帥立國， 陳慧玲， 懷紅旗

(東南大學(xué)機械工程學(xué)院 南京，211189)

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?專家論壇?

觸覺傳感與顯示技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢*

帥立國， 陳慧玲， 懷紅旗

(東南大學(xué)機械工程學(xué)院 南京，211189)

闡述了觸覺感知、觸覺傳感及觸覺顯示等方面的國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀。在分析綜合的基礎(chǔ)上，指出觸覺傳感和顯示技術(shù)已經(jīng)逐漸脫離了最初緊密關(guān)聯(lián)的臨場感應(yīng)用環(huán)境，兩者分離并獨立發(fā)展成為全新的學(xué)科方向已經(jīng)成為一個趨勢。觸覺傳感主要圍繞智能機器人領(lǐng)域和康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域，而觸覺顯示除傳統(tǒng)的機器人臨場感及視覺功能替代應(yīng)用外，還包括虛擬現(xiàn)實、電影電視、游戲娛樂、工業(yè)設(shè)計、制圖繪畫、教育培訓(xùn)以及工業(yè)觸控屏等領(lǐng)域。最后給出了觸覺領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢。

觸覺感知； 觸覺傳感； 觸覺顯示； 虛擬現(xiàn)實

引 言

觸覺是人體最大的器官。利用觸覺，人們可以感知物體的硬度、質(zhì)感、紋理以了解對象的材質(zhì)特性，感知物體的幾何特征以獲得認(rèn)知或完成復(fù)雜而精細(xì)的作業(yè)。借助于觸覺，盲人能夠更好地認(rèn)識世界并實現(xiàn)自主生活。對于具有運動趨勢或運動中的物體，人們可以通過觸覺感知來自物體的力、振動及轉(zhuǎn)矩等以掌握對象的態(tài)勢，感知滑移、阻尼、速度及速度變化以判斷其運動特征。我國中醫(yī)代代相傳的脈診是通過按觸人體脈搏以體察脈象變化的切診方法，人體生病時，血脈運行受到影響，脈象就會有變化，有經(jīng)驗的醫(yī)生在望聞問的基礎(chǔ)上可以通過指法切脈充分掌握病情，從而更好地對癥下藥。對于具有觸須的動物，以及具有側(cè)線的水生兩棲類與魚類，觸覺還可以通過觸須和側(cè)線的接觸感覺進(jìn)行環(huán)境定位，從而有效避障。側(cè)線器官可以感知水流壓力、低頻振動及溫度變化等刺激，許多生活在黑暗水域中的魚類，甚或眼睛機能已退化至看不見的魚，能夠準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)障礙物并自由游動，依靠的就是側(cè)線系統(tǒng)對水中障礙物的探測和感知。此外，觸覺還是人與人之間情感的一種表達(dá)方式，觸覺訓(xùn)練對于嬰兒的感覺神經(jīng)體系的發(fā)育也具有積極意義。

1 觸覺技術(shù)概況

在技術(shù)層面，人們對觸覺的興趣始于19世紀(jì)末期，稍晚于視覺技術(shù)的研究，然而時至今日，觸覺領(lǐng)域尚無可市售的面向公眾的成熟產(chǎn)品，與視覺領(lǐng)域種類繁多、品質(zhì)優(yōu)良的圖像傳感器和顯示器產(chǎn)品相比，差距巨大。

觸覺技術(shù)發(fā)展總起上可以分為以下3個階段。

1) 自由探索階段。該階段沒有特別明確的目標(biāo)，人們出于對生物觸覺感官的好奇，試圖通過生物學(xué)方法和技術(shù)手段研究了解觸覺器官的感知特性和內(nèi)在機理。

2) 觸覺再現(xiàn)階段。該階段伴隨主從機器人的崛起，人們試圖通過觸覺傳感技術(shù)采集從機械手側(cè)的機械接觸狀態(tài)并反饋到主機械手一側(cè)進(jìn)行觸覺再現(xiàn)，使人們獲得身臨其境的感覺，也稱為觸覺臨場感。觸覺臨場感的架構(gòu)如圖1所示，從機械手所處的現(xiàn)場環(huán)境以及從機械手的接觸狀態(tài)分別通過視覺傳感器、聽覺傳感器和觸覺傳感器反饋到主機械手側(cè)進(jìn)行虛擬重建或觸覺再現(xiàn)，同時主機械手通過相應(yīng)的操作控制從機械手各關(guān)節(jié)的運動軌跡，進(jìn)而實現(xiàn)各種抓取等動作。

圖1 觸覺臨場感架構(gòu)圖Fig.1 The frame of tactile telepresence

3) 觸覺顯示階段。隨著觸覺再現(xiàn)技術(shù)研究的深入以及新興學(xué)科的興起，在應(yīng)用層面，研究人員開始嘗試將觸覺再現(xiàn)與觸覺傳感進(jìn)行分離，以滿足不同的應(yīng)用需求。觸覺傳感器的數(shù)據(jù)不一定通過觸覺方式去再現(xiàn)，而觸覺再現(xiàn)的內(nèi)容也不一定來自觸覺傳感器，如視覺感官功能的觸覺替代。在該應(yīng)用中，觸覺所顯示的數(shù)據(jù)并非來自觸覺傳感器，而是視覺傳感器，其目的在于幫助盲人以觸覺方式獲得視覺信息的感知。又如自主機器人研究中，機器人目標(biāo)是一個具備人類感知能力，并能與外部世界進(jìn)行交互的獨立個體，其觸覺傳感器的信息主要用于機器人自身對環(huán)境的感知，以便更好地完成作業(yè)任務(wù)。近年來，隨著虛擬現(xiàn)實的普及，傳統(tǒng)的立體電影已難以滿足體驗需求，人們迫切希望在虛擬世界中，在獲得視覺和聽覺體驗的同時，還能夠以觸覺方式感知虛擬目標(biāo)并與之進(jìn)行交互。

觸覺顯示與觸覺傳感的分離是觸覺研究從理論研究走向應(yīng)用研究的標(biāo)志，也是其從小眾研究走向大眾研究、從冷門變成熱門的重要標(biāo)志。觸覺研究是虛擬現(xiàn)實、視障康復(fù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、虛擬制造、教育培訓(xùn)、空間和海洋機器人及影視娛樂等領(lǐng)域的應(yīng)用急需和研究重點。美國政府對觸覺研究工作非常關(guān)注，在空間探索項目中，NASA長期開展面向空間站、哈勃望遠(yuǎn)鏡和火星計劃的觸覺臨場感及虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)研究。在視障康復(fù)領(lǐng)域，美國科學(xué)基金和抗盲基金會等多家機構(gòu)為觸覺研究提供長期資助。此外，歐洲和日本的政府部門也分別有相應(yīng)的經(jīng)費資助計劃對觸覺研究給予重點支持。與國外相比，我國在觸覺領(lǐng)域仍屬于小眾研究，在規(guī)模和深度上均有較大差距。目前，國內(nèi)已有十余所高校和研究機構(gòu)專注于觸覺研究，并有多個虛擬現(xiàn)實相關(guān)的企業(yè)開始涉足觸覺技術(shù)研究。

觸覺研究主要涉及電子技術(shù)、計算機科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、神經(jīng)科學(xué)及儀器技術(shù)等多個學(xué)科，其研究內(nèi)容主要包括觸覺感知特性、觸覺傳感技術(shù)及觸覺顯示技術(shù)等3部分，筆者擬重點針對上述內(nèi)容分別闡述其技術(shù)概況和發(fā)展趨勢。

2 觸覺感知特性

觸覺是皮膚基本感覺之一，絕大多數(shù)動物擁有遍布全身的觸覺器官。狹義的觸覺是指外部輕微刺激作用于皮膚觸覺感受器所引起的膚覺，廣義的觸覺還包括外部作用力使得皮膚變形所引起的膚覺，即壓覺，亦稱為“觸壓覺”。

人們之所以能感知觸覺，是因為皮膚組織中散布著若干不同類型的觸覺感受器。觸覺感受器的分布極不規(guī)則，通常指腹處較多，其次是頭部，小腿及背部則較少，所以人類指腹觸覺非常敏感，可以完成很多精細(xì)的操作，而小腿及背部則較為遲鈍。解剖學(xué)上，觸壓覺感受器主要包括游離神經(jīng)末梢、毛囊感受器及4種觸覺小體，其中，壓覺感受器帕氏小體存在于皮下各組織中，與深部感覺有關(guān)。Vallbo等[1]在1968年記錄了手部觸覺受器的神經(jīng)沖動訊號，并依照時間特性與空間特性對神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行了分類。從時間特性的角度，神經(jīng)細(xì)胞可以分為慢適應(yīng)型(slowly adapting fibers，簡稱SA)和快速適應(yīng)型(rapidly adapting fibers，簡稱RA)，即兩種不同類型的神經(jīng)細(xì)胞對于外部刺激具有不同的時間反應(yīng)特性。SA型反應(yīng)溫和，持續(xù)時間長；RA對刺激變化率敏感，反應(yīng)強烈。從空間特性的角度，神經(jīng)細(xì)胞可以分為局限型(punctate fibers)和擴散型(diffuse fibers)。局限型觸覺感受器接受域較小，具有相對清晰的邊界；擴散型與局限型相反，沒有明確的邊界。觸覺神經(jīng)據(jù)此分為4類，即SA局限型(SAI)，RA局限型(RAI)，SA擴散型(SAII)及RA擴散型(PC)。其中：RA局限型接近皮膚表層，呈卵圓形，長軸與皮膚表面垂直，外包有結(jié)締組織囊，稱為Meissner Corpuscles；SA局限型深入真皮且無膜囊包裹，稱為Merkel Disks；SA擴散型再深入一層也無膜囊包圍，稱為Ruffini Endings；RA擴散型位于真皮最內(nèi)層，由膜囊包圍，稱為Pacinian Corpuscles。實驗發(fā)現(xiàn)[2]，不同類型的感受小體具有不同的觸覺感知特性，輕觸手掌，只有RA型反應(yīng)被觀測到，SA型在增加刺激強度和持續(xù)時間才會出現(xiàn)，這反映了SA和RA對外部刺激的頻率響應(yīng)特性。不同神經(jīng)細(xì)胞的反應(yīng)頻率分別為： Merkel Disks(SAI) 0.3～3 Hz； Ruffini Endings(SAII) 15～400 Hz；Meissner Corpuscles(RAI) 3～40 Hz；Pacinian Corpuscles(PC)>500 Hz。在觸覺感受器的信息獲取方面，以色列神經(jīng)生物學(xué)專家Ehud Ahissa博士發(fā)現(xiàn)大腦對觸覺信息的獲取由空間和時間兩個通道的數(shù)據(jù)同時編碼而成。

描述觸感覺特性的指標(biāo)主要包括觸覺敏感度和兩點辨別閾。歷史上，觸覺敏感度的測量最早由Max von Frey于1896年提出，該方法沿用至今。他根據(jù)不同類型毛發(fā)的力距特性進(jìn)行篩選后制成了不同力矩的探針，然后在體表皮膚的不同位置進(jìn)行探測，發(fā)現(xiàn)不同位置處的皮膚具有不同的觸覺敏感度，嘴唇的觸覺敏感度好于背部，女性的觸覺敏感度優(yōu)于男性。Verillo等[3]在Max von Frey的基礎(chǔ)上引入振動刺激并進(jìn)行了實驗，發(fā)現(xiàn)觸覺對頻率的感知最高可達(dá)到200Hz。兩點辨別閾方面的工作最早由Weinstein于1968年進(jìn)行，研究發(fā)現(xiàn)將兩個刺激分別施加在皮膚的不同位置，隨著距離的接近，觸感會逐漸變成一個刺激。實驗表明，指尖處具有2 mm左右的最好兩點辨別閾，手臂處為30 mm，而背部則為70mm左右。兩點覺閾實驗結(jié)果顯示，指尖的觸覺受器密而小，手掌上的感受器則疏且大[2，4]。兩點刺激進(jìn)一步的研究表明，當(dāng)刺激為連續(xù)刺激并存在幅度或相位差異時，兩點刺激會出現(xiàn)由時間和振幅抑制導(dǎo)致的幻感覺。其中，時間抑制會導(dǎo)致兩個等強度的連續(xù)觸覺刺激不會被分別感覺到，而是形成一個位置隨兩個刺激之間的時延而改變的感覺，增加時延將導(dǎo)致感覺的位置移向較早的刺激，當(dāng)刺激間隔達(dá)到8～10 ms時，兩個刺激的融合消失；振幅抑制中，當(dāng)兩個相同的刺激同時施加到皮膚上時，幻感覺將出現(xiàn)在刺激器中間位置，如果改變相對振幅，幻感覺將移向強度較大的觸覺刺激。當(dāng)兩點刺激變?yōu)楦嗟拇碳げ⒌乳g隔排列時，幻感覺會異常特別。1972年，F(xiàn)rank Geldard和Carl Sherrick在前臂上間隔布置了3個內(nèi)裝揚聲器作為振動器的臂章，當(dāng)順序施加刺激時，受試者不僅感覺到了兩個振動器之間的輕拍，而且感到有一個東西從手腕一路跳到肩膀上，這就是有名的“皮膚兔子”現(xiàn)象[5]。除上述幻感覺現(xiàn)象外，近年來，日本學(xué)者還發(fā)現(xiàn)了多種觸覺現(xiàn)象，如魚絲線效應(yīng)、天鵝絨效應(yīng)及魚骨效應(yīng)等。

觸覺可以感知到滑移、力、變形及力矩等物理量的相對大小，從而幫助人們更好地了解觸感對象。利用力感覺可以感知對象的質(zhì)地如軟硬等，利用變形量可以了解對象的凹凸程度或者識別對象，而利用力矩則可以感覺對象的動態(tài)特性并進(jìn)行運動預(yù)測。此外，利用滑移感覺還可以很好地感知對象的表面光滑程度以及紋理特征。1925年，David Katz指出手指與物體表面之間必須發(fā)生摩擦滑移才能觸覺感知對象的紋理質(zhì)地。瑞典皇家理工學(xué)院Mark Rutland教授的研究也表明，利用滑覺，人類對表面紋理差異的敏感度可以達(dá)到驚人的13 nm，接近一個分子的大小，這相當(dāng)于地球一樣大的手指可以感覺出一輛汽車和一棟房子之間的大小差異。觸覺的這些特性極大地豐富了人們的認(rèn)知，并為指爪和手臂的靈活操控提供了重要依據(jù)。

觸覺感覺對外部刺激具有很好的類似聽覺的空間定位能力。觸覺感覺定位主要基于觸感覺的強度差異，而聲音定位則是基于強度差異和時間差異。1997年，Gescheider[6]實驗比較了觸覺和聽覺對聲音定位的精度，實驗表明，隨著練習(xí)次數(shù)的增多，觸覺定位具有和耳朵使用聲脈沖與滴答聲進(jìn)行定位一樣好的精確性，并顯著好于耳朵使用低頻音(187 Hz)的情況。另一個與聽覺類似的現(xiàn)象是觸覺刺激的環(huán)境發(fā)射，即盡管刺激作用在感受器上，但主觀感覺也許會向外發(fā)射到環(huán)境中并對相關(guān)刺激源做出響應(yīng)。

觸覺敏感度、兩點辨別閾和空間定位能力是觸覺器官響應(yīng)外部刺激的能力指標(biāo)。除此之外，觸覺器官對外部刺激的響應(yīng)還存在適宜刺激的問題。適宜刺激是指觸覺感官最敏感、最容易感受的刺激形式，包含兩層含義：a.從引起觸覺感覺的最小刺激到不出現(xiàn)不舒服感覺的最大刺激的閾值范圍；b.使得觸覺感官獲得最佳觸覺體驗的外部刺激的閾值范圍。適宜刺激中，刺激要素的梯度對觸覺感覺影響較大，梯度越陡觸感覺越強烈。針刺皮膚容易引發(fā)觸覺感覺就是因為接觸部位出現(xiàn)了較大的壓力梯度，置于水體中的手指，在分界面處感覺比較清晰也是這個道理。此外，觸覺感覺還存在時間適應(yīng)性問題，即觸覺感覺會隨著時間的延續(xù)逐漸減退，直至幾乎沒有知覺。為了保持觸覺感覺有效，不僅要維持觸覺刺激要素，通常還需要通過技術(shù)手段克服觸覺的時間適應(yīng)性等問題。

觸覺感知特性是觸覺科學(xué)的基礎(chǔ)，也是觸覺傳感器設(shè)計的理論依據(jù)，對觸覺顯示器的研制與開發(fā)具有重要價值。

3 觸覺傳感技術(shù)

觸覺傳感器由敏感材料或者結(jié)構(gòu)制成，主要用于測量自身與外部物體相互作用時所引起的物理量的變化。觸覺傳感器是觸覺操控和目標(biāo)識別的數(shù)據(jù)源頭。

機器人應(yīng)用中，觸覺傳感器可以分為點接觸型觸覺傳感器、面接觸型觸覺傳感器和滑覺傳感器。其中，點接觸型觸覺傳感器主要用于判別傳感器與目標(biāo)之間的接觸狀態(tài)，可以測量接觸力的大小，也可以只是簡單地用0或1表示是否接觸，點接觸型觸覺傳感器在躲避障礙物、控制機械手的運動等方面具有重要價值。面接觸型觸覺傳感器由點接觸型觸覺傳感器以陣列方式組合而成，用于測量傳感器區(qū)域垂直作用力的分布情況，并可形成敏感面與物體相互作用時的觸覺圖像。在自主機器人應(yīng)用中，面接觸型觸覺傳感器常常面積較大，以更好地完成環(huán)境探測、目標(biāo)識別和精確操控。近年來，隨著仿生機器人的興起，面接觸型觸覺傳感器與人工皮膚常常以一體化的方式出現(xiàn)，并更多地強調(diào)柔順性?；X傳感器主要用于測量物體與傳感器之間的相對運動趨勢，可以是專門的滑覺傳感器，也可以由觸覺傳感器解析得到。此外，作為實際應(yīng)用中的現(xiàn)實需求，熱覺也已經(jīng)成為觸覺傳感器的重要內(nèi)容。

在技術(shù)手段上，觸覺傳感器主要有機械式、壓阻式、壓電式、光電式、電容式、電磁式、光纖式及生物信號式等幾類。

1) 機械觸覺傳感器。最簡單的觸覺傳感器是機械微動開關(guān)，微動開關(guān)輸出0和1，相對于一個bit的二進(jìn)制觸覺傳感器。硅微機械是比較前沿的傳感器技術(shù)，硅具有很好的抗拉強度和較低的熱膨脹系數(shù)，這些優(yōu)良特性使得微機械傳感器成為可能。基于硅微機械加工技術(shù)的傳感器可以融合集成電路的先進(jìn)處理能力組成微機電系統(tǒng)。硅微機械目前成功的應(yīng)用是壓力和加速度傳感器，未來可基于硅微機械技術(shù)研制結(jié)構(gòu)復(fù)雜的觸覺傳感器，由于涉及復(fù)雜的三維物體，加工過程需要特別的工藝技術(shù)。

2) 阻抗型觸覺傳感器。阻抗型觸覺傳感器通過測量兩點之間的導(dǎo)電體的阻抗獲得接觸情況，外力引起導(dǎo)電體變形，從而引起阻抗的變化，因而可以檢測外力作用情況。阻抗型觸覺傳感器結(jié)構(gòu)簡單，噪聲低，易于構(gòu)建高分辨率的觸覺圖像，不足之處可能存在遲滯，因而帶寬較低，另外長久使用后導(dǎo)電體可能會出現(xiàn)不可恢復(fù)的變形。應(yīng)變片是一種常用的阻抗型傳感器，應(yīng)變片采用電阻材料或半導(dǎo)體材料制造，在外力作用下產(chǎn)生機械變形時，阻抗發(fā)生相應(yīng)的變化。導(dǎo)電橡膠是另一種理想的壓阻材料，其阻抗可隨著外力而變化。在結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)電橡膠觸覺傳感器是由導(dǎo)電橡膠層和絕緣橡膠相間制成的疊層橡膠片，兩層疊合在一起后，導(dǎo)電橡膠條的交叉點就構(gòu)成一個觸覺單元。導(dǎo)電橡膠富有彈性，但彈性受溫度影響較大并可能失效，應(yīng)用中宜限制溫度。

3) 壓電式觸覺傳感器。壓電材料是在壓力作用下會在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料，對壓電材料施加壓力會產(chǎn)生電位差；反之，施加電壓則產(chǎn)生機械應(yīng)力。壓電材料具有較高的頻響特性，是測量振動的理想材料，但由于阻抗很大，通常只適合動態(tài)力的測量。PVDF屬于高分子聚合物材料，具有壓電性和熱電性，其材質(zhì)特性與人體皮膚非常接近。外力作用于極化后的PVDF薄膜時，垂直于作用力的薄膜表面會產(chǎn)生一定數(shù)量的電荷，電荷與作用力成正比，該特性可用于制作觸覺傳感器。PVDF薄膜頻率響應(yīng)極寬，熱穩(wěn)定性好，而且輕薄，其柔順性及加工性能也非常好，可以做成大面積器件、陣列式器件及各種復(fù)雜形狀的傳感器。PVDF不能響應(yīng)靜態(tài)壓力，輸出信號比較微弱，電穩(wěn)定性也較差，不利于長時間測量。 PVDF溫度上限為80℃，使用場合相對受限。意大利的P.Dario較早采用PVDF制成觸覺傳感器，該傳感器底部通過印刷電路板為厚厚的PVDF薄膜提供支撐，PVDF薄膜上面是一層力敏導(dǎo)電硅橡膠，導(dǎo)電硅橡膠上面又是一層PVDF薄膜。印刷電路上有電極網(wǎng)絡(luò)，每個電極通過金屬孔與印刷電路底部的相應(yīng)電極相連。當(dāng)薄膜受壓時，測量印刷電路上下電極之間的電壓可以知道壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷多少，從而完成觸覺測量。

4) 光電型觸覺傳感器。光電傳感器包括光源、傳導(dǎo)介質(zhì)和光電探測器，光電探測器通常為相機或光電二極管。觸覺作用力引起的傳導(dǎo)介質(zhì)的變化通常會導(dǎo)致頻譜、傳輸或反射強度的變化。光電型傳感器具有很高的空間分辨率，抗電磁干擾，缺點在于環(huán)境適應(yīng)性較差，常因污染而失效。光電觸覺傳感器的電信號通常由壓力變化引起的機械位移轉(zhuǎn)換而來，傳感器與物體接觸表面的壓力變化會引起測量機構(gòu)的機械位移，進(jìn)而通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號。

5) 電容型觸覺傳感器。電容極板間距的改變會導(dǎo)致電容參數(shù)的變化，該特性可用于觸覺測量，為最大限度地提高靈敏度，宜使用高介電常數(shù)的電介質(zhì)。采用微電子工藝可以制造由微小電容陣列構(gòu)造的具有高分辨率的觸覺傳感器，但是單個傳感器的容抗將減少。電容式傳感器的問題在于容易引入雜散電容，通過優(yōu)化電路布局和機械設(shè)計可以減少雜散電容的的影響。

6) 電磁式觸覺傳感器。電磁式觸覺傳感器的設(shè)計有兩種方法：外力作用下運動的小磁鐵會導(dǎo)致測量點附近磁通密度的變化，而磁通可以通過霍爾效應(yīng)或磁阻進(jìn)行測量，據(jù)此可以對外力進(jìn)行測量；變壓器或電感器的鐵芯受外力變形或移位將改變磁耦合狀態(tài)，據(jù)此也可以實現(xiàn)對外力的測量。磁敏傳感器優(yōu)點在于靈敏度高，動態(tài)范圍大，沒有遲滯，魯棒性好。

7) 光纖觸覺傳感器。光纖作為傳感器可以利用的特性包括光路傳輸特性以及相位、強度和偏振方向等內(nèi)在特性，這些均可用于接觸狀態(tài)、力矩和力的測量。光纖的優(yōu)點在于安全、體積小、重量輕及抗外部電磁干擾，并可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量。相位和干涉法比較復(fù)雜，工業(yè)應(yīng)用不多。觸覺傳感器的設(shè)計一般通過光強對觸覺過程進(jìn)行測量，如通過光纖處于微彎狀態(tài)時的光強衰減可以檢測光纖外表面所受到的機械彎曲或擾動(幾微米量級)。

由于簡單有效，上述傳感器中，電容、壓阻、壓電和光電類傳感器在觸覺應(yīng)用中往往優(yōu)先選用。隨著智能機器人和虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域的快速發(fā)展，觸覺傳感出現(xiàn)了全局檢測、多維力檢測以及微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的趨勢，傳統(tǒng)的觸覺傳感器已難以滿足應(yīng)用需求，特別是近年來微電子工藝的成熟和普及，為這種需求提供了技術(shù)可行性。

在全局觸感方面，觸覺傳感器通常覆蓋很大的區(qū)域，在仿生機器人等應(yīng)用中，機器人皮膚要求具有人類皮膚的柔順性，其膚感觸覺傳感器為超大面積陣列式結(jié)構(gòu)，安裝在較薄的柔性基底上，并且十分堅固。這種觸覺傳感器可用于表面形狀和表面特性的檢測。PVDF、碳纖維[7]和光纖是觸感皮膚比較理想的材料。PVDF可以方便地被制造成大面積的“人工皮膚”，碳纖維和光纖可以通過編織工藝構(gòu)造大面積可穿戴的柔順型觸覺傳感器，可用于任意表面的觸覺測量，并測量多維接觸力分布。此外，在PVDF人工皮膚表層制作陣列式電極也是一種可行的全局觸覺傳感方案，當(dāng)皮膚觸碰物體時，相互交錯的電極會因觸碰而導(dǎo)通，其原理與數(shù)字鍵盤類似，優(yōu)點是抗干擾能力強，不足之處在于無模擬量輸出，難以反映接觸力的大小。

多維力檢測對于智能機器人的環(huán)境感知和精確操控具有重要價值。早在1984年，Kinoshita等[8]即已關(guān)注3D目標(biāo)的感覺以及傳感器設(shè)計問題。2010年，Van等[9]利用MEMS 技術(shù)研制成功用于機器人指部的三維力觸覺傳感器。國內(nèi)高校和機構(gòu)對多維力的檢測也非常關(guān)注，2009年，中科院合肥智能機械研究所研制成功三維力柔性觸覺傳感器, 實現(xiàn)了對三維力的檢測[10]。2014年，Yu[11]開發(fā)成功一種可檢測x(4 N),y(4 N)和z(20 N)方向的觸覺傳感器。

當(dāng)然了，以問題來促進(jìn)學(xué)生閱讀，還是要留下時間與空間讓學(xué)生去閱讀，同時在閱讀過程中更要注意培養(yǎng)學(xué)生的閱讀興趣，提升學(xué)生的閱讀能力，從而達(dá)到提升學(xué)生語文綜合素養(yǎng)的能力。

觸覺傳感器的微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化也是虛擬現(xiàn)實和現(xiàn)代機器人系統(tǒng)的迫切需求，帶有微處理器的觸覺傳感器能夠在探測現(xiàn)場即時采集和處理數(shù)據(jù)，并實時地與外界進(jìn)行觸覺數(shù)據(jù)交互。微電子工藝的技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)了智能傳感器的快速發(fā)展，未來觸覺傳感器除具備基本的觸覺傳感功能外，還將具備自診斷、校準(zhǔn)和測試等附加功能。2011年，Muroyama[12]報告了LSI微型觸覺傳感器系統(tǒng)的研制工作。

此外，多模感知也是觸覺傳感器的一個方向。在人工皮膚中內(nèi)置一層可以檢測溫度變化的傳感器以實現(xiàn)熱覺檢測是通常的做法。2014年，Wettels等[13]報告了一種可用于目標(biāo)設(shè)別和抓取作業(yè)的指型觸覺傳感器陣列，該傳感器可以象人類皮膚一樣具有感知力、熱和微振動的能力。此外，文獻(xiàn)[14]也報告了一種采用MEMS懸臂梁的多功能觸覺傳感器，該傳感器不僅能夠探測到目標(biāo)的接近，而且能夠檢測接觸、滑移和表面紋理等情況。

在性能指標(biāo)方面，觸覺傳感器尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)應(yīng)用中，觸覺傳感器應(yīng)該具有較好的強度、重復(fù)性好、噪聲低、遲滯小、魯棒性好及不易受環(huán)境影響而損壞的特點，空間分辨率應(yīng)達(dá)到1～2 mm，敏感度范圍在0.4～10 N，并能夠允許一定的過載，帶寬不小于100 Hz。此外，對于單點觸覺，還存在接觸區(qū)域的要求，一般為1～2 mm2。

觸覺傳感當(dāng)前的困境在于如何感知狹小空間微小接觸區(qū)域中的作用力，如先進(jìn)的DaVinci手術(shù)機器人，由于作業(yè)空間有限，并且作業(yè)環(huán)境中充滿血水，手術(shù)過程中醫(yī)生無法通過觸覺反饋提供手感，只能依賴視覺進(jìn)行操作。

4 觸覺顯示技術(shù)

觸覺顯示是與觸覺傳感相對應(yīng)的一個概念。觸覺傳感是獲取物體之間相互作用的接觸情況和力的大小，觸覺顯示則是把這種接觸情況和力的大小顯示還原出來，讓有知覺能力的主體知曉和掌握相互作用情況，進(jìn)而更好地完成操控作業(yè)或進(jìn)行決策。

觸覺顯示源于主從機器人領(lǐng)域，其目的是把遠(yuǎn)地從機械手側(cè)的接觸情況在本地主機械手側(cè)進(jìn)行還原，以便主機械手側(cè)的操作者能夠獲得遠(yuǎn)地機械手作業(yè)時的真實感覺。主從機器人領(lǐng)域的觸覺顯示最初被稱為觸覺臨場感或者觸覺再現(xiàn)，后來隨著虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的興起，觸覺再現(xiàn)作為一個概念逐漸被觸覺顯示所取代。圖2為觸覺顯示應(yīng)用的一個經(jīng)典案例[15]，圖中操作者借助鏡面虛像可看到虛擬物體，并可利用觸覺顯示技術(shù)用右手的拇指和食指去觸摸該虛擬物體。該應(yīng)用的目的在于強化操作者對虛擬物體的感知。

圖2 借助鏡面虛像的虛擬觸覺顯示Fig.2 Aexample of virtual tactile display with the integration of mirror reflectivitly and tactile feed-back

觸覺顯示主要包括兩個要素，即接觸狀態(tài)和相互作用力。

觸覺臨場感中接觸狀態(tài)的顯示有兩種方式：一是視覺顯示；二是基于物理刺激的觸覺顯示。觸覺信息的視覺顯示在早期有些價值，由于需要額外的顯示屏并占用操作者的視覺資源，逐漸被棄用。在基于物理刺激的觸覺顯示方面，早期的技術(shù)手段主要包括頂針刺激、氣動刺激、振動刺激和電刺激。

1) 頂針刺激。頂針刺激通過頂針陣列實現(xiàn)，頂針可以停留在上下兩個位置，也可以在垂直方向上振動，以給皮膚施加壓力和振動。頂針可以通過壓電[16]、電磁(螺線管、聲音圈)、形狀記憶合金(SMA)和氣動等多種方式驅(qū)動。頂針刺激為靜態(tài)刺激，操作者觸覺體驗較好，但每個觸點均需要單獨驅(qū)動，機構(gòu)復(fù)雜，成本較高。

2) 氣動刺激。氣動刺激是將具有一定壓力的氣體通過泵閥和管道施加到人體皮膚上，使人產(chǎn)生接觸到物體的感覺。氣動刺激包括噴氣、氣囊、氣環(huán)和氣針等多種形式。1971年，美國Bliss的研究團隊研制了12*12的氣體噴嘴陣列，可以用于幫助盲人識別字母或者字符[17]。日本的Katsuhiko Sato設(shè)計了一種氣環(huán)式觸覺刺激器，為遙操作系統(tǒng)提供反饋[18]。氣動刺激能夠提供感覺，但是分辨率低，帶寬也很低，通常只有5～10 Hz，另外，操作者容易肌肉疲勞并因此減低感覺能力。

3) 振動刺激。振動刺激使用鈍針、音圈或壓電晶體等產(chǎn)生振動。振動觸覺裝置體積小、帶寬高，是一種應(yīng)用廣泛的觸覺刺激方式。文獻(xiàn)[19]報告了一種產(chǎn)生側(cè)向拉伸感覺的振動式觸覺顯示裝置。該裝置由64個緊密排列的壓電激勵陣列構(gòu)造而成，也可通過底部薄膜變形成一個112個刺激接觸點的觸覺陣列，從而在指端皮膚上形成可編程的側(cè)向應(yīng)力場。STReSS是基于上述原理構(gòu)建的觸覺顯示系統(tǒng)[16]，能以700 Hz的頻率對觸覺圖像序列快速刷新，從而產(chǎn)生“觸覺電影”。顯示器具有100個側(cè)向移動的接觸點陣列，陣列密度為每平方毫米一個接觸器，具有較高的空間與時間分辨率。

4) 電刺激。電刺激是將電脈沖施加到用戶指端的微小電極上，從而形成觸感覺。電觸覺能夠在沒有機械激勵的情況下產(chǎn)生壓力或震動感覺。電刺激觸覺體積小、重量輕，不足之處在于動態(tài)范圍較小，易引起電刺痛等不舒服的感覺。文獻(xiàn)[20]提出了一種SmartTouch增強現(xiàn)實皮膚感覺系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用電刺激方式，物體的觸覺圖像數(shù)據(jù)來源于數(shù)據(jù)傳感器。電極直徑為1.0 mm，采用不銹鋼制作，按4×4排列，電極縱向間距為2.5 mm，橫向間距為2.0 mm。為確保接觸阻抗的穩(wěn)定性，MIT采用了舌部刺激的技術(shù)方案，達(dá)到了理想的觸覺效果。2014年MIT電觸覺顯示器成功用于我國山西被挖眼男孩的視覺功能重建。

隨著國內(nèi)外研究人員對觸覺技術(shù)的關(guān)注，本世紀(jì)初，很多合理可行的觸覺顯示技術(shù)相繼被提出。這些新穎的技術(shù)手段如下。

1) 超聲刺激。超聲刺激通過變頻超聲或超聲脈沖提供觸感覺，超聲波壓力可模擬出一種虛構(gòu)的形狀和力度，這種壓力被稱為聲發(fā)射壓力。如果用手指在此位置表面進(jìn)行撫觸，就能產(chǎn)生觸感覺。虛擬現(xiàn)實中，利用此現(xiàn)象可提供“空中超聲波觸覺”。

2) 電流變液。電流變液由具有高介電常數(shù)的固體微粒均勻分散在低介電常數(shù)的絕緣油中形成懸浮液。正常情況下該懸浮液表現(xiàn)為牛頓體，在電場作用下，電介質(zhì)固體顆?？伤查g極化形成微細(xì)結(jié)構(gòu)，從而使液體在幾毫秒內(nèi)變成塑膠狀態(tài)，流體的黏性與電場強度成正比。電流變液的特殊性質(zhì)可以應(yīng)用于離合系統(tǒng)及生物醫(yī)學(xué)等很多領(lǐng)域，多工作在剪切模式。觸覺顯示應(yīng)用中，主要利用其剪切力和壓力，在觸點上施加刺激時，表層液體層在電場作用下變硬，頂針會因為水平和垂直方向的阻力而不能下按。

3) 磁流變液。磁流變液體是一種新型智能材料，其原理與電流變液相似，是把微米級的鐵磁顆粒以不同比例混和在各種非鐵磁液體中形成的懸浮液體。外磁場作用下，磁流液在流變學(xué)上呈現(xiàn)出快速且可逆的變化。和電流變液一樣，沒有外部刺激時，磁流變液也呈液體狀，在磁場激勵下可表現(xiàn)為類似于干燥牙膏一樣的固態(tài)凝膠體。磁流變液的觸覺顯示應(yīng)用模式與電流變液相似。

4) 射流刺激。射流刺激利用以一定速度噴射出的水流作用于皮膚表面，從而形成一定強度的壓力斜坡，同時由于水流可以帶走一定的熱量，又可以在指端接觸處形成一定的溫度斜坡，兩種因素交互作用，可在皮膚表面形成清晰的壓力溫度融合觸覺刺激[21]。其優(yōu)點在于不僅可以提供觸覺圖文顯示，還能夠?qū)崿F(xiàn)熱圖像的顯示，在建立溫度色彩映射關(guān)系后還可以實現(xiàn)其他技術(shù)手段難以提供的彩色圖文觸覺顯示。在實際應(yīng)用中，通過對流速穩(wěn)定的水流柱給予一定強度的低頻振動處理，以引起皮膚表面壓強瞬時變化，還可以有效地消除操作者的觸覺時間適應(yīng)性。水射流具有較高的帶寬，且不會導(dǎo)致不舒服感覺，易于為操作者所接受，不足之處在于裝置復(fù)雜，體積偏大。

除上述刺激外，其他刺激方式還包括表面聲波刺激、熱刺激和神經(jīng)功能刺激等，但應(yīng)用報告很少。

相互作用力的顯示和反饋一直是領(lǐng)域內(nèi)的一大難點。早期的作用力顯示是借助機械手臂完成的，機械手臂一方面通過級聯(lián)的臂桿為指爪提供空間定位，另一方面也借助機械手臂的基座完成相互作用力的顯示。由于需要機械手臂并需要精確的控制系統(tǒng)，這樣的力反饋裝置價格極其昂貴，通常只在實驗室及特別場所使用，難以普及推廣。2005年左右，陸續(xù)有機構(gòu)推出了桌面型觸覺力顯示器，如delta和 phantom等，這些裝置的推出大幅度降低了力反饋顯示裝置的成本和價格，使得商業(yè)推廣成為可能，但是價格仍高達(dá)20萬元左右，難以為普通消費者所承受。

Delta是Force Dimension公司研制的多自由度多功能力反饋系統(tǒng)，可在較大的工作空間內(nèi)實現(xiàn)大范圍作用力的反饋，實現(xiàn)對運動知覺以及觸摸玻璃或者海綿等物品時觸感的高保真、高品質(zhì)顯示。 Omega 是低成本的桌面型力反饋設(shè)備。Omega采用鋁制構(gòu)件，減少了慣性效應(yīng)，Omega可產(chǎn)生持續(xù)的12.0 N的作用力，閉環(huán)強度為每毫米14.5 N。

Phantom是SensAble Technologies推出的力反饋系統(tǒng)。Phantom力反饋裝置可以提供沿x軸、y軸和z軸的力反饋，以及偏航、俯仰和側(cè)滾等，可模擬虛擬碰撞、反作用力和轉(zhuǎn)矩等不同的感覺。Phantom力反饋裝置可幫助操作者完成精準(zhǔn)的3D對象操作，并能夠提供虛擬裝配、虛擬樣機、維護(hù)路徑規(guī)劃、遠(yuǎn)程操作以及分子模擬等多種形式的力感覺探索。

除上述點觸覺力反饋系統(tǒng)外，業(yè)內(nèi)還推出了以指爪控制為特征的手套型觸覺反饋控制器，該類控制器通過固定于指爪外側(cè)的外骨骼機構(gòu)限制指爪自由度，從而提供力反饋。典型方案包括Mcgill，Cyber和Dexmo等。手套型觸覺反饋的特點在于通過指爪控制提供力感覺，由于放棄了手臂的自由度限制，沒有復(fù)雜機構(gòu)，極大降低了成本，但力反饋通常只限于局部應(yīng)用。

近年來，受虛擬現(xiàn)實氛圍的影響，很多個人愛好者和公司介入了力感覺顯示的研究和產(chǎn)品開發(fā)中，并推出了多種概念產(chǎn)品，如Gloveone，Impacto和IMotion等。

Gloveone由Neuro Digital Technologies 公司開發(fā)。Gloveone 手套的手掌和指尖分布著10 個制動器，可以產(chǎn)生不同頻率和強度的震動，從而還原真實的觸感。Gloveone可模擬風(fēng)、雨、夾持力和重力感覺。與Glovene類似，Cybertouch也是在手指與手掌部位上設(shè)置了許多小型觸覺振動器。每個振動器可以獨立顯示不同強度的觸感壓力。該振動器能發(fā)生單一頻率或持續(xù)性的振動，從而可以感受虛擬物體的外形。

Impacto由德國Hasso Plattner提出。Impacto結(jié)合了肌肉電刺激觸覺振動引擎來制造一個推或拉的感覺，可以更真實地模擬實際物理對象接觸的感覺。佩戴者可以感受到力反饋作用，用戶用胳膊擋拳時會有被擊中的感覺，也可以感受到每次足球落下時與腳的相互作用力。

iMotion由 Intellect Motion開發(fā)，可以為 Oculus Rift 及很多配備攝像頭的 Mac，PC及 Android 設(shè)備等提供動作操控體驗。iMotion內(nèi)置陀螺儀、加速計，可檢測x軸、y軸、z軸的坐標(biāo)和平面仰角、旋轉(zhuǎn)角度等判斷用戶身體在3D空間的位置，并通過內(nèi)置部件改變其與掌部的距離進(jìn)而提供觸覺反饋。

隨著陀螺儀和視覺定位等技術(shù)發(fā)展，觸覺反饋手套有望克服自由空間定位的難題，成為極有前途的發(fā)展方向，并徹底解決觸覺顯示應(yīng)用層面成本高昂的問題，成為和視覺顯示器一樣的廉價產(chǎn)品。

5 發(fā)展趨勢

觸覺傳感和顯示技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)逐漸脫離了最初的緊密關(guān)聯(lián)的臨場感應(yīng)用環(huán)境，兩者分離并獨立發(fā)展成全新的學(xué)科方向已經(jīng)成為一個趨勢。觸覺傳感主要圍繞智能機器人領(lǐng)域和康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)展，重點解決智能機器人的觸覺操控和仿生機器人的仿生觸感，以及義肢觸覺功能重建等問題。觸覺顯示除傳統(tǒng)的機器人臨場感應(yīng)用及視覺功能替代應(yīng)用外，還包括虛擬現(xiàn)實(包括增強現(xiàn)實/混合現(xiàn)實)、電影電視、游戲娛樂、工業(yè)設(shè)計、制圖繪畫、教育培訓(xùn)以及工業(yè)觸控屏等，發(fā)展空間極為廣闊。

觸覺傳感和顯示技術(shù)從功能開發(fā)到技術(shù)成熟及至產(chǎn)業(yè)化是一個漫長的過程，就當(dāng)前技術(shù)狀況來看，未來在如下幾個方面仍須進(jìn)一步增加研發(fā)投入并進(jìn)行持續(xù)的研究。

1) 觸覺傳感器的智能化和網(wǎng)絡(luò)化。觸覺傳感的技術(shù)方案很多，并已實際應(yīng)用，這些傳感器的問題在于傳感器輸出信號為模擬信號，在傳輸過程中極易引入噪聲，如果能夠在現(xiàn)場即時進(jìn)行數(shù)字化處理，可顯著提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。另外，網(wǎng)絡(luò)接口已經(jīng)成為工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)配置，具備網(wǎng)絡(luò)接口的傳感器應(yīng)用極為方便。觸覺傳感器的智能化和網(wǎng)絡(luò)化需要引入集成電路工藝，使傳統(tǒng)的傳感器成為一個可與外部交互數(shù)據(jù)的獨立系統(tǒng)。

2) 接觸覺的顯示與力覺顯示合二為一。傳統(tǒng)的研究中，由于空間定位的困難，力的反饋需要借助精確的手臂連桿系統(tǒng)構(gòu)成精確的空間定位平臺，這個平臺非常昂貴，因此，出現(xiàn)了單純用于觸覺顯示的觸覺顯示器。隨著九軸陀螺儀、視覺定位等技術(shù)手段的出現(xiàn)，手部空間定位已經(jīng)可以達(dá)到較為滿意的精度，基本可滿足應(yīng)用需求，因此，完全可借助手部指爪相對位置的約束提供全空間的接觸感覺和力的反饋，這將極大地降低觸覺和力覺反饋裝置的成本，為其技術(shù)普及和應(yīng)用推廣帶來發(fā)展機遇。觸覺顯示器在未來有望像顯示屏和音響一樣成為家庭的標(biāo)準(zhǔn)配置。

3) 彩色觸覺。彩色觸覺可提供類似RGB的多要素刺激，幫助盲人及操作者獲得彩色觸覺感知。彩色觸覺的技術(shù)可實現(xiàn)觸覺顯示與視覺顯示的完美對接。無論對于視障人群還是影視娛樂或者工業(yè)應(yīng)用都具有積極意義。

4) 觸覺文件及觸覺重現(xiàn)。迄今為止，觸覺領(lǐng)域尚無統(tǒng)一的文件格式和存儲規(guī)范。隨著觸覺顯示技術(shù)的成熟，統(tǒng)一的文件格式已經(jīng)迫在眉睫。文件格式的意義在于可以對觸覺過程進(jìn)行存儲，并可像圖片和聲音一樣拷貝和傳輸，并在異地還原，這對于豐富人們的觸覺體驗具有重要意義。

5) 增強現(xiàn)實及觸覺游戲應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實可能是觸覺手套最大的應(yīng)用領(lǐng)域。2016年被譽為虛擬現(xiàn)實元年，里約奧運會也首次采用了全景直播和3D直播，旅游、地產(chǎn)和很多領(lǐng)域均啟動了VR模式，觸覺手套的介入在未來不僅可以使人們看到3D對象，還可以觸覺方式與之進(jìn)行交互。觸覺手套還有望為觸覺游戲的開發(fā)創(chuàng)造巨大空間，如今年風(fēng)靡全球的PokeMon Go，未來幾年內(nèi)應(yīng)該會有若干觸覺游戲被開發(fā)出來。

6) 觸覺服務(wù)器。隨著觸覺顯示和應(yīng)用的成熟，基于網(wǎng)絡(luò)空間的觸覺交互將成為可能，人們即便相隔遙遠(yuǎn)的時間和空間也可以通過觸覺表達(dá)問候和傳遞感情。今天的我們可以給100年后的家族成員像說“hello”一樣送出一個有力的“握手”，也可以給相隔萬里的家人送出一個擁抱，而所有這些均離不開觸覺服務(wù)器和文件系統(tǒng)的支持。

[1] Vallbo A B, Hagbarth K E. Mechnoreceptor activity recorded from human peripheral nerves[J]. Electroencephalography & Clinical Neurophysiology, 1968,25(4):407.

[2] Johansson R S, Vallbo A B. Tactile sensibility in the human hand: relative and absolute densities of four types of mechanoreceptive units in glabrous skin[J]. Journal of Physiology, 1979,286:283-300.

[3] Verrillo R T. Investigation of some parameters of the cutaneous threshold for vibration[J]. Journal of the Acoustical Society of America, 1962,34(11):1768-1773.

[4] Kandel E R， Jessell T. Early experience and the fine tuning of synaptic connections[J]. Principles of Neural Science, 1991(4):945-948.

[5] Geldard F A，Sherrick C E. The cutaneous “rabbit”: a perceptual illusion[J]. Science, 1972,178(4057):178-179.

[6] Gescheider G A. Psychophysics: the fundamentals[J]. Lawrence Erlbaum Associates, 1997,31(4):1035-1042.

[7] Park C S， Park J， Lee D W． A piezoresistive tactile sensor based on carbon fibers and polymer substrates[J]． Microelectronic Engineering，2009，86(4-6) :1250-1253.

[8] Kinoshita G. Tactile sensor design and tactile sensing on 3-D objects[J]. Journal of Robotic Systems, 1984,2:657-662.

[9] Van A H, Dzung V D, Susumu S, et al. Design of a small-scale tactile sensor with three sensing points for using in robotic fingertips[C]∥IEEE International Conference on Robotics and Automation(ICRA). Anchorage,Alaska:[s.n.], 2010:4855-4860.

[10]徐菲,黃英,丁俊香,等.一種新型三維力柔性陣列觸覺傳感器研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2009,22(11):1542-1546.

Xu Fei, Huang Ying, Ding Junxiang, et al. Research of a novel three-dimensional force flexible tactile sensor[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2009,22(11):1542-1546. (in Chinese)

[11]Yu Ping. Development of a compliant magnetic 3-D tactile sensor with AMR elements[J]. Lecture Notes in Computer Science, 2014(8918):484-491.

[12]Muroyama M, Makihata M, Nakano Y,et al. Development of an LSI for tactile sensor systems on the whole-body of robots[J]. IEEE Transactions on Sensors and Micromachines, 2011,131(8):302-309.

[13]Wettels N, Fishel J A, Loeb G E. Multimodal tactile sensor[J]. Springer Tracts in Advanced Robotics, 2013,95:405-429.

[14]Sohgawa M, Watanabe K, Kanashima T, et al. Texture measurement and identification of object surface by MEMS tactile sensor[J]. Sensors, 2014,44(6):1706-1709.

[15]Ernst M O, Banks M S. Humans integrate visual and haptic information in a statistically optimal fashion[J]. Nature, 2002,415(24):429-433.

[16]Pasquero J, Hayward V. Stress: a practical tactile display system with one millimeter spatial resolution and 700 Hz refresh rate[C]∥Proceedings of Eurohaptics. Dublin, Ireland:[s.n.], 2003:94-110.

[17]Shimoga K B. A survey of perceptual feedback issues in dexterous tele-manipulation: part II. finger touch feedback[C]∥Virtual Reality Annual International Symposium. Washington DC, USA:IEEE, 1993:263-270.

[18]Sato K, Igarashi E, Kimura M. Development of non-constrained master arm with tactile feedback device[C]∥Proc International Conference on Advanced Robotics, ICAR′91. Pisa, Italy:[s.n.], 1991:334-338.

[19]Hayward V, Cruz-Hern J M. Tactile display device using distributed lateral skin stretch[C]∥Symposium on Haptic Interfaces for Virtual Environment and Teleoperator Systems, IMECE 2000 Conference. Orlando, Florida:[s.n.], 2000:1309-1314.

[20]Kajimoto H, Kawakami N, Tachi S, et al. Smart touch: electric skin to touch the untouchable[J]. IEEE Computer Graphics and Applications, 2004,24(1):36-43.

[21]帥立國,周芝庭,姜昌金,等.基于射流技術(shù)的觸覺圖文顯示裝置及顯示方法: 中國，CN200510094474.8[P]. 2006-03-08.

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.06.001

*國家自然科學(xué)基金資助項目(61175069)

2016-07-20；

2016-09-01

TP242.6; TP23; Q415

帥立國，男，1968年10月生，東南大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。河南科技學(xué)院特聘教授、甘肅省特聘科技專家、美國SJCE(Scientific Journal of Control Engineering)控制工程期刊主編。主要研究方向為虛擬現(xiàn)實及觸覺顯示技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)及遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)、無損檢測及關(guān)鍵零部件在役壽命評估技術(shù)。曾發(fā)表《觸覺顯示技術(shù)及其發(fā)展趨勢》(《工業(yè)儀表與自動化裝置》2006年第6期)等論文。 E-mail:liguo.shuai@126.com