随着人工智能技术的快速发展,智能机器人在生产和生活中扮演了越来越重要的角色,随之而来的是机器人对外界信息的采集问题。视觉传感技术在面临复杂多样的工作环境时,其采集效率将大打折扣,在此条件下,触觉传感技术的研究越来越获得广大科研工作者的重视,而触觉传感器作为触觉传感技术实现的重要手段,也得到了深入的研究。随着制造技术的发展和材料科学的进步,近年来触觉传感器的研究已经有了长足的进步,但是仍然存在很多不足,主要表现在无法实现三维力测量、分辨率较低、灵敏度不足和重复性较差等,这些缺陷严重限制了触觉传感器的推广和应用。为了研制高精度、高分辨率和高柔性的触觉传感器,本文从电容式触觉传感器的敏感单元出发,首先对其构建数学模型,分别从二维模型和三维模型的角度对传感器进行受力分析与研究。然后在结构设计和材料选择上进行对比分析,最终完成了三维电容式柔性触觉传感器的整体设计,实现了对三维力的测量。对所设计的电容式触觉传感器的介质层进行改进研究,分别采用圆柱体、四棱台和金字塔阵列微结构代替整体PDMS材料介质层,提高了电容式触觉传感器的灵敏度,并研究了各种微结构下传感器的受力分布、法向与剪切方向受力时的电容变化和灵敏度情况,确定了受力时变形最大的阵列结构。多角度分析了各种影响因素对所设计的电容式触觉传感器灵敏度的影响情况。研究了介质层PDMS材料杨氏模量的改变对传感器本身灵敏度的影响;考虑到触觉传感器的工作环境复杂多变,进一步研究了考虑封装应力时,温度对传感器工作特性的影响;另外,还分析了传感器受力层磨损时,对传感器自身剪切方向灵敏度的影响。所设计的电容式触觉传感器具有超薄和微型的特征,其电容变化量也十分微小,由此采用基于交流电桥的动态微电容检测电路和实时峰值检波电路,实现了将电容式触觉传感器的电容变化量转化为对应的电压信号输出。