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电子皮肤触觉传感器研究进展与发展趋势
资料介绍
从介绍人类皮肤的触觉感知性能出发,全面综述了国际上多学科领域模拟人类皮肤的电子皮肤触觉传感器研究进展与关键技术;分析讨论了电子皮肤触觉传感器的工作原理、新型材料和结构、先进设计制作方法、触觉传感特性和性能指标等方面内容;重点总结了国内外近年来在电子皮肤阵列触觉传感器柔性化、弹性化、空间分辨率、灵敏度、快速响应、透明化、轻量化和多功能化等方面的研究进展.指出了电子皮肤触觉传感器的研究依然存在着难以兼顾高柔性和高弹性、高灵敏度电子皮肤设计制作工艺复杂,可扩展性差和成本高等技术难题.电子皮肤触觉传感器可广泛应用于机器人、医疗健康、航空航天、军事、智能制造和汽车安全等领域,正朝着高柔弹性、宽量程的高灵敏度、多功能、自愈合与自清洁、自供电与透明化等方向发展.
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Jan． 2017
49
1
期
第
卷
第
哈
尔
滨
工
业
大
学
学
报
2 0 1 7
1
月
年
JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
j．issn．
DOI: 10．11918/
0367-6234．2017．01．001
电子皮肤触觉传感器研究进展与发展趋势
1，2
1，3
1
4
1
1
，
， ， ， ，
缪存孝 尹海斌 李维奇 夏 飞
曹建国
周建辉
( 1．
，
北京科技大学 机械工程学院 北京
100083; 2．
，
加州大学圣地亚哥分校 雅各布斯工学院 圣地亚哥
92093;
3．
，
华北理工大学 迁安学院 河北 唐山
064400; 4． ， 430070)
武汉理工大学 机电工程学院 武汉
: ，
要 从介绍人类皮肤的触觉感知性能出发 全面综述了国际上多学科领域模拟人类皮肤的电子皮肤触觉传感器研究进展
摘
; 、 、 、
与关键技术 分析讨论了电子皮肤触觉传感器的工作原理 新型材料和结构 先进设计制作方法 触觉传感特性和性能指标等
; 、 、 、 、 、 、
方面内容 重点总结了国内外近年来在电子皮肤阵列触觉传感器柔性化 弹性化 空间分辨率 灵敏度 快速响应 透明化 轻
． 、
量化和多功能化等方面的研究进展 指出了电子皮肤触觉传感器的研究依然存在着难以兼顾高柔性和高弹性 高灵敏度电子
， ． 、 、
皮肤设计制作工艺复杂 可扩展性差和成本高等技术难题 电子皮肤触觉传感器可广泛应用于机器人 医疗健康 航空航天
、
、 ， 、 、 、 、
军事 智能制造和汽车安全等领域 正朝着高柔弹性 宽量程的高灵敏度 多功能 自愈合与自清洁 自供电与透明化等方向
．
发展
关键词 电子皮肤 传感器 柔弹性 触觉 仿生机器人
: TP212 : A : 0367 6234( 2017) 01 0001 13
文章编号
:
;
;
;
;
－
－
－
中图分类号
文献标志码
Research progress and development strategy on tactile sensors for e-skin
1，2
1，3
1
4
1
1
CAO Jianguo ，ZHOU Jianhui ，MIAO Cunxiao ，YIN Haibin ，LI Weiqi ，XIA Fei
( 1． School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China;
2．Jacobs School of Engineering，University of California-San Diego，San Diego 92093，USA;
3．Qianan College，North China University of Science and Technology，Tangshan 064400，Hebei，China;
4．School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)
Abstract: Starting from the tactile sensing performance of human skin，the progress and key technologies of tactile
sensors for e-skin ( electronic skin) akin to human skin by multidisciplinary fields are comprehensively reviewed．
The sensing principle，new materials and structures，advanced design and making methods，sensing characteristics
and performance of tactile sensors are analyzed． The recent domestic and foreign research advances of electronic
skin tactile sensor array in flexibility，elasticity，spatial resolution，sensitivity，fast response，transparency，
lightweight，multifunction and other aspects are summarized． It is difficult to achieve the tactile sensors for e-skin
with high stretchable and flexible，less complex production process for high sensitivity e-skin，strong extensibility
and low cost． The tactile sensors for e-skin can be widely used in robotics，medical health，aeronautics and space
military，intelligent manufacturing，automotive security and other fields． The development of tactile sensors for e-
skin toward the direction of high stretchable and flexible，high sensitivity in wide range，multifunction，self-healing
and self-cleaning，self-powered and transparent，has been pointed out．
Keywords: e-skin; sensor; stretchable and flexible; tactile; bionic robot
“ 、 ，
随着信息化 工业化不断融合 以机器人科技
，
和可穿戴设备等载体的智能化和多功能化 受到了
”，
为代表的智能产业蓬勃兴起 人们期待未来能够
， ，
多学科研究人员的高度重视 符合未来发展需求 近
－
［1 2］
．
研发出与人和生物更加接近的仿人仿生机器人
《Science》
年受到 等国际著名科学期刊的持续广泛
，
当前 机器人技术的发展特点和趋势是智能化以及
，
关注和积极评价 成为当今国际学术研究的热点问
［3］
－
［4 7］
．
人与机器人的交互共融
传感器技术是机器人智
Tactile
．
题之一
，
能化 的 先 决 条 件 电 子 皮 肤 触 觉 传 感 器
触觉是机器人等实现与环境直接作用的必需媒
［4］
－
Sensor for E Skin
作为非常重要的可穿戴设备之
， ，
介 触觉本身有很强的敏感能力 可直接测量对象和
， 、 、
一 直接关系到下一代机器人 医疗设备 人体假肢
．
环境的多种性质 触觉传感器的研究从严格的工业
、 ，
领域到与人 社会接触等多领域 根据传感器本身的
－ －
: 2016 03 02
收稿日期
: ( 201308110343) ;
基金项目 国家留学基金委公派高级研究学者项目
、 ，
软 硬包覆层和覆盖应用范围 触觉传感器通常可分
－
－ －
( FRF BR 15 038A)
中央高校基本科研业务费专项
［8］
3
:
1
( Hard skins)
类是硬质皮肤 触觉传感
为
类
第
:
作者简介 曹建国
( 1971—) ，
， ，
教授 博士生导师
男
:
通信作者 曹建国
，geocao@ ustb．edu．cn
， / 、 、
器 主要有力 力矩传感器 力敏电阻传感器 加速度
·2·
49
卷
哈
尔
滨
工
业
大
学
学
报
第
［4，17］
．
计和变形传感器等 这类硬质皮肤通常包含多个触
．
人的触觉主要通过
其中触觉的感知尤为重要
，
觉传感器 通过多传感器的均值来提供比单一传感
4
分布在皮肤不同深度的大量机械刺激感受器中的
－
［23 25］
．
器更好的测量分辨率 如西班牙加泰罗尼亚技术大
(
1( a) )
:
表层皮肤中
种触觉感受器 见图
的迈斯纳小体和皮肤深层的环层小体均为快速适应
3 ～ 40 Hz
感知
，
学的工业机器人 手臂上安装这种有触觉传感器的
、
硬质皮肤可用来检测碰撞 测量接触力和接触位置
，
感受器 前者可快速响应
低频动态范围窄
［9］
［10］
;
，
的外界刺激 实现低频振动和运动检测与握力控制
等
哈尔滨工业大学蔡鹤皋院士等 在弧焊机器
+
3 ，
人上应用该类触觉系统可检测 个方向的力 完成
;
等感觉功能 后者可快速响应
40 ～500 Hz
高频动态
;
三维 空 间 焊 缝 的 自 我 示 教 日 本 早 稻 田 大 学 的
，
范围宽的外界刺激 实现高频振动和工具使用等感
－
52 DoF
WENDY
6
手臂上安装了 轴力
/
; ，
觉功能 与之相对的是 分布于全身表皮基底细胞之
仿人机器人
( 6 ) ，
力矩传感器 每个手臂 个 和力敏电阻传感器 可
间的一种具短指状突起的默克尔细胞和位于真皮内
， 、
检查接触状态和位置 以及接触力的大小 方向和持
，
的长梭形的鲁菲尼小体均是慢适应感受器 前者可
［11］
，
续时间 并能同时测量多个接触
，
0．4～3．0 Hz 、
低频动态范围窄的空间变形 持
但空间分辨率
慢响应
2
，
受到限制 一般大于
100 mm ．
2
， 、 ，
续的压力 曲面 边缘甚或尖角等外界刺激 实现模
第
类是近年国际上
［8］
( Soft Skins)
/ ;
式 形态检测与纹理感知等感觉功能 后者可慢响应
重点研究的柔性皮肤
( Artificial Skin)
或人工皮肤
+
( Electronic Skin)
100～500 Hz
、
高频动态范围宽的持续向下的压力
或电子皮肤
触觉传
－
［4，12 22］
－
［4，12 15］
．
，
横向皮肤拉伸和皮肤滑动等外界刺激 实现手指位
感器
电子皮肤触觉传感器
被定义为
(
能够通过接触表征出被测物体的性质 表面形貌
、
、 、
置 稳定抓取 切向力和运动方向等感觉功能
．
) ( 、 )
重量等 或数值化接触参量 力 温度等 的设备或
1234
． ，
系统 电子皮肤触觉传感器 又名新型可穿戴仿生
， “ ” ，
触觉传感器 是贴在 皮肤 上的电子设备 因而习
!"
564
－
［18 19］
，
( Sensitive
惯性地被称为电子皮肤
或敏感皮肤
()*+
MNO#$
Skin) 、
智 能 皮 肤
( Smart Skin) 、 ( Bionic
仿 生 皮 肤
#$"
!"#$
－
［4，13 19］
Skin)
．
电子皮肤触觉传感器大多被排列成
等
%&’#$
%!"
,-./0
，
矩阵组成阵列触觉传感器 电子皮肤阵列触觉传感
)#!,
&’(789:;)(<=>?@
&-(EFGCHIJKL
)*+,
，
器的空间分辨率可达到毫米级 接近人类的皮肤
．
ABCD
、
由于电子皮肤触觉传感器可覆盖于机器人 医疗设
1
图
人体皮肤
，
备与人体假肢等复杂的三维载体表面 并准确感知
Fig．1 Human skin
， 、 、
周围环境的各种信息 成为机械 电子 仪器和医学
，
人类皮肤非常直观可见 人们往往易忽视其复
． 3
等领域的研究热点之一 第 类是内接触式触觉传
． 、 、
杂性 如皮肤中默克尔细胞 迈斯纳小体 鲁菲尼小
， ，
感器 用来检测机器人各部分的状态 而不是检测被
4
体和环层小体等 种触觉感受器的空间分辨率分别
+
+
，
测对象周围的外部信息 其表面没有任何的覆盖和
0．5、3．0～4．0、7．0
10．0 mm，
和 且人体各部位触觉
为
， / ，
皮肤保护 如工业机器人手臂关节 力矩传感器 在
．
感受器分布密度差异大 比如成年人的指尖和手掌
－
2
非人机交互领域如工业结构环境下已完善应用多
241
58 cm ，
触觉感受器 使得人体
心分别分布了
和
， ，
年 其不足之处就是可提取的触觉信息相当有限 如
， 、
各部位的空间分辨率差异显著 自指尖 面部和脚趾
［8］
．
空间分辨率相当低且接触位置难以确定
为了覆
、 ，
等到大腿 腹部的空间分辨率由最高下降到最低 比
，
盖机器人等复杂的三维表面和活动的关节部位 电
1 mm
如指尖和腹部的空间分辨率分别接近
和大于
通过心理
［24］
［26］
子皮肤阵列触觉传感器通常还必须具有高柔性与高
30 mm
．
Cody
英国曼彻斯特大学 等
，
弹性等 美日等发达国家和我国近年均投入了巨大
:
物理学实验量化发现 手腕背表面的空间分辨率高
－
［4 9］
，
的人力与物力 至今仍是研究的重点与难点
，
电
，
于手和前臂的其它部位 肢体轴线横向比纵向的空
，
子皮肤触觉传感器研发需要综合运用多学科知识
，
间分辨率更高 这种效应可能来自于一阶触觉感觉
、 、 、 、
以满足机器人 医疗健康 航空航天 军事 智能制
;
单元及其高阶投射神经元的感受场的不对称性 美
［27］
、
造 汽车安全和手机与电脑的触摸式显示屏等多领
Bensmaa
1 ～ 8 mm
国约翰霍普金斯大学
等
通过
，
域需求 具有广泛应用前景
．
5 ～ 80 Hz
的空间分辨率和 的振动频率变化物体的
静态和振动光栅试验发现 空间分辨率随着振动触
，
1
人类皮肤与触觉感知性能
． ，
觉的振动频率增加而下降 快速响应方面 人类触
、 、
人类皮肤能感知触觉 痛觉 热觉等多种感觉
，
700 Hz
，
的振动频率 即响应时间
觉最高动态检测到
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