3.4.2　力敏导电橡胶在触觉传感器中的应用

力敏导电橡胶作为一种新型的力敏材料，除了具备良好的力学性能之外，还具有柔性好、易成型以及成本低等优点，可用作柔性触觉传感器的敏感材料。目前基于力敏导电橡胶研制的触觉传感器多数是利用了橡胶材料的柔性、导电性和压阻特性，已有的研究成果多数仅具有柔性和正压力检测功能，对于水平切向力的检测鲜见报道。

西安交通大学的田疆等人^［6］利用导电橡胶的压阻特性，设计并制作了一种触觉传感器阵列。传感器的核心是各向异性的导电橡胶，该材料在水平方向是绝缘的，而在垂直方向具有压阻效应，导电橡胶结构如图3-12（a）所示，传感器系统的结构如图3-12（b）所示。

图3-12　导电橡胶结构及传感器系统结构

杭州电子工业学院的罗志增等人研制了一种基于导电橡胶的高分辨率阵列触觉传感器^［7，8］。该传感器的设计中最关键的是蜂窝状、微单元间隔离的导电橡胶敏感材料的制作，该材料水平方向绝缘，而垂直方向具有压阻特性，制作的敏感材料结构如图3-13（b）所示。图中白色为绝缘橡胶，黑色为导电橡胶。该传感器具有较好的实时性，通过对触觉图像的处理可获知被操作物体的滑移等信息。

图3-13　传感器结构及敏感材料结构

东京大学Shimojo.M等人于2002年用压敏导电橡胶研制了一种可以穿戴于机器人手指上的触觉手指套^［9］，如图3-14。该触觉传感器的结构设计非常独特，以类似“穿针引线缝制式”的引线方式将导线穿插于导电橡胶上下表面，行列导线彼此垂直交叉却互不相交，行列导线交点处形成了待检测的压敏电阻。

图3-14　基于压敏导电橡胶的“缝制式”触觉传感器

以上介绍的触觉传感器均是基于导电橡胶的体压阻效应，这也是目前主流的研究方向。除此之外，也有研究者基于力敏导电橡胶的界面压阻效应设计触觉传感器。如合肥工业大学的黄英等人设计了一种能测量三维力的新型机器人柔性触觉传感器^［10］。传感器敏感单元结构如图3-15（a）所示，在柔性印刷电路板（PCB）上制作三个扇形的导电区域a、b、c和一个圆形导电区域d。压敏导电橡胶用导电银胶紧密粘接在柔性电路板上。中间的圆面d作为公共电极，扇面a、b、c和圆面d之间的电阻分别是R₁、R₂、R₃。为了检测三维力，敏感单元上方设置一半球形传感头，如图3-15（b）所示，传感头用质地较硬的聚乙烯材料制成，主要用于力的传递，忽略其自身的变形。当传感头受力后，压敏导电橡胶发生与受力成正比的形变，界面电阻R₁、R₂、R₃随之发生相应的变化，通过数学的分析方法，可根据这三个电阻的变化求解出三维力信息。该传感器具有设计简单，造价低廉，柔顺性好等优点，可用于医疗、体育、机器人等领域中三维力的检测^［11］。

图3-15　传感器敏感单元结构及半圆形传感头