度，提升航天员的工作效率。研究适用于手部的触觉传感器，是研发助力手套的重要内容。

这方面的早期工作可以追溯到MIT的Gelsight传感器，它具有柔软的弹性体接触面，它可以直接测量其垂直和横向变形，这与测量对象的确切形状和接触面上的张力相对应，接触力和滑动也可以从传感器的变形中推断出来，然而该方法需要多组光源，且判断方法复杂。我们对Gelsight传感器做了相应的简化，使用柔性橡胶薄膜来取代弹性硅胶介质，通过设计光流算法，实现了测量末端运动的触觉传感器。触觉传感器由三部分硬件组成，包括：

图11.17　软件总体方案的系统框图。(www.xing528.com)

•LED灯环绕的微距摄像头；

•固体支架；

•作有标记的薄膜。

图11.17所示的是：软件总体方案的系统框图。

图11.18中给出了部分实验测试结果。手指按压在触觉传感器上，上位机的实时画面中显示出存在相应方向的按压作用力。薄膜上方的手指的触摸和运动，会导致微距摄像头“观测”到薄膜上方的黑点发生形变和位移。光流算法和无源导航技术用以估计出薄膜的运动，进而推测手指的（大致）运动方向。

较之于硅胶，薄膜具有更大的弹性，因此，具有更高的灵敏度，能够更好地估计手指的运动方向。