触觉传感器

触觉传感器(Tactile sensor)是一种测量与其环境的物理交互所产生的信息的设备。 触觉传感器通常在皮肤接触的生物感之后建模,其能够检测由机械刺激,温度和疼痛引起的刺激(尽管疼痛感测在人造触觉传感器中不常见)。 触觉传感器用于机器人,计算机硬件和安全系统。 触觉传感器的常见应用是在移动电话和计算机上的触摸屏设备中。

触觉传感器可以是不同类型的,包括压阻式,压电式,电容式和弹性传感器。

这些传感器可以收集以下信息:

被触摸物体的位置,形状和方向
接触区域的力和方向

导热体和被触摸体的绝对温度
纹理和表面湿度
硬度

分类

触觉力传感器
电阻矩阵 – 平行电极的两个垂直平面,通过压阻材料彼此分开。 阵列的点在垂直电极的交叉点处定义。
磁阻触觉传感器
带压电层的触觉传感器
使用红外辐射的触觉传感器

敏感的触觉传感器
触觉传感器,带导电橡胶层
电容式触觉传感器
光电触觉传感器
使用偶极矩的触觉传感器

用途
触觉传感器出现在日常生活中,例如电梯按钮和通过触摸底座变暗或变亮的灯。 触觉传感器也有无数的应用,大多数人从未意识到这些应用。

测量非常小的变化的传感器必须具有非常高的灵敏度。 传感器需要设计为对测量值的影响很小; 使传感器更小通常可以改善这一点,并可能带来其他优点。 触觉传感器可用于测试所有类型应用的性能。 例如,这些传感器已用于制造汽车(制动器,离合器,门封,垫圈),电池层压,螺栓连接,燃料电池等。

触觉成像作为医学成像模态,将触觉转化为数字图像是基于触觉传感器。 触觉成像非常类似于手动触诊,因为在临床检查期间,具有安装在其面部上的压力传感器阵列的装置的探针与人的手指类似,通过探针使软组织变形并检测压力模式的结果变化。

设计用于与需要处理的物体相互作用的机器人涉及精确,灵巧或与不寻常物体的相互作用,需要在功能上等同于人类触觉能力的感觉装置。 已经开发出用于机器人的触觉传感器。 当机器人开始抓住物体时,触觉传感器可以通过提供附加信息来补充视觉系统。 此时视力不再足够,因为物体的机械性能不能仅通过视觉来确定。 确定重量,质地,刚度,质心,摩擦系数和热导率需要物体相互作用和某种触觉传感。

在战争和工程中的机器人中使用了几类触觉传感器

压力传感器阵列
压力传感器阵列是大型的Tactels网格。 “tactel”是一种“触觉元素”。 每个tactel都能够检测法向力。 基于Tactel的传感器提供接触表面的高分辨率“图像”。 除了空间分辨率和力敏感性之外,诸如布线和信号路由之类的系统集成问题也很重要。 压力传感器阵列有薄膜形式。 它们主要用作工程师和技术人员在制造和研发过程中使用的分析工具,并已适用于机器人。 可供消费者使用的这种传感器的实例包括由导电橡胶,锆钛酸铅(PZT),聚偏二氟乙烯(PVDF),PVDF-TrFE,FET和金属电容传感元件构成的阵列。

应变计Rosettes
应变计玫瑰花结由多个应变计构成,每个应变计检测特定方向的力。 当来自每个应变仪的信息被组合时,该信息允许确定力或扭矩的模式。

生物启发的触觉传感器
已经提出了各种生物学启发的设计,从简单的胡须状传感器,一次只测量一个点,通过更先进的指尖传感器,到完整的皮肤传感器,如最新的iCub(需要引用)。 生物启发的触觉传感器通常包含多种传感策略。 例如,它们可以检测压力的分布,以及来自压力传感器阵列和应变仪玫瑰花结的力的模式,允许两点辨别和力感测,具有类似人的能力。

生物学设计的触觉传感器的高级版本包括振动传感,其被确定为理解触觉传感器与传感器在物体上滑动的物体之间的相互作用是重要的。 现在,这种相互作用被理解为对于人类工具的使用和判断物体的纹理是重要的。 一种这样的传感器结合了力感测,振动感测和热传递感测。

DIY和开放式硬件触觉传感器
最近,一种先进的触觉传感器已经成为开放式硬件,使爱好者和业余爱好者能够尝试昂贵的技术。 此外,随着廉价光学相机的出现,已经提出了新颖的传感器,其可以使用3D打印机容易且廉价地构建。