触觉传感器
机器人的触觉广义上可获取的信息是:接触信
息;狭小区域上的压力信息;分布压力信息;力和力
矩信息;滑觉信息。这些信息分别用于触觉识别和触
觉控制。从检测信息及等级考虑，触觉识别可分为点
信息识别、平面信息识别和空间信息识别三种。
1接触觉传感器
(1)单向微动开关
当规定的位移或力作用到可动部分(称为执行
器)时，开关的接点断开或接通而发出相应的信号。
为保证传感器的敏感度，执行机构可在4 -7N力的
作用下产生动作，其中销键按钮式敏感度最高。
图27.5-8是单向微动开关的原理示意图。它由
滑柱、弹簧、基板和引线构成。当接触到外界物体
时，由于滑柱的位移导致电路的“通”或“断”，从
而输出逻辑信号1或0。这种开关的结构简单、使用
方便，但必须保证其工作可靠性和接触物体后受力的
合理性。过大作用力可能会损坏开关。微动开关的安
装位兰应防止工作空间内物体事故性碰撞。
图27.5-9表示一个具有5指机械手及其安装于
手上的开关系统。各开关共用一条地线。在图的左部
表示未抓握的状态。5个开关均断开，5个放大器轴
人端均为高电平，即处于逻辑1状态。而图的右部则
为3个手指抓住一个积木块。因此，相应手指开关
F1、f1及f2接地，变为逻辑0信号。显而易见，如果
采用更多的徽动开关，可判断出物体的大致形状。
(2)接近开关
非接触式接近传感器有高频振荡式、磁感应式、
电容感应式、超声波式、气动式、光电式、光纤式等
多种接近开关。
光电开关是由LED光源和光电二极管或光电三
极管等光敏元件，相隔一定距离而构成的透光式开
关。当充当基准位里的遮光片通过光撅和光敏元件间
的缝隙时，光射不到光敏元件上，而起到开关的作
用。光接受部分的电路已集成为一个芯片，可以直接
得到TTL输出电平。光电开关的特点是非接触检测，
精度可达0.5mm左右。
(3)触须传感器
触须传感器结构简图如图27.5-10a所示，由须
状触头及其检侧部构成，触头由具有一定长度的柔性
软条丝构成，它与物体接触所产生的有曲由在根郁的
检测单元检测。与昆虫的触角功能一样，触须传感器
的功能是识别接近的物体，用于确认所设定的动作的
结束，以及根据接触发出回避动作的指令或搜索对象
物的存在。
图27.5-10b所示是机器人脚下安装的多个触须
传感器，依据接通传感器的个数可以检侧脚登在台阶
上的不同程度。
如在手爪的前端及内外侧面，相当于手掌心的部
分装设接触觉传感器，通过识别手爪上接触物体的位
置，可使手爪接近物体并且准确地完成把持动作。
2触觉传感器阵列
人类的触觉能力是相当强的。人们不但能够拣起
一个物体，而且不用眼睛也能识别它的外形，并辨别
出它是什么东西。许多小型物体完全可以靠人的触觉
辨认出来，如螺钉、开口销、圆销等。如果要求机器
人能够进行复杂的装配工作，它也需要具有这种能
力。采用多个接触传感器组成的触觉传感器阵列是辨
认物体的方法之一。目前，已经研制成功一种能够在
机器人手指端部固定的单片式触觉传感器阵列，它由
256个接触传感器组成。在计算机程序控制下。它能
够辨认出各种紧固零件，如螺母、螺栓、平垫圈、夹
紧垫圈、定位销和固定螺钉等。手指端部安装的传感
器阵列接触物体时，把感觉信息输人计算机进行分
析，确定物体的外形和表面特征。应当注意的是，尽
管这里的处理过程与视觉系统很相似，但是它们是有
区别的。触觉能够确定三维结构，它的问题更复杂一
些。图27.5-11是一种触觉传感器阵列在压力作用下
导体电阻的变化区域示例。
在接触阵列中，采用了两种导体元件:一块柔软
的印制电路板和一片各向异性的导体硅橡胶(ACS) ,
ACS具有可在导体平面内存在各个方向上导电的性
能。印制电路板上装有许多电容器(PC),它们都和
ACS的导电方向相垂直，这样就形成了由许多压力传
感器组成的阵列，印制电路板和ACS的每个横断面
上都有一个压力传感器。当接触压力解除时，为了把
两层导体推开，还需要有一个弹性分离层。采用编织
网状的尼龙套作为弹性层具有很好的传感性能和拉伸
性能。
图27.5-12表示了触觉传感器阵列的结构情况。
其中导电硅橡胶(ACS)采用夹有石墨或银的多层硅
橡胶制成，PC1和PC2必须和ACS相接触。从PC1和
PC2上引出的导线，把传感器的信息送给计算机。每
个坐标方向布置16根导线，总共有32根导线，可构
成256个传感器组成的阵列。
图27.5-13是传感器阵列检测电路。各列输入端
为高电位，各行输出端接地。当某一传感器接通时，
测量输出电流。输出电流的大小代表了传感器在压力
作用下的电阻值。对各列各行依次进行检测，就能够
测量出各交叉点的电阻。这种方法的特点是它不需要
在交叉点上使用二极管。这也是防止检测结果出错的
常用方法。
超大规模集成(VLSI)计算传感器阵列是一种
新型的触觉传感器，它采用大规模集成技术，把若干
个传感器和计算逻辑控制元件制造在同一个基体上。
在传感器阵列中，感觉信号是由导电塑料压力传感器
检测输人的，每个传感器都有单独的逻辑控制元件。
接触信息的处理和通信等功能都由VLSI基体上的计
算逻辑控制元件完成。
配备在每个小型传感器单元上的计算元件相当于
一台简单的徽型计算机，如图27.5-14所示。它包括
一个模拟比较器(1 bitA/D )、一个数据锁存器、一个
加法器、一个6位位移寄存器累加器、一个指令寄存
器和一个双相时钟发生器。由一个外部控制计算机通
过总线向每个传感器单元发出指令。指令用于控制所
有的传感器和计算单元，包括控制相邻传感器计算元
件之间的通信。
VLSI计算单元具有下列功能:0用各个传感器
单元对被测对象的局部压力值进行采样;②储存感觉
信息;③和邻近单元进行数据交换;④进行数据计
算。
为了分析测量结果，必须对感觉数据进行数学分
。每个VLSI计算单元可以并行地进行各种分析计
，例如卷积计算及与视觉图像处理相类似的计算处
，因此，VLSI触觉传感器具有较高的感觉输出速
析算理度
要获得较满意的触觉能力，触觉传感器阵列在每
个方向上至少应该装上25个触觉元件，每个元件的
尺寸不超过1 mm2，这样才能接近人手指的感觉能力，
完成那些需要定位、识别及小型零件搬运等复杂任
务。它对传感器的结构要求比较严格.但对速度要求
不太高。这是因为机械手臂的操作响应时间为5-
20ms，而固体电路的工作速度一般为。或Ws级。所
以，有时可以通过放宽对速度的要求来满足结构上的
要求。
3滑觉传感器
滑觉传感器是检测垂直加压方向的力和位移的传
感器。如图27.5-15a所示，用手爪抓取处于水平位且
的物体时，乎爪对物体施加水平压力，如果压力较小，
垂直方向作用的重力会克服这个压力使物体下滑。
把物体的运动约束在一定面上的力，即垂直作用
在这个面的力称为正压力N。面上有康攘时，还有摩
擦力F作用在这个面的切线方向阻止物体运动，其
大小与正压力N有关。静止物体将要运动时，设AO
为静摩擦因数，则F≤μ0N( F=μON称为最大摩擦
力)，设动摩擦因数为拼，则运动时F=μN。
假定物体的质盆为。，重力加速度为g，把图
27.5-15a中的物体看做是处于滑落状态，则手爪的把
持力f为了把物体束缚在手爪面上，垂直作用于手爪
面的把持力l相当于正压力N0当向下的重力mg比
最大摩擦力5of大时.物体滑落。重力mg =μ0f时的
力fmin=mg/u0称为最小把持力。
可以用压力传感器阵列作为滑觉传感器，检测感
知特定点的移动。当图27.5-15a上把持的物体是圆
柱时，国形的压觉分布重心移动时的情况如图27.5-
15b所示。
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