2.3.6 触觉传感器的发展趋势
触觉传感技术的研究始于20世纪70年代，在四十多年的发展历程中，国内外的科研人员在传感器工作机理的研究、敏感材料的开发、传感器的结构设计、触觉图像的处理等多方面都做了大量的工作，并取得了巨大的成就。综合分析目前国内外的研究现状来看，触觉传感器的研究表现出如下几方面的发展趋势。
（1）柔性化研究
所谓触觉传感器的柔性化是指传感器从物理特性上具有类似人体皮肤的柔软性，可以制作在任意的载体表面完成接触力的测量，不会受到接触面积和形状的限制。近几年来，研究人员在触觉传感器的柔性化研究方面取得了不少成果，主要分为三大类。
第一类是将刚性传感器安装在柔性材料内部。目前普遍采用的柔性材料有聚偏二氟乙烯（PVDF）和硅橡胶等，对于整个传感器系统来说，柔性材料的作用是传递力信息或者作为保护层，而传感器的敏感单元却是刚性的。
日本九州大学的KouMurakami等人将刚性的六维力传感器置于柔性硅橡胶内部，研制了一种新型柔性敏感触觉手指［19］，如图2-15所示。
图2-15 柔性敏感触觉手指
该类型的传感器尽管其表面为柔性的，但由于受到刚性敏感单元的限制，传感器一般很难随意实现弯曲变形，无法满足实用柔性化的要求。
第二类是利用柔性材料将刚性的敏感单元组合起来实现整个传感器的柔性化。这种类型传感器的典型结构如图2-16所示。图2-16是台湾大学Y.J.Yang等人设计的8×8阵列的温度和触觉传感器［20］。日本东京大学的Takayuki Hoshi等人研制了一种柔软、可延展的大面积机器人皮肤，见图2-17，由信号传输“桥”、电容式触觉传感单元以及外部柔软的绝缘层组成［21］。
图2-16 集成式8×8阵列的温度和触觉触感器［20］
图2-17 机器人皮肤
东京大学工程学院的Takao Someya等人采用晶体管制作成一种柔性的大面积阵列式压力和温度传感器［22］，见图2-18。
图2-18 晶体管阵列式压力和温度传感器［22］
韩国国家技术科学院Jin-Seok Heo等人利用光纤布拉格光栅（FBG）传感技术研究了一种3×3阵列的柔性触觉传感器，采用柔性硅橡胶材料将所有敏感单元组合起来［23］，见图2-19。
图2-19 基于光纤布拉格光栅传感技术和柔性硅橡胶的触觉传感器［23］
2008年加拿大的科学家研制了一种基于电容式传感单元的柔性触觉阵列传感器，依靠柔性的硅橡胶衬底保证传感器的柔性，可以应用在光滑的物体曲面上完成测力功能［24］，见图2-20。
图2-20 基于电容式传感单元的柔性触觉传感器［24］
这种类型的传感器大多数是利用微机械电子系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS）工艺，将各类敏感元件及电子线路嵌入到一张柔性电路板上制作而成，制作工艺较为复杂，成本较高，难以实现商用化。
第三种类型的触觉传感器直接采用柔性材料作为敏感材料，如具有压阻特性的压敏导电橡胶和具有压电特性的PVDF材料。
澳大利亚学者R.Andrew Russell利用压敏导电橡胶作为敏感材料设计了柔性触觉传感器［25］，可用于机器人的柔顺抓取，如图2-21所示。当有外力作用时，传感器通过检测导电橡胶的电阻值变化来分析获取受力信息。
图2-21 基于压敏导电橡胶的柔性触觉传感器
2007年日本产业技术综合实验所基于电阻抗成像技术EIT（Electrical Impedance Tomography）设计了一种柔性触觉传感器［26］。通过接通已知电压来测量体表电流，或者注入已知电流来测量体表电压，利用所测量的电流、电压值，依照设计的重建算法，计算出传感器内部在电场作用下所呈现的阻抗分布，利用计算机断层成像技术获得压敏导电橡胶的形变信息，最终获得受力值。如图2-22和图2-23所示。
图2-22 基于电阻抗成像技术的传感器伸展受力实验结果［26］
图2-23 肘部拉伸性实验
加拿大康哥迪亚大学Sedaghati.R等人利用聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜设计了应用于内窥镜检查的压电式触觉传感器［27，28］，图2-24为该触觉传感器的结构。
图2-24 基于聚偏二氟乙烯的压电式触觉传感器
此外，清华大学的金观昌等人利用导电橡胶成功研制了251点阵的人体足底压力分布测量系统［29］。重庆大学秦岚等人提出利用导电橡胶的压阻特性设计阵列式触觉传感服装的设想，并通过实验研究取得了一定的成果［30］。
（2）多维力检测
目前大多数的触觉传感器成果主要是通过检测目标物体对传感器的正向压力信息来识别物体的形状及其他各项性能，但在实际应用中，传感器与物体接触时，不仅仅只有正向压力的作用，X、Y两个切向力的作用也是不容忽视的。若想全面地获取目标物体的各项性能参数，就必须要求触觉传感器能够检测X、Y、Z三个方向的作用力，因此，三维力的检测已经逐渐成为触觉传感器研究的一个重要方向。
重庆大学的乔生仁等人利用光波导原理进行了三维力触觉传感器技术的研究，该传感器灵敏度高，易于推广应用［31］；韩国延世大学的Eun-Soo Hwang等人将金属应变计放置于柔性的聚酰亚胺和聚乙烯聚合体之间来检测三维力［32，33］。
2006年日本东京大学Kentaro Noda等人在柔性橡胶材料内嵌入八悬臂式结构的敏感单元，利用其压阻特性测量三维力信息［34］。日本国家先进工业科学和技术研究所Yoji Yamada等同样是在硅橡胶内埋入柔性光纤作为敏感单元，利用硅橡胶变形产生的压力作用于敏感单元上，达到测量多维力的目的［35］。
（3）微型化及多功能化
随着触觉传感技术的发展，触觉传感器在很多新领域得到了广泛的应用，对触觉传感器的外形和功能也相应地有了更高的要求，特别是在各种要求精确操作的复杂环境下，触觉传感器必须兼具微型化和多功能化的特点。
天津大学的李源等人利用微纳米加工技术研制了用于微结构几何量测量的MEMS三维微触觉传感器，并对其性能进行了测试，实验证明微纳米技术的发展为触觉传感器的微型化提供了有力的技术支持［36］，此外，具备不同功能的微型触觉传感器目前已经大量地安装在具有各种功用的机器人手爪上，以帮助机器人完成各项复杂的手爪操作行为。
2004年日本东京大学的Takao Someya等研制了一种可以同时测量压力和温度信息的柔性电子皮肤，在传感器内部置入测量压力的晶体管阵列和测量温度的晶体管阵列，用添加了石墨的聚合物作为覆盖层来保证电子皮肤的柔软性［37］。
2006年，美国科学家研制了一种具有多层结构的合成皮肤，皮肤的最外层为毛皮织物，中间层为合成硅树脂材料，内层置入了多个触觉和温度传感器［38］。
（4）主动触觉传感器
主动触觉是相对于被动触觉而言的，被动触觉通过触觉传感器与目标物体的静态接触来被动地获取局部而单一的触觉信息，而主动触觉则是一种模仿人类主动触摸目标物体来获取多种信息的感知方式，是由运动机构带动末端执行器上的触觉传感器，以特定的空间运动方式与目标物接触并作相对运动，同时采集信息。被动触觉转向主动触觉之后，整个主动触觉识别过程就变为触觉传感器、位置传感器、控制系统以及探索程序相协调的系统过程。它表明触觉传感器的研究在不断提高单体性能的同时，已经逐步演变为触觉系统的概念。
宾夕法尼亚大学的Bajcsy和他的同事们提出了主动式接触传感（Active Tactile Sensing）技术［39］，假定接触式传感需要主动去接触物体，以识别目标物体的形状以及其他物理性能。物体的性能参数可以直接从传感数据推导得出，然后将这些参数分解为一系列预先定义的动作模式。实验证明，物体的多种特性，如灵活性、弹性、柔韧性和温度等都可以通过安装有相应传感器和易于控制的末端受动器获取，同时，物体的几何和表面形状等也可以由末端受动器测出。