现代工业自动化及智能化程度的不断提高促进了机器人更为广泛的应用，从而促使机器人传感器技术的研究变得十分重要。机器人传感器研究主要有集成化、感知功能复合化及迷你化等三个方向，而触觉检测就是机器人传感器感知功能的一个重要组成部分[1-2]。触觉传感器的研究始于上世纪七十年代，在国外，日本佐贺大学采用柔软韧性好的压感导电橡胶研制了检测温度、硬度、热传导性的触觉传感系统[3]。在国内，罗志增等采用各向异性压阻材料CSA研究了一种高分辨力柔性阵列触觉传感器，但结构复杂；李铁军等采用柔性硅橡胶与导电橡胶研制了新型电流变流体柔顺触觉传感器，但成本较高[4]。
当前所研究的触觉传感器按照其工作原理可划分为以下几类：光传感式、压电式、电容式、磁导式、电容效应式及压阻效应式等等[5-7]。本文介绍的基于PVDF的三维力机器人触觉传感器，是针对当前机器人触觉传感器对抓取过程中三维力信息检测的不足，结合PVDF的压电特性及相关物理参数而设计的一种体积小、结构简单合理、灵敏度高且能有效检测物体三维方向受力信息等优秀特征并且具有较高实用价值的机器人触觉传感器。与传统触觉传感器相比，本设计所测得的三维力信息能够充分反应物体在抓取过程中的受力情况。
1 传感器测量原理
PVDF为聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride)的简称，是一种新型高分子压电材料。根据PVDF压电薄膜的特性，极化后的薄膜在承受了一定方向上的压力形变后，其极化面会产生一定量的电荷，通过相关电路引出电荷并转换成电信号，检测电信号的改变就能测得此时压电薄膜相关面所承受压力形变的具体信息了[8-10]。选取一个四棱台，在其四个侧面上分别粘贴PVDF压电薄膜。在四棱台接触面施加一个作用力F，粘贴在四棱台各侧面上的PVDF压电薄膜会受到不同的压力，也就会产生与该力成正比的电荷。因为各个薄膜所受压力不同，各自所产生的电信号强弱也就不一样，通过对电信号的测量，我们便可计算出力F在四棱台各侧面分力的大小，从而可以抽离出此时物体三维方向上的受力信息。
2 传感器结构与设计方案
基于PVDF压电薄膜的三维力机器人触觉传感器的设计核心部分是传感头，为了能有效测得接触面的三维受力信息，根据上述对三维力测量原理的分析，本文采用图2.1所示作为传感头结构。

图2.1传感头结构设计
Fig. 2.1 the sensor head structure design
由图2.1可知，传感头主要是由基座、四棱台以及PVDF压电薄膜这三部分组成。基座作为支撑，四棱台各面均粘贴有PVDF压电薄膜，四棱台上侧的接触面则为机器手抓取时传感器与物体的接触部位。
3 传感器模型及特性分析
3.1 PVDF传感模型及特性分析
PVDF压电薄膜的某一微单元受力情况及压电元件坐标系的表示方法如图3.1所示。

图3.1 PVDF受力情况及等效模型
Fig 3.1 PVDF force information and equivalent model
这里我们采用数字下标来表示压电元件平面及相关受力方向，X、Y、Z三个轴向分别由1、2、3来表示，围绕X、Y、Z三个轴向的切向作用则由4、5、6来分别表示。通常来说，X轴表示拉伸方向，这是由于PVDF压电薄膜在其延伸方向具有较大的压电常数；Z轴也就是垂直于膜面的方向，表示为极化方向，也是受力方向，这是由于压电常数最大时通常处于极化方向。当传感元件为PVDF压电薄膜时，其压电方程可由式3.1表示
(3.1)
其中： 是电荷密度，是压电系数，是应力，。
当PVDF压电元件的三个轴向同时承受作用力，同时对YZ，XY，XZ各平面均施加切向应力，此时我们可以用一个压电系数矩阵来表示压电材料的压电特性，矩阵如下：
（3.2）
PVDF的压电常数矩阵则为：
（3.3）
表示j方向受力在i方向上产生电场。