回顧在生物醫學工程中應用的觸覺傳感器

1.簡介

身為人類我們利用視覺，觸覺，味覺，嗅覺和聽覺這些感官受體，作為一種手段來感受周圍環境并周圍環境交互。利用這些感覺中的一個或者多個，人類將從環境中察覺到新未被定義的事物。例如，作為人類，我們可以執行靈巧的任務，如可以靈活的拿起一個雞蛋是理所當然的。當拿到雞蛋，雞蛋的形狀，溫度，紋理，顏色和大小通過感受器傳輸的我們的大腦。如果施加的力太小，雞蛋那就會滑走。反之，如果所施加的力太大了，雞蛋就會碎掉。精確的力的施加和力的反饋能夠使我們拿住雞蛋。此外，雞蛋的物理屬性的先驗知識，如它的重量和脆弱性也集成到操作處理中去。如果同樣的任務要使用用機器人來實現的，那么類似于人類去探索和互動的對象所提供必要反饋是至關重要。作為一個機器操作者，它不可能理解我們人類的操作物體的先驗知識，所以準確的感覺反饋更加重要。

1.1什么是觸覺傳感器

本文回顧了觸覺傳感器設計領域的仿真研究。觸覺傳感器是通過身體的接觸來獲得觸覺信息的一種傳感器。可以測得物體性質如溫度，振動，柔軟，質地，形狀，組成，邊緣和普通的接觸力。觸覺傳感器可以測量一個或更多的這些特性。雖然壓力和扭矩傳感通常不包括在觸覺感知的定義中，壓力和扭矩是重要的屬性，通常通過身體的接觸獲得，并可作為觸覺參數。

1.2觸覺傳感器的應用范圍

觸覺傳感器的應用相當成熟，已經有了30年的歷史了。早期的研究者如哈蒙，發現了觸覺傳感器在機器人領域應用潛力巨大。有趣的是哈蒙認為觸覺傳感不適合在醫學和農業這些技術難度大回報低的領域。同時，其他研究者如內文斯和惠特尼也排除了觸覺傳感器在被動檢測中的應用需要。在21世紀觸覺傳感器被設想具有能開發出更多智能的產品和系統從而改善人類生活的潛力。其中應用最多的是醫療領域和工業自動化領域。作者認為觸覺傳感器的應用更廣泛，主要內容將會總結在表6。然而這份調查報告顯示，它并沒有很大的進入到它的目標市場中去，直到90年代。觸覺傳感器的重要性在其他傳感器的襯托下更顯著，比如用視覺傳感器作為例子，它可能不是最佳的傳感器選擇，尤其是在非結構化或空間有限的情況下，后文將作詳細論述。雖然在過去的三十年里認識到了觸覺傳感器的重要性并投入了精力去發展，但是仍然沒有設計出一個匹配人的觸覺的一個觸覺傳感器，因此也阻礙了機器人和微創手術領域的進步。

1.3早期的技術

力和觸覺的反饋研究是現在一個多學科的事業。觸覺傳感器的綜合調查在過去就已經進行了并且有很多文獻資料。觸覺的機器人和機電一體化遙感應用進行了綜述和文獻報道的。2000年，李發表了簡短而綜合的觸覺傳感技術的回顧，并分析了拖延的工業和消費市場接受這種技術的原因。艾特比和翰威特研究觸覺傳感系統微創外科技術并重申了這一特定領域的觸覺傳感器的重要性。雖然很多書籍在機器人相關的應用里提到了觸覺傳感器，但是并沒有單獨講解觸覺傳感器的書。有幾個出版的關于觸覺傳感器的書值得關注。維特爾斯在他的書中演示了如何用觸覺傳感器來模仿人類的皮膚。Dargahi Najarian在2009年發布了一本傳感器在醫學界最全面的書。這本書包含了人類觸覺感知的基礎，及傳感技術在生物醫學工程領域的應用。通過比較以前對觸覺傳感技術的評價：本文擴展了以前的評價；將重點放在當前國家的最先進的學科；觸覺傳感器研究發展趨勢；突出的挑戰；必須克服的內容；還討論了運營優勢和不同的觸覺傳感器的設計缺陷的原則。除了先前提到的領域的應用，我們也提出了該技術在其他方面的應用，如在休閑體育，航空航天，領域。接下來我們概述下常用的觸覺傳感器的應用。

2.傳導觸摸技術

常用的觸覺傳導技術是基于電容式，壓阻式，熱阻，歸納，壓電，磁和光學法這些原理。很好確立的是這些相關的技術原理都擁有不同優缺點。在一般情況下電容式，壓阻式，壓電式，感應式和光學方法設計的觸覺傳感器擁有很多潛在的優越性和實用性，往往是設計者的首選傳感器。本章節將會簡略的回顧這些傳感器的優缺點。

2.1電容式觸覺傳感器

電容式傳感器由兩個導電片和介質層構成。其中平行板的電容c可以表示為C=（AeOer）/d。其中c是電容，eO是自由空間的介電常數，er是介質材料的相對介電常數和D板之間的距離。電容式觸覺傳感器通常表現出良好的頻率響應，這些傳感器是更容易受到噪聲的干擾，特別是在一個網格配置中，因為存在串擾噪聲，場的相互作用和邊緣電容，所以需要增加相對復雜的電路來濾除這種噪聲。

2.2壓阻式觸覺傳感器

壓阻式傳感器由壓敏傳感器所構成，應對不同大小的施加力其電阻大小也不同。一個簡單的電阻元件的電壓電流特性可以表示為V=IR；其中V的電壓，I是電流和R是材料的電阻。通常電壓（或電流）的特性是固定的，當電阻的變化時通過電流（或電壓）也發生變化。為了觀察變化通常需要一個電阻元件如彈性體形式的導電橡膠，或是壓力敏感導電油墨。這些材料一般發生很小的電阻變化就能量化，所以容易制造和整合。相比于電容式傳感器，他們不受噪聲影響，因此在網格配置中沒有相聲或場的相互作用。電阻式觸覺傳感器受到滯后，因此有一個較低的頻率響應時間。

2.3壓電式觸覺傳感器

壓電式觸覺傳感器采用一些特別的晶體還有陶瓷材料制作而成，其發生形變就會產生電壓電位的變化。晶體的靈敏度取決于它的結構，還有其所允許的橫向力，縱向力，切割面的力。電壓V的變化正比于對其所施加的力。這些傳感器具有很好的高頻響應，這使得他們成為振動測量的理想選擇；然而，由于其大的內部阻力，只能有限的測量動態力，而且無法測量的靜態力。在傳感器的設計中，接口電路的輸入阻抗必須被視為顯著影響器件的響應。

2.4感應式觸覺傳感器

其原理是初級線圈的感應磁場使次級感應線圈產生感應現象。什么叫調制線圈之間的互感現象？通過改變在一個線性可變差動變壓器的鐵芯長度，從而調節了幅度和在地感線圈測量電壓的相位。這種傳感器具有很高的動態范圍和堅固的結構，但其體積笨重，而且會產生低空間分辨率的陣列。由于其機械性質，這種傳感器有較低的可重復性，線圈不會每次都回到相同的位置。由于這種傳感器在初級線圈中使用交流電流，在相同的頻率下會產生一個輸出電壓，他們需要使用比普通電阻式觸覺傳感器更復雜的電子交流信號來解調幅度。