王佳

摘要：受到生物觸覺(jué)感知效應(yīng)的啟發(fā)，應(yīng)用于機(jī)器人的觸覺(jué)傳感器正朝著高度仿生的方向不斷發(fā)展。本文針對(duì)觸覺(jué)傳感器的專利申請(qǐng)的時(shí)間分布、申請(qǐng)人分布進(jìn)行分析、以及觸覺(jué)傳感器的技術(shù)原理及其相關(guān)專利，為觸覺(jué)傳感器今后的發(fā)展提供方向。

一、引言

在人類發(fā)展的歷程中，人們一直渴望將人類的各種感知能力賦予機(jī)器人，使其代替人們進(jìn)行勞作，以解放人類。觸覺(jué)作為人類與外界環(huán)境直接接觸時(shí)產(chǎn)生的一種重要感知效應(yīng)，也逐漸被納入研究對(duì)象，其成為仿生學(xué)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。通常把檢測(cè)感知和外部直接接觸而產(chǎn)生的接觸、壓力、滑覺(jué)的傳感器，稱為機(jī)器人觸覺(jué)傳感器。不同于一般的傳感器，觸覺(jué)傳感器是具有多種檢測(cè)能力的綜合性傳感器，因此，其檢測(cè)的裝置的結(jié)構(gòu)和分析都比普通傳感器要復(fù)雜。因此，本文針對(duì)全球觸覺(jué)傳感器的專利申請(qǐng)進(jìn)行分析，為觸覺(jué)傳感器今后的發(fā)展提供方向。

二、觸覺(jué)傳感器專利申請(qǐng)狀況分析

從圖1可以看出，2006年以前，全球范圍內(nèi)的觸覺(jué)傳感器技術(shù)發(fā)展緩慢，美國(guó)，日本和中國(guó)相關(guān)專利都相對(duì)較少，并且早期的觸覺(jué)傳感器技術(shù)都是僅具備單一檢測(cè)功能的傳感器。2006年-2011年，觸覺(jué)傳感器技術(shù)迎來(lái)了快速增長(zhǎng)期，這是由于隨著新材料的出現(xiàn)，尤其是柔性傳感器技術(shù)的迅猛發(fā)展，觸覺(jué)傳感器也迎來(lái)了第一次大爆發(fā)，其專利呈現(xiàn)井噴趨勢(shì)，2011年-2013年，隨著世界經(jīng)濟(jì)環(huán)境的復(fù)蘇，觸覺(jué)傳感器的申請(qǐng)量也迎來(lái)了短暫的下跌，其研究可能遇到了瓶頸期，2013年-2018年，其又迎來(lái)了第二次快速增長(zhǎng)，各種功能和材料都在觸覺(jué)傳感器中進(jìn)行應(yīng)用，大大激發(fā)了人們的研究熱情，2018年-2020年，隨著研究人員和研究成果越來(lái)越多，在新材料和新原理沒(méi)有發(fā)現(xiàn)之前，其能夠創(chuàng)新的研究越來(lái)越少，這使得專利申請(qǐng)人開始具有下降趨勢(shì)。相比于全球申請(qǐng)量，美國(guó)從2000年開始，其專利申請(qǐng)量一直保持著緩慢的增長(zhǎng)，其在2018年達(dá)到頂峰，其后緩慢下降。中國(guó)則從2006年以后才開始緩慢增長(zhǎng)，2011年-2018年間，中國(guó)的專利申請(qǐng)量持續(xù)增長(zhǎng)，與美國(guó)的差距越來(lái)越小，在2019年首次超過(guò)美國(guó)的專利申請(qǐng)量。日本則在2009-2019年間一直震蕩式發(fā)展。

從全球?qū)＠暾?qǐng)量的排名來(lái)看，專利申請(qǐng)人主要來(lái)自美國(guó)、韓國(guó)和日本，尤其美國(guó)公司在該領(lǐng)域具有很強(qiáng)的研發(fā)能力，前三個(gè)申請(qǐng)人中有兩個(gè)美國(guó)公司，分別是排名第一的英默森公司（immersion corporation：IMMR）的專利申請(qǐng)量最大，其成立于1993年在美國(guó)成立，是一個(gè)和蘋果公司。其中，英默森公司（immersion corporation：IMMR）的專利申請(qǐng)量最大，其成立于1993年在美國(guó)成立，是一個(gè)專門致力于觸覺(jué)技術(shù)研究的公司。同時(shí)，韓國(guó)在這一領(lǐng)域也有很強(qiáng)的研發(fā)能力，其樂(lè)金集團(tuán)和三星集團(tuán)也榜上有名。

從圖3分析可知，從觸覺(jué)傳感器申請(qǐng)的國(guó)際分類分布來(lái)看，G06F以超出1/3的比例遙遙領(lǐng)先，這可能是由于觸覺(jué)傳感器通常是陣列結(jié)構(gòu)，并且其對(duì)外界環(huán)境的多種參數(shù)敏感，這使得檢測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)量以及檢測(cè)數(shù)據(jù)中受到的干擾大幅度增加，因此，如何準(zhǔn)確從檢測(cè)數(shù)據(jù)中獲得需要的參數(shù)以提高檢測(cè)精度，這是觸覺(jué)傳感器領(lǐng)域的一個(gè)主要研究方向，這也是造成G06F類別中的專利申請(qǐng)量較大的一個(gè)原因。另外，觸覺(jué)傳感器主要是感受外部環(huán)境的力以及其他參數(shù)，因此，其對(duì)于檢測(cè)力學(xué)參數(shù)的改進(jìn)也是本領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。同時(shí)，觸覺(jué)傳感器作為仿生傳感器中的重要一個(gè)部分，應(yīng)用于人體，如人工皮膚，假肢等領(lǐng)域，也是現(xiàn)在主要的研究方向。

三、觸覺(jué)傳感器的檢測(cè)原理分析

早期的觸覺(jué)傳感器通常是單一觸覺(jué)傳感器，主要用來(lái)感測(cè)力學(xué)參數(shù)，如滑覺(jué)，握緊力，接近覺(jué)等。為了獲得更多的感測(cè)能力，研究人員將多種觸覺(jué)傳感器組合起來(lái)期望提供多種檢測(cè)能力，但這一時(shí)期的傳感器通常各個(gè)檢測(cè)傳感器是相互獨(dú)立的，且體積較大。隨著各種新材料的問(wèn)世，越來(lái)越多的柔性觸覺(jué)傳感器被研制，他具有更小的體積，更多的敏感元件，能夠檢測(cè)更多的參數(shù)。如CN108709585B，其通過(guò)在壓電材料層上設(shè)置第一至第四電極，在第一和第二電極上設(shè)置第三電極，在第四和第五電極上設(shè)置第六電極，第一和第三電極之間，第四和第六電極之間均設(shè)置N極化半導(dǎo)體材料層，第二和第三電極之間，第五和第六電極之間均設(shè)置P極化半導(dǎo)體材料層，濕度敏感材料覆蓋所有電極和壓電材料。其通過(guò)將電極用敏感材料制作來(lái)減少體積，實(shí)現(xiàn)更多參數(shù)檢測(cè)，采用包含N極化和P極化半導(dǎo)體材料組成具有熱點(diǎn)效應(yīng)的電路使其具備調(diào)節(jié)溫度的功能，通過(guò)特定的檢測(cè)方式能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)壓力和溫濕度的功能。CN111289017B公開了觸覺(jué)傳感器具有襯底，設(shè)置在襯底上的輸入光波導(dǎo)和多模干涉層，多模干涉層的入射端與輸入光波導(dǎo)的出射端相連，多模干涉層作為觸覺(jué)傳感層，其入射端局部被刻蝕掉，形成多個(gè)鏤空孔，構(gòu)成散射擴(kuò)束器結(jié)構(gòu)，利用多模干涉的原理，基于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)傳感。CN111813260B提供了一種解決電容式觸覺(jué)傳感器遲滯誤差和高頻噪聲誤差的方法，其通過(guò)將加載和卸載過(guò)程分別進(jìn)行標(biāo)定和解算，從而在消除高頻噪聲誤差的同時(shí)，有效減小遲滯誤差的影響。

四、總結(jié)

本文梳理了觸覺(jué)傳感器的專利發(fā)展過(guò)程以及主要專利申請(qǐng)人的分布，并對(duì)觸覺(jué)傳感器的部分最近成果進(jìn)行了分析，可以預(yù)料，隨著新材料，新技術(shù)的發(fā)展，更小體積，更多功能的觸覺(jué)傳感器必將越來(lái)越多，其引用也必將越來(lái)越廣.