触觉传感器技术综述

王佳

摘要：受到生物触觉感知效应的启发，应用于机器人的触觉传感器正朝着高度仿生的方向不断发展。本文针对触觉传感器的专利申请的时间分布、申请人分布进行分析、以及触觉传感器的技术原理及其相关专利，为触觉传感器今后的发展提供方向。

一、引言

在人类发展的历程中，人们一直渴望将人类的各种感知能力赋予机器人，使其代替人们进行劳作，以解放人类。触觉作为人类与外界环境直接接触时产生的一种重要感知效应，也逐渐被纳入研究对象，其成为仿生学研发的关键技术之一。通常把检测感知和外部直接接触而产生的接触、压力、滑觉的传感器，称为机器人触觉传感器。不同于一般的传感器，触觉传感器是具有多种检测能力的综合性传感器，因此，其检测的装置的结构和分析都比普通传感器要复杂。因此，本文针对全球触觉传感器的专利申请进行分析，為触觉传感器今后的发展提供方向。

二、触觉传感器专利申请状况分析

从图1可以看出，2006年以前，全球范围内的触觉传感器技术发展缓慢，美国，日本和中国相关专利都相对较少，并且早期的触觉传感器技术都是仅具备单一检测功能的传感器。2006年-2011年，触觉传感器技术迎来了快速增长期，这是由于随着新材料的出现，尤其是柔性传感器技术的迅猛发展，触觉传感器也迎来了第一次大爆发，其专利呈现井喷趋势，2011年-2013年，随着世界经济环境的复苏，触觉传感器的申请量也迎来了短暂的下跌，其研究可能遇到了瓶颈期，2013年-2018年，其又迎来了第二次快速增长，各种功能和材料都在触觉传感器中进行应用，大大激发了人们的研究热情，2018年-2020年，随着研究人员和研究成果越来越多，在新材料和新原理没有发现之前，其能够创新的研究越来越少，这使得专利申请人开始具有下降趋势。相比于全球申请量，美国从2000年开始，其专利申请量一直保持着缓慢的增长，其在2018年达到顶峰，其后缓慢下降。中国则从2006年以后才开始缓慢增长，2011年-2018年间，中国的专利申请量持续增长，与美国的差距越来越小，在2019年首次超过美国的专利申请量。日本则在2009-2019年间一直震荡式发展。

从全球专利申请量的排名来看，专利申请人主要来自美国、韩国和日本，尤其美国公司在该领域具有很强的研发能力，前三个申请人中有两个美国公司，分别是排名第一的英默森公司（immersion corporation：IMMR）的专利申请量最大，其成立于1993年在美国成立，是一个和苹果公司。其中，英默森公司（immersion corporation：IMMR）的专利申请量最大，其成立于1993年在美国成立，是一个专门致力于触觉技术研究的公司。同时，韩国在这一领域也有很强的研发能力，其乐金集团和三星集团也榜上有名。

从图3分析可知，从触觉传感器申请的国际分类分布来看，G06F以超出1/3的比例遥遥领先，这可能是由于触觉传感器通常是阵列结构，并且其对外界环境的多种参数敏感，这使得检测数据的数量以及检测数据中受到的干扰大幅度增加，因此，如何准确从检测数据中获得需要的参数以提高检测精度，这是触觉传感器领域的一个主要研究方向，这也是造成G06F类别中的专利申请量较大的一个原因。另外，触觉传感器主要是感受外部环境的力以及其他参数，因此，其对于检测力学参数的改进也是本领域的一个重要分支。同时，触觉传感器作为仿生传感器中的重要一个部分，应用于人体，如人工皮肤，假肢等领域，也是现在主要的研究方向。

三、触觉传感器的检测原理分析

早期的触觉传感器通常是单一触觉传感器，主要用来感测力学参数，如滑觉，握紧力，接近觉等。为了获得更多的感测能力，研究人员将多种触觉传感器组合起来期望提供多种检测能力，但这一时期的传感器通常各个检测传感器是相互独立的，且体积较大。随着各种新材料的问世，越来越多的柔性触觉传感器被研制，他具有更小的体积，更多的敏感元件，能够检测更多的参数。如CN108709585B，其通过在压电材料层上设置第一至第四电极，在第一和第二电极上设置第三电极，在第四和第五电极上设置第六电极，第一和第三电极之间，第四和第六电极之间均设置N极化半导体材料层，第二和第三电极之间，第五和第六电极之间均设置P极化半导体材料层，湿度敏感材料覆盖所有电极和压电材料。其通过将电极用敏感材料制作来减少体积，实现更多参数检测，采用包含N极化和P极化半导体材料组成具有热点效应的电路使其具备调节温度的功能，通过特定的检测方式能够实现检测压力和温湿度的功能。CN111289017B公开了触觉传感器具有衬底，设置在衬底上的输入光波导和多模干涉层，多模干涉层的入射端与输入光波导的出射端相连，多模干涉层作为触觉传感层，其入射端局部被刻蚀掉，形成多个镂空孔，构成散射扩束器结构，利用多模干涉的原理，基于光波导结构实现触觉传感。CN111813260B提供了一种解决电容式触觉传感器迟滞误差和高频噪声误差的方法，其通过将加载和卸载过程分别进行标定和解算，从而在消除高频噪声误差的同时，有效减小迟滞误差的影响。

四、总结

本文梳理了触觉传感器的专利发展过程以及主要专利申请人的分布，并对触觉传感器的部分最近成果进行了分析，可以预料，随着新材料，新技术的发展，更小体积，更多功能的触觉传感器必将越来越多，其引用也必将越来越广.