第4章　柔性三维触觉传感器的结构研究

4.1　概述

通过第3章的分析可以看出，目前触觉传感器的研究主要集中于实现传感器的柔性化和多维力的检测。在柔性化研究方面，部分研究者采用柔性敏感材料来实现触觉传感器的“类皮肤”，并通过敏感单元结构的创新性设计来增强传感器本身的柔性。

尽管研究者利用柔软的敏感材料以及整体性的结构实现了触觉传感器的柔性，但该传感器仅局限于单维压力的检测，无法获取水平切向力信息，因此不能满足智能机器人特别是仿生机器人对于多维力检测的需求。此外，作者仅仅介绍了橡胶阻值随压力大小的变化趋势，并没有对其压阻数学模型作深入研究，因此对传感器的测力原理分析不足，传感器的精度基本依赖于后期的标定，这无疑提高了对传感器标定实验的要求。

中科院智能机械研究所的沈春山曾提出一种基于压敏导电橡胶的网状结构三维阵列触觉传感器设计思想^［1］，如图4-1所示。+V_ref1、+V_ref2和+V_ref3引线位于上表面，其他引线位于下表面，其中下表面的引线是5行4列，行列位于不同层，上下表面之间布满导电橡胶。为了分析方便，作者限定了几个假设前提：

①只考虑图中显示出的导线间的电阻值；

②在不受外力时，上述电阻值为R₀；

③力的加载只在上表面的电极处，例如o点，并且力加载所引起变化的电阻只是与该点相邻的四个，即R_oa，R_ob，R_oc和R_od；

④两点间的电阻值完全取决于两点之间的距离；

⑤o点与a点之间的长度为l；

⑥计算电阻时，忽略a点与a1点之间的距离，点a和a1分别位于下层的行和列上。

通过简单的数学建模，作者给出了传感器的输出电压信号与输入力信息之间的关系式如下：

图4-1　网状结构三维力触觉传感器阵列设计

实际使用中可以通过标定来确定输入力信息与输出的电压信息之间的关系，可简单表示为

f_x=f_x（M2_out，M3_out，N2_out，N3_out）

f_y=f_y（M2_out，M3_out，N2_out，N3_out）

f_z=f_z（M2_out，M3_out，N2_out，N3_out）

作者并没有对具有该结构的传感器检测原理等内容作深入分析，且传感器设计中存在多处不够完善的前提假设以及许多待解决的关键性问题，因而不能实际应用于测量三维力。但是，作者提出的这种柔性多维力传感器的设计思想为触觉传感器的设计提供了一种新思路，受此启发，本文基于柔性力敏导电橡胶设计了一种具有整体多层结构的触觉传感器，并对结构进行不断改进与完善，使得研究的触觉传感器能够在具有“类皮肤”柔性的同时实现三维力检测功能。

关于导电橡胶的导电机理及其力敏特性在第3章作了详细介绍，研究现状表明导电橡胶是一种有滞环、非线性的导电材料，且不具有理想的稳定性和可重复性，因此基于导电橡胶实际性能的传感器受力求解面临很多的困难，甚至无法进行测量。基于这样的考虑，本文提出的传感器设计思路是基于理想导电橡胶的力学特性，对材料的部分性能作出有依据的假设。