如何选择合适的触觉传感器？

触觉是仅次于视觉的一种重要感知形式，是接触、冲击、压迫等机械刺激感觉的综合。触觉能保证机器人可靠地抓握各种物体，也能使机器人获取环境信息，感知物体的形状、软硬等物理性质，确定物体空间位置和姿态参数。

一般把检测、感知或直接接触外部环境而产生接触觉、接近觉、压觉、滑觉和力觉等信息的传感器称为机器人触觉传感器，如图5-14所示。

图5-14　机器人触觉传感器

机器人依靠接近觉来感知对象物体是否在附近，判断后手臂减速慢慢接近物体；依靠接触觉可知已接触到物体，控制手臂让物体位于手指中间，合上手指握住物体；用压觉控制握力；如果物体较重，则靠滑觉来检测滑动与否，修正设定的握力来防止物体滑动；利用力觉控制与被测物体自重和转矩相应的力，或举起、移动物体。另外，力觉传感器在旋紧螺母、轴与孔的嵌入等装配工作中也有广泛的应用。

1.机器人接触觉传感器

接触觉传感器检测机器人是否接触目标或环境，用于寻找物体或感知碰撞，例如感受是否抓住零件、是否接触地面等。

1）接触觉传感器的分类及工作原理

接触觉传感器主要有机械式、弹性式和光纤式三种。

（1）机械式传感器。

机械式传感器主要利用触点的接触与断开获取信息，通常采用微动开关来识别物体的二维轮廓。由于结构关系，机械式传感器感知元件无法形成高密度阵列。

图5-15所示的接触觉传感器由微动开关组成，其中图（a）所示为点式开关，图（b）所示为棒式开关，图（c）所示为缓冲器式开关，图（d）所示为平板式开关，图（e）所示为环式开关。用途不同，其配置也不同，一般用于探测物体的位置、探索路径和提供安全保护。这类结构属于分散装置结构，单个传感器安装在机械手的敏感位置上。

图5-15　接触觉传感器

（2）弹性式传感器。

弹性式传感器由弹性元件、导电触点和绝缘体构成。如采用导电性石墨化碳纤维、氨基甲酸乙酯泡沫、印制电路板和金属触点构成的传感器，碳纤维被压后与金属触点接触，开关导通。一般将多个弹性式传感器集成制作，形成阵列式接触传感器，用于测定自身与物体的接触位置、被握物体中心位置和倾斜度，甚至还可以识别物体的大小和形状。图5-16所示为一种二维阵列接触觉传感器的配置方法，一般放在机器人手掌的内侧。其中：1是柔软的电极；2是柔软的绝缘体；3是电极；4是电极板。图中柔软电极材料可以使用导电橡胶、浸含导电涂料的氨基甲酸乙酯泡沫或碳素纤维等材料。

图5-16　二维阵列接触觉传感器

如图5-17所示为一种PVF2（聚偏二氟乙烯）阵列式接触觉传感器。PVF2薄膜是一种新型压电材料，具有压电效应。被识别物体与薄膜接触的区域，产生对应的电荷，根据电荷的二维分布即可获得被测物的二维轮廓形状。

（3）光纤式传感器。

光纤式传感器包括一根由光纤构成的光缆和一个可变形的反射表面。光通过光纤束投射到可变形的反射材料上，反射光按相反方向通过光纤束返回。如果反射表面是平的，则通过每条光纤所返回的光的强度是相同的；如果反射表面已变形，则不同光纤反射的光强度不同。用高速光扫描技术进行处理，即可得到反射表面的受力情况。图5-18所示为触须式光纤接触觉传感器装置。

图5-17　PVF2阵列式接触觉传感器

图5-18　触须式光纤接触觉传感器装置

2）接触觉传感器的应用

图5-19所示为一个具有接触搜索识别功能的机器人。图5-19（a）所示为具有4个自由度（2个移动和2个转动）的机器人，由一台计算机控制，各轴运动是由直流电动机闭环驱动的。手部装有压电橡胶接触觉传感器，识别软件具有搜索和识别的功能。

（1）搜索过程。

机器人有一扇形截面柱状操作空间，手爪在高度方向进行分层搜索，对每一层可根据预先给定的程序沿一定轨迹进行搜索。如图5-19（b）所示，搜索过程中，假定在位置①遇到障碍，则手爪上的接触觉传感器就会发出停止前进的指令，使手臂向后缩回一段距离到达位置②。如果已经避开了障碍物，则再前进至位置③，又伸出到位置④处，再运动到位置⑤处与障碍物再次相碰。根据①⑤的位置计算机就能判断被搜索物体的位置。再按位置⑥、位置⑦的顺序接近就能对搜索的目标物进行抓取。

图5-19　具有接触搜索识别功能的机器人

（2）识别过程。

图5-20所示为用一个配置在机械手上的由3×4个触觉元件组成的表面阵列触觉传感器引导随机搜索的示意图，识别对象为一长方体。假定机械手与搜索对象的已知接触目标模式为X*，机械手的每一步搜索得到的接触信息构成了接触模式Xi，机器人根据每一步搜索，对接触模式X1，X2……不断计算、估计，调整手的位姿，直到目标模式与接触模式相符合为止。

图5-20　用表面阵列触觉传感器引导随机搜索的示意图

每一步搜索过程由三部分组成：

①接触觉信息的获取、量化和对象表面形心位置的估算；

②对象边缘特征的提取和姿势估算；

③运动计算及执行运动。

要判断搜索结果是否满足形心对中、姿势符合的要求，则还可设置一个目标函数，要求目标函数在某一尺度下最优，用这样的方法可判断对象的存在与否和位姿情况。

2.机器人接近觉传感器

接近觉传感器一般用来感知物体的靠近。接近觉一般用非接触式测量元件，如霍尔效应传感器、电磁式接近开关、光学接近传感器或超声波传感器作为感知元件。

目前广泛使用的接近觉传感器可分为5种：电磁式（感应电流式）、光电式（光反射或透射式）、电容式、气压式和超声波式，如图5-21所示。

图5-21　接近觉传感器分类

1）电磁式接近觉传感器

在一个线圈中通入高频电流，就会产生磁场，这个磁场接近金属物时，会在金属物中产生感应电流，也就是涡流，该线圈因此称为激励线圈。涡流大小随对象物体表面与激励线圈的距离而变化，这个变化反过来又影响激励线圈内磁场强度。磁场强度可用另一组检测线圈检测出来，也可以根据激励线圈本身电感的变化或激励电流的变化来检测。图5-22所示为电磁式接近觉传感器的工作原理。这种传感器的精度比较高，而且可以在高温下使用。由于工业机器人的工作对象大多是金属部件，因此电磁式接近觉传感器应用较广，在焊接机器人中可用它来探测焊缝。

图5-22　电磁式接近觉传感器工作原理

2）光电式（光反射或透射式）接近觉传感器

光电式接近觉传感器一般指光反射式，其原理（见图5-23）是：光源发出的光经发射透镜射到物体，经物体反射并由接收透镜会聚到光电器件上；若物体不在感知范围内，则光电器件无输出。光电式接近觉传感器的应答性好，维修方便，测量精度高，目前应用较多，但其信号处理较复杂，使用中可能受到环境光的干扰。

图5-23　光电式接近觉传感器工作原理

1—光电器件；2—接收透镜；3—物体；4—发射透镜；5—光源

3）电容式接近觉传感器

电容式接近觉传感器可以检测任何固体和液体材料，外界物体靠近这种传感器会引起其电容量变化，由此反映距离信息。检测电容量变化的方案很多，最简单的方法是，将电容作为振荡电路的一部分，只有在传感器的电容值超过某一阈值时振荡电路才起振，将起振信号转换成电压信号输出，即可反映是否接近外界物体，这种方案可以提供二值化的距离信息。另一种方法是，将电容作为受基准正弦波驱动电路的一部分，电容量的变化会使正弦波发生相移，且二者成正比关系，由此可以检测出传感器与物体之间的距离。

图5-24所示为极板电容式接近觉传感器工作原理。

图5-24　极板电容式接近觉传感器工作原理

1—极板①；2—绝缘板；3—接地屏蔽板；4—极板②

4）气压式接近觉传感器

气压式接近觉传感器由一根细的喷嘴喷出气流，如果喷嘴靠近物体，则内部压力会发生变化，这一变化可用压力计测量出来。图5-25（a）所示为其工作原理，图5-25（b）所示曲线表明了被测气压与距离d之间的关系。它可用于检测非金属物体，尤其适用于测量微小间隙。

图5-25　气压式接近觉传感器工作原理及测量曲线

5）超声波式接近觉传感器

（1）超声波式接近觉传感器的定义。

超声波是一种振动频率（20 k Hz以上）高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生。超声波具有频率高、波长短、绕射现象小、方向性好，能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透性强，尤其是在不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射进而形成反射回波，当碰到活动物体时发生多普勒效应。基于超声波特性研制的传感器称为超声波式接近觉传感器（简称超声波传感器），可以利用发射脉冲和接收脉冲的时间间隔推算出距离。超声波传感器广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

（2）超声波传感器的工作原理。

超声波传感器工作原理如图5-26所示。超声波在弹性介质中的机械振荡有两种形式：横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波）。在工业应用中主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，但传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中衰减。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播时衰减较慢，且传播较远。超声波在空气中传播时频率较低，一般为几十千赫兹，而在固体、液体中则频率较高。利用超声波的特性，可做成各种超声波传感器，并配上不同的电路，可制成各种超声测量仪器及装置，它们广泛应用在通信、医疗、家电等领域。

图5-26　超声波传感器工作原理

超声波传感器（见图5-27）的主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能将机械振荡转变成电能，所以它可分成发送器和接收器。有的超声波传感器既能作发送器，也能作接收器。

图5-27　超声波传感器

超声波传感器由超声波发送器、超声波接收器、控制电路与电源部分组成。超声波发送器由激励电路和压电陶瓷换能器组成，换能器能够产生超声波，并定向发射。超声波接收器由压电陶瓷换能器与放大电路组成，压电陶瓷换能器接收到超声波后，产生机械振动，将其变换成电能，从而实现对发送的超声波的检测。实际使用中，用作超声波发送器的压电陶瓷器与超声波接收器压电陶瓷器的性能一样。控制电路部分主要对超声波发送器发出的脉冲频率、占空比、频率调制和计数，以及探测距离等进行控制。(www.xing528.com)

（3）超声波传感器的应用。

超声波传感器常用于移动机器人，比如服务机器人、巡逻机器人、物流机器人等，用来进行环境感知、测距、避障等。在无人机上使用超声波传感器，可测距、辅助悬停和着陆。图5-28所示是一款安装了超声波传感器的移动机器人，该超声波传感器用于测距和避障。3.机器人压觉传感器

图5-28　安装了超声波传感器的移动机器人

压觉传感器实际是接触觉传感器的延伸，用来检测机器人手指握持面上承受的压力大小及分布情况。目前压觉传感器的研究重点在阵列型压觉传感器的制备和输出信号处理上。压觉传感器根据工作原理来分，有压阻型、光电型、压电型、压敏型等。

1）压阻型压觉传感器

利用某些材料的内阻随压力变化而变化的压阻效应制成压阻器件，将其密集配置成阵列，即可检测压力的分布，如压敏导电橡胶和导电塑料等。图5-29所示为压阻型压觉传感器的基本结构。

图5-29　压阻型压觉传感器的基本结构

1—导电橡胶；2—硅橡胶；3—感压膜；4—条形电极；5—印制电路板

2）光电型压觉传感器

图5-30所示为光电型阵列压觉传感器的结构示意图。当弹性触头受压时，触杆下伸，发光二极管射向光敏二极管的部分光线被遮挡，于是光敏二极管输出随压力变化而变化的电信号。通过多路模拟开关依次选通阵列中的感知单元，并经A/D转换器（analog to digital converter，模数转换器）转换为数字信号，即可感知物体的形状。

图5-30　光电型阵列压觉传感器的结构示意图

1—发光二极管；2—光敏二极管；3—触杆；4—弹性触头

3）压电型压觉传感器

利用压电晶体等压电效应器件，可制成类似于人类皮肤的压电薄膜来感知外界压力。其优点是耐腐蚀、频带宽和灵敏度高等，缺点是无直流响应、不能直接检测静态信号。

4）压敏型压觉传感器

利用半导体力敏器件与信号调理电路可集成压敏型压觉传感器。其优点是体积小、成本低、便于与计算机连接，缺点是耐压负载差、不柔软。

4.机器人滑觉传感器

机器人在抓取不知属性的物体时，其自身应能确定最佳握力的给定值。当握力不够时，要能检测被握紧物体的滑动，利用该检测信号，在不损坏物体的前提下，考虑最可靠的夹持方法，实现此功能的传感器称为滑觉传感器。滑觉传感器可以检测垂直于握持方向物体的位移、旋转、由重力引起的变形等，以便修正握力，防止抓取物的滑动。滑觉传感器主要用于检测物体接触面之间相对运动的大小和方向，判断是否握住物体，以及应该用多大的握力等。当机器人的手指夹住物体时，物体在垂直于握力方向的平面内移动，需要进行的操作有：抓住物体并将其举起；夹住物体并将其交给对方；手臂移动时加速或减速。

机器人的握力应满足物体既不产生滑动而握力又为最小临界握力。如果能在刚开始滑动便立即检测出物体和手指间产生的相对位移，且增加握力就能使滑动迅速停止，那么该物体就可用最小的临界握力抓住。

检测滑动的方法有以下几种：

①根据滑动时产生的振动检测，如图5-31（a）所示；

②把滑动的位移变成转动，检测其角位移，如图5-31（b）所示；

③根据滑动时手指与对象物体间动、静摩擦力来检测，如图5-31（c）所示；

④根据手指压力分布的改变来检测，如图5-31（d）所示。

图5-31　检测滑动的方法

1）测振式滑觉传感器

图5-32所示是一种测振式滑觉传感器。传感器尖端是一个直径为0.05 mm的钢球，测量时钢球与被测物体接触，被测物体的振动通过钢球、经过杆件传递给磁铁；磁铁振动会导致线圈中产生交变电流，即可获得与被测物体振动相应特点的测试信号。在传感器中设有阻尼橡胶圈和油阻尼器，以避免两次测量之间的干扰。

2）柱型滚轮式滑觉传感器

图5-33所示为一种柱型滚轮式滑觉传感器。滑轮安装在机器人手指上（见图5-33（a）），其表面稍突出手指表面。滑轮表面贴有高摩擦系数的弹性物质，比如橡胶薄膜。用弹簧将滑轮固定，确保滑轮与物体紧密接触，并使滑轮不产生纵向位移。滑轮内部安装了圆盘光栅、发光二极管、光电三极管（见图5-33（b）），当滚球转动时，圆盘光栅随之转动，光电三极管即可获得滚球的转动信号。

图5-32　测振式滑觉传感器

1—阻尼橡胶圈；2—钢球；3—油阻尼器；4—线圈；5—磁铁；6—输出信号线

图5-33　柱型滚轮式滑觉传感器

1—滑轮；2—弹簧；3—夹持器；4—物体；5—滚球；6—橡胶薄膜；7—发光二极管；8—圆盘光栅；9—光电三极管

3）球形滑觉传感器

图5-34所示为机器人专用球形滑觉传感器。它主要由金属球和触针组成，金属球表面分成许多个相间排列的导电和绝缘小格。触针的触头很细，每次只能触及一格。当工件滑动时，金属球也随之转动，在触针触头上输出脉冲信号。脉冲信号的频率反映了滑移速度，脉冲信号的个数对应滑移的距离。球面上的导电和绝缘小格的面积往往控制得很小，以提高检测分辨力。球与被握物体相接触，无论滑动方向如何，只要球一转动，传感器就会产生脉冲输出。该球体在冲击力作用下不转动，因此抗干扰能力强。

4）振动式滑觉传感器

滚轮式滑觉传感器只能检测一个方向的滑动；球形滑觉传感器用球代替滚轮，可以检测各个方向的滑动；振动式滑觉传感器和滚轮式滑觉传感器一样，也只能检测一个方向的滑动。振动式滑觉传感器工作原理为：表面伸出的触针能和物体接触，物体滚动时，触针与物体接触而产生振动，这个振动由压电传感器或磁场线圈结构的微小位移计检测。磁通量振动式滑觉传感器和光学振动式滑觉传感器的工作原理分别如图5-35（a）、（b）所示。

图5-34　球形滑觉传感器

图5-35　振动式滑觉传感器工作原理

从机器人对物体施加力的大小看，握持方式可分为以下三类。

（1）刚力握持。机器人手指用一个固定的力，通常是用最大可能的力握持物体。

（2）柔力握持。根据物体和工作目的不同，使用适当的力握持物体。握力可变或可自适应控制。

（3）零力握持。可握住物体，但不用力，即只感觉到物体的存在。这种握持方式主要用于探测物体、探索路径、识别物体的形状等。

5.机器人的力觉传感器

力觉是指对机器人的指、肢和关节等运动中所受力或力矩的感知。主要包括：腕力觉、关节力觉和支座力觉等，根据被测对象的负载，可以把力觉传感器分为测力传感器（单轴力传感器）、力矩表（单轴力矩传感器）、手指传感器（检测机器人手指作用力的超小型单轴力传感器）和六轴力觉传感器。

机器人作业是一个机器人与周围环境的交互过程。作业过程有两类：一类是非接触式的，如弧焊、喷漆等，基本不涉及力；另一类是通过接触才能完成的，如拧螺钉、点焊、装配、拋光、加工等。目前视觉和力觉传感器已用于非事先定位的轴孔装配，其中，视觉传感器完成大致的定位，装配过程靠孔的倒角作用不断产生的力反馈得以顺利完成。又如高楼清洁机器人，它在擦干净玻璃时，显然用力不能太大也不能太小，这要求机器人作业时具有力控制功能。当然，机器人力觉传感器不仅仅用于上面描述的机器人末端执行器与环境作用过程中发生的力测量，还可用于机器人自身运动控制过程中的力反馈测量、机器人手爪抓握物体时的握力测量等。

通常将机器人的力觉传感器分为以下三类。

（1）装在关节驱动器上的力觉传感器称为关节力传感器。它测量驱动器本身的输出力和力矩，用于控制中的力反馈。

（2）装在末端执行器和机器人最后一个关节之间的力觉传感器称为腕力传感器。腕力传感器能直接测出作用在末端执行器上的各向力和力矩。

（3）装在机器人手爪指关节上（或指上）的力觉传感器称为指力传感器。它用来测量夹持物体时的受力情况。

机器人的这三种力觉传感器依其不同的用途有不同的特点。关节力传感器用来测量关节的受力情况，信息量单一，传感器结构也较简单，是一种专用的力觉传感器。指力传感器一般测量范围较小，同时受手爪尺寸和质量的限制，在结构上要求小巧，也是一种较专用的力觉传感器。腕力传感器从结构上来说是一种相对复杂的传感器，它能获得手爪三个方向的受力，信息量较多，又由于其安装的部位在末端操作器与机器人手臂之间，比较容易形成通用化的产品。

图5-36所示为Draper实验室研制的六维腕力传感器的结构。它将一个整体金属环周壁铣成按120°周向分布的三根细梁。其上部圆环上有螺孔与手臂相连，下部圆环上的螺孔与手爪连接，传感器的测量电路置于空心的弹性构架体内。该传感器结构比较简单，灵敏度较高，但六维力（力矩）的获得需要解耦运算，传感器的抗过载能力较差，较易受损。

图5-36　Draper实验室研制的六维腕力传感器

图5-37所示为SRI（Stanford Research Institute）研制的六维腕力传感器。图5-37（a）所示是SRI腕力传感器结构简图，图5-37（b）所示是SRI腕力传感器应变片连接方式。SRI腕力传感器由一只直径为75 mm的铝管铣削而成，具有八根窄长的弹性梁，每一根梁的颈部开有小槽，使颈部只传递力，扭矩作用很小。

图5-37　SRI研制的六维腕力传感器

图5-38所示为一种非径向中心对称三梁腕力传感器，传感器的内圈和外圈分别固定于机器人的手臂和手爪上，力沿与内圈相切的三根梁进行传递。每根梁的上下、左右各贴一对应变片，这样，三根梁共粘贴六对应变片，分别组成六组半桥，对这六组电桥信号进行解耦，可得到六维力（力矩）的精确解。这种力觉传感器结构有较大的刚度，最先由卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University，CMU）提出。在我国，华中科技大学也曾对此结构的传感器进行过研究。

图5-38　非径向中心对称三梁腕力传感器

力觉传感器根据力的检测方式不同，可以分为：

（1）检测应变或应力的应变片式，应变片力觉传感器被机器人广泛采用；

（2）利用压电效应的压电元件式；

（3）用位移计测量负载产生的位移的差动变压器、电容位移计式。

在选用力觉传感器时，首先要特别注意额定值，其次在机器人通常的力控制中，力的精度意义不大，重要的是分辨率。

在机器人上实际安装使用力觉传感器时，一定要事先检查操作区域，清除障碍物。这对实验者的人身安全、对保证机器人及外围设备不受损害，有重要意义。