機器人感知智能 教案-第2章 機器人觸覺感知

PAGEPAGE27授課周次第周授課時間2024年月日至2024年月日課程章節(jié)第二章機器人觸覺感知2.1機器人觸覺感知概述2.2機器人觸覺感知傳感器類型1、機器人柔性觸覺傳感器2、機器人陣列觸覺傳感器3、機器人壓覺傳感器4、機器人硬度傳感器5、機器人滑覺傳感器6、機器人空間機械臂力/力矩傳感器教學目的1、理解機器人觸覺感知概念2、理解機器人觸覺感知類型內(nèi)容提要及板書設計第二章機器人觸覺感知2.1機器人觸覺感知概述2.2機器人觸覺感知傳感器類型1、機器人柔性觸覺傳感器2、機器人陣列觸覺傳感器3、機器人壓覺傳感器4、機器人硬度傳感器5、機器人滑覺傳感器6、機器人空間機械臂力/力矩傳感器重點、難點及解決方案重點：機器人觸覺感知概念難點：機器人柔性和陣列觸覺感知原理教學內(nèi)容時間分配序號教學內(nèi)容1機器人觸覺感知概念102機器人觸覺感知類型203機器人柔性和陣列觸覺感知204機器人壓覺、硬度、滑覺感知205機器人空間機械臂力/力矩傳感器20教學手段講解教學形式（在右欄勾選）理實一體（）理論教學（）實驗（）實訓（）上機（）作業(yè)作業(yè)完成方式書面（）電子（）教學后記注：教案按周次填寫，課堂組織和教學過程設計填寫在附頁中。附頁：第周序號具體內(nèi)容（課堂組織和教學過程設計）授課改進意見及實時教學效果記錄第2章機器人觸覺感知2.1機器人觸覺感知概述機器人觸覺是模擬人的感覺，廣義的說它包括接觸覺、壓覺、力覺、滑覺、冷熱覺等與接觸有關的感覺，狹義的說它是機械手與對象接觸面上的力感覺機器人假手獲取觸覺信息一般是通過觸覺傳感器實現(xiàn)的，通過加載在機器人假手上的觸覺傳感器，假手的控制單元能收到假手抓握時的觸覺信息，并根據(jù)觸覺信息來調(diào)控假手的抓握力度。圖2.1配備觸覺傳感器的智能機器人手隨著硅材料微加工技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，觸覺傳感器已逐步實現(xiàn)了集成化、微型化和智能化。2.2機器人觸覺感知傳感器類型按照所實現(xiàn)的功能，觸覺傳感器可分為接觸覺傳感器、力-力矩覺傳感器、壓覺傳感器、硬度傳感器、表面粗糙度傳感器和滑覺傳感器等。針對接觸覺傳感器還可分為柔性觸覺傳感器和陣列觸覺傳感器。2.2.1機器人柔性觸覺傳感器一、壓阻式柔性觸覺傳感器柔性觸覺傳感器的實現(xiàn)方式很多，主要分為壓阻式、壓電式和電容式。相較于壓電式和電容式，壓阻式柔性觸覺傳感器監(jiān)測范圍大、靈敏度高、成本低廉、工藝簡單，是過去和未來柔性觸覺傳感器發(fā)展的主要方向。圖2.2壓阻式柔性觸覺傳感器由于導電敏感材料的不同，壓阻式柔性觸覺傳感器可以分為基于導電聚合物的壓阻式柔性觸覺傳感器和基于導電溶液的壓阻式柔性觸覺傳感器。二、壓電式柔性觸覺傳感器壓電式柔性觸覺傳感器是基于壓電材料的壓電效應，基于壓電效應的壓電觸覺傳感器由于其結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、經(jīng)久耐用、靈敏度高、可靠性好等優(yōu)點而被廣泛使用。圖2.4壓電效應原理常用的壓電材料有聚偏氟乙烯高分子薄膜、壓電陶瓷以及部分金屬氧化物等?；诰燮蚁└叻肿颖∧ぴO計的仿人手指壓電式柔性觸覺傳感器。圖2.7聚偏氟乙烯薄膜設計的仿人手指對不同柔性觸覺傳感器的優(yōu)缺點總結(jié)如下表所示。2.2.2機器人陣列觸覺傳感器陣列式觸覺傳感器是機器人最重要的傳感器之一，它具有強有力的感知能力，能夠?qū)崿F(xiàn)很多視覺無法達到的功能，從而使機器人實現(xiàn)智能控制。一、壓阻式陣列觸覺傳感器陣列的壓阻式觸覺傳感器出現(xiàn)彌補了壓阻式觸覺傳感器在更高維度的數(shù)據(jù)來判度力的大小、分布、以及接觸的部位這一方面的不足。壓阻式陣列觸覺傳感器的制作一般分為以下三步：（一）壓阻式觸覺傳感器的設計；（二）壓阻式傳感器的陣列中觸覺傳感單元排列和固定；（三）檢測信號的采集及分析。圖2.9傳感器多層陣列二、電容式陣列觸覺傳感器機器人電容式觸覺陣列傳感器通過檢測電容變化量來測量受力的大小，此外，為了感覺更加細小單元的力，采用垂直交叉電極的形式，即陣列形式，可以減少引線的數(shù)目，通過對電容陣列傳感器的行、列掃描來確定受力點的位置。圖2.10電容式陣列觸覺傳感器2.2.3機器人壓覺傳感器壓覺傳感器又稱壓力覺傳感器，是安裝于機器人手指上、用于感知被接觸物體壓力值大小的傳感器。壓覺傳感器常用的檢測元件種類很多，諸如電容、壓電元件，壓磁元件，應變片等，它們各自有不同的優(yōu)缺點，其中應變式壓覺傳感器最為常見。2.2.4機器人硬度傳感器機器人硬度傳感器是能感受材料硬度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的機器人觸覺傳感器。硬度是力學性能指標之一，它的重要性不僅體現(xiàn)在它的物理意義本身，還體現(xiàn)在它與抗拉強度和耐磨性等的密切關系上。2.2.5機器人滑覺傳感器為了在抓握物體時確定一個適當?shù)奈樟χ?，需要實時檢測接觸表面的相對滑動，然后判斷握力，在不損傷物體的情況下逐漸增加力量，滑覺檢測功能是實現(xiàn)機器人柔性抓握的必備條件?；X傳感器按被測物體滑動方向可分為三類：無方向性、單方向性和全方向性傳感器。其中無方向性傳感器只能檢測是否產(chǎn)生滑動，無法判別方向；單方向性傳感器只能檢測單一方向的滑移；全方向性傳感器可檢測個方向的滑動情況。2.2.6機器人空間機械臂力/力矩傳感器隨著我國空間站建設和深空探測等空間技術(shù)的迅速發(fā)展，對空間機械臂技術(shù)的需求越來越迫切，而智能化的空間機械臂可以更好地完成作業(yè)任務。力/力矩傳感器作為智能化空間機械臂的關鍵部件之一，可提供實時的力和力矩信息，幫助空間機械臂機器人系統(tǒng)實現(xiàn)自動反饋控制，因此越來越受到重視。圖2.12空間機械臂的模型授課周次第周授課時間2024年3月13日至2024年3月17日課程章節(jié)第2章機器人觸覺感知2.3機器人觸覺感知的最新研究技術(shù)1、神經(jīng)網(wǎng)絡智能算法2、神經(jīng)元系統(tǒng)感知學習3、電子皮膚智能觸感4、多功能集成觸覺傳感2.4機器人觸覺感知的發(fā)展趨勢 1、多種先進柔性材料的開發(fā)2、可穿戴觸覺傳感器的研發(fā)3、植入式電子設備的研制4、觸覺傳感器陣列技術(shù)5、其他與觸覺相關的技術(shù)發(fā)展趨勢2.5機器人觸覺感知的實際應用教學目的1、理解機器人觸覺感知最新技術(shù)和發(fā)展趨勢2、了解機器人觸覺感知實際應用內(nèi)容提要及板書設計第2章機器人觸覺感知2.3機器人觸覺感知的最新研究技術(shù)1、神經(jīng)網(wǎng)絡智能算法2、神經(jīng)元系統(tǒng)感知學習3、電子皮膚智能觸感4、多功能集成觸覺傳感2.4機器人觸覺感知的發(fā)展趨勢 1、多種先進柔性材料的開發(fā)2、可穿戴觸覺傳感器的研發(fā)3、植入式電子設備的研制4、觸覺傳感器陣列技術(shù)2.5機器人觸覺感知的實際應用重點、難點及解決方案重點：機器人觸覺感知實際應用難點：機器人觸覺感知最新技術(shù)和發(fā)展趨勢教學內(nèi)容時間分配序號教學內(nèi)容1機器人觸覺感知的最新研究技術(shù)302機器人觸覺感知的發(fā)展趨勢 303機器人觸覺感知的實際應用30教學手段講解教學形式（在右欄勾選）理實一體（0）理論教學（）實驗（）實訓（）上機（）作業(yè)作業(yè)完成方式書面（）電子（）教學后記

附頁：第周序號具體內(nèi)容（課堂組織和教學過程設計）授課改進意見及實時教學效果記錄2.3機器人觸覺感知的最新研究技術(shù)2.3.1神經(jīng)網(wǎng)絡智能算法神經(jīng)網(wǎng)絡標志著人工智能發(fā)展的巨大飛躍，具有大規(guī)模并行處理、分布式信息存儲、良好的自組織自學習能力等特點，人工神經(jīng)網(wǎng)絡的智能算法應用于機器人智能感知，將為其注入新的血液。圖2.13由機器人操縱器形成的完整實驗系統(tǒng)2.3.2神經(jīng)元系統(tǒng)感知學習生物感官感知系統(tǒng)通過修改神經(jīng)元互連網(wǎng)絡之間的連接強度，將感知轉(zhuǎn)移到認知和意識，這使我們能夠精確地感知并對復雜的現(xiàn)實世界問題做出適當?shù)姆磻?。賦予機器人和假肢這種感知學習能力，可以潛在地擴展它們的認知和適應性。圖2.14用于驗證廣義重建能力的不同觸覺刺激的測量結(jié)果對比2.3.3電子皮膚智能觸感隨著電子和計算機科學的快速發(fā)展，為了使人形機器人能夠提供先進的服務，使用人類皮膚啟發(fā)的人工智能皮膚來幫助它們與用戶互動并感知環(huán)境刺激，這引起越來越多的關注。圖2.17仿生觸覺水凝膠電子皮膚實物與應用2.3.3電子皮膚智能觸感想要制作出能夠替代人體四肢的假肢，需要深入了解人體皮膚的組成及功能結(jié)構(gòu)。解剖學告訴我們，人類的皮膚是多層結(jié)構(gòu)，每一層都有其獨特的功能。具體來說，表皮形成了一層保護層；真皮層起到緩沖身體壓力和應變的作用，并能感知觸摸和熱。圖2.18受人體皮膚啟發(fā)的觸覺傳感器設計2.3.4多功能集成觸覺傳感隨著不同類型的機器人觸覺感知技術(shù)的發(fā)展，使機器人能夠感知多維物理變化成為研究主流，例如觸摸，壓力，和溫度。多個傳感器的集成仍然非常具有挑戰(zhàn)性，通常需要設計復雜的結(jié)構(gòu)和制造工藝，并且可能遭受多種刺激感知的相互干擾。圖2.19多功能軟機器人手指的示意圖2.4機器人觸覺感知的發(fā)展趨勢觸覺傳感技術(shù)的研究始于20世紀70年代。80年代是機器人觸覺傳感技術(shù)研究、發(fā)展的快速增長期，此期間對傳感器設計、原理和方法作了大量研究。90年代對觸覺傳感技術(shù)的研究繼續(xù)保持增長并多方向發(fā)展。在幾十年的發(fā)展歷程中，國內(nèi)外的科研人員在傳感器工作機理的研究、敏感材料的開發(fā)、傳感器的結(jié)構(gòu)設計、觸覺圖像的處理等多方面都做了大量的工作，并取得了巨大的成就。2.4.1多種先進柔性材料的開發(fā)近年來，由于其柔韌性和生物相容性和可設計性，水凝膠被廣泛用于組織工程、可穿戴設備和柔性電極等各個領域。圖2.20雙網(wǎng)絡瓊脂水凝膠的制備和性能當前，還有一種導電性能比較出色的材料-銀納米線（AgNW）能夠作為觸覺傳感器的材料。圖2.21AgNW/PDMS傳感器的制作過程2.4.2可穿戴觸覺傳感器的研發(fā)北京納米能源與系統(tǒng)研究所潘曹峰研究員團隊通過叉指微電極與納米纖維薄膜相結(jié)合設計并構(gòu)筑了一種結(jié)構(gòu)簡單的可穿戴高性能壓力傳感器，實現(xiàn)了高靈敏寬響應可穿戴壓力傳感。圖2.22基于新型二維材料MXene的可穿戴傳感器2.4.3植入式電子設備的研制材料科學和制造技術(shù)的快速進步極大促進了柔性可延展傳感電子器件的發(fā)展。采用柔性材料可以承受更多顯著的機械形變。當電子器件穿戴在人體皮膚或者彎曲表面時，器件和柔軟的人體組織之間的機械不匹配是該領域需要解決的關鍵科學問題之一。2.4.4觸覺傳感器陣列技術(shù)觸覺傳感陣列通常是由多個觸覺傳感單元構(gòu)成的觸覺傳感器。觸覺傳感單元能夠測量單點的接觸力，而觸覺傳感陣列由于集成了多個傳感單元，因此具備分布式接觸力的檢測。圖2.23觸覺傳感陣列的應用2.5機器人觸覺感知的實際應用2.5.1機器人觸覺感知產(chǎn)品松果體機器人深圳市松果體機器人科技有限公司研制的松果體機器人，其機器觸覺傳感器與物理界面接觸之后，可以將物理界面上的變形、紋理等物理信息直接映射到傳感器中，并利用后方的光學捕捉技術(shù)對界面變形完成捕捉，最后利用算法重建表面精確的觸覺信息。圖2.24松果體機器人Finger系列產(chǎn)品材料搬運機器人觸覺———微型手和柔性夾爪柔性夾爪（見圖２２６）主要由柔性手指模塊、支架、機械臂連接件構(gòu)成。其中，柔性手指模塊由特殊的硅橡膠材料澆筑成型，具有柔韌性好、壽命長、可靠性高等特點。支架及機械臂連接件部分由航空級高強度鋁合金制作而成，重量輕、強度高，可輕松應對各種工業(yè)場合。不同于傳統(tǒng)手爪的剛性結(jié)構(gòu)，此夾爪依靠柔軟的氣動“手指”，能夠完美模擬人手抓取動作，自適應地包裹住目標物體，無須根據(jù)物體的精確尺寸、形狀和硬度進行預先設置，擺脫了傳統(tǒng)生產(chǎn)線對來料的種種束縛，尤其適用于異形、易損的各類產(chǎn)品。圖2.26柔性夾爪示意圖范德華力吸盤范德華力吸盤靈感來自于對壁虎腳掌微觀特征的觀測和模仿，通過特殊的聚合物材料和微米級的表面微觀成型工藝，使吸盤能夠與各種物體表面產(chǎn)生強烈的分子間作用力，吸附力度可達0.5kg/cm3。得益于其特殊的吸附機理，無需供電、供氣或編程，簡單可靠，能夠吸附多孔工件，甚至在真空環(huán)境下正常使用，極大地拓展了自動化設備的應用范疇。圖2.30范德華力吸盤的抓取過程智能化焊接機器人智能化焊接機器人工作站是一種具備較高自動化程度的焊接設施，繁瑣重復的人工焊接作業(yè)可以被機器人手臂代替，智能化焊接機器人不單具備了自動尋位、自動焊接、自動清槍等功能，同時也是提升焊接質(zhì)量、改善人員工作環(huán)境的一個重要手段。圖2.31焊接機器人工作站示意圖反饋手套Meta公司（原Facebook）發(fā)布的一款硬件產(chǎn)品——觸覺手套，把虛擬世界的觸感帶到了我們的指尖。手套通過搭載大量的追蹤和反饋部件，比如微流體觸覺反饋層壓板、氣動控制架構(gòu)，它可以復制手指抓住物體或者沿著物體表面運動的感覺，讓人在虛擬現(xiàn)實世界中，清晰地感受到與虛擬物體交互時的觸覺。圖2.33Meta公司制作的觸覺手套電子皮膚電子皮膚，又名新型可穿戴柔性仿生觸覺傳感器，是貼在“皮膚”上的電子設備，因而習慣性的被稱為電子皮膚。相較于傳統(tǒng)的剛性觸覺傳感器，電子皮膚更加輕薄柔軟，可被加工成各種形狀，像衣服一樣附著在人體或者是機器人的身體表面，使其具備感覺和觸覺。目前，電子皮膚主要應用于人體生理參數(shù)檢測和機器人柔性觸覺傳感器兩大領域。通過將電子皮膚安裝到人體對應的關鍵部位，從而實現(xiàn)人體心率、血壓、肌肉張力等生理參數(shù)的檢測。通過將電子皮膚貼附在機器人手指、手臂上，使得機器人獲得了感受外界觸摸力的能力。作為一種新興的智能傳感器，電子皮膚被大量用于制造各種智能產(chǎn)品，例如用于生理參數(shù)檢測的智能服裝以及具有觸覺感知的智能機器人。圖2.35機械刺激觸覺感受器分類與物理位置及手腕部位的皮膚拉伸2.5.2機器人觸覺在醫(yī)療領域的應用20世紀80年代，機器人被首次引入醫(yī)療行業(yè)，經(jīng)過40余年的發(fā)展，機器人被廣泛應用于危重患者轉(zhuǎn)運、外科手術(shù)及術(shù)前模擬、微損傷精確定位操作、內(nèi)鏡檢查、臨床康復與護理等多個領域。醫(yī)療機器人已經(jīng)成為一個新型的、前沿性的學術(shù)領域，不僅促進了傳統(tǒng)醫(yī)學的革新，也帶動了新技術(shù)、新理論的發(fā)展。康復機器人和輔助機械臂機器人產(chǎn)品服務與殘疾人始于20世紀60年代，由于技術(shù)水平的限制和價格太高的影響，直到20世紀80年代才真正步入產(chǎn)品研究階段?？祻蜋C器人主要分為上肢康復機器人和下肢康復機器人。第一臺商業(yè)化的上肢康復機器人是1987年英國MikeTopping公司研制的Handy。瑞士的Hocoma公司研制的Lokomat機器人也可以用于下肢恢復圖2.37康復機器人（a）MyoPro康復機器人（b）Lokomat下肢恢復機器人機械手搬運式自動化藥房機械手搬運式自動化藥房主要是依靠一個機械手來完成包裝盒類藥物的出庫及人庫，其主要工作原理是利用真空吸附和機械加持相互配合協(xié)調(diào)動作的機械手，完成藥品在特定空間內(nèi)的轉(zhuǎn)移。藥品密集存儲在水平的儲藥架上，每種藥品都有自己特定的位置。該種形式的藥房自動化設備能夠?qū)崿F(xiàn)藥品的密集存儲和智能管理。機械手搬運式自動化藥房的典型代表是德國ROWA公司的自動化藥房。2.5.3機器人觸覺在水下機器人領域的應用水下的環(huán)境惡劣且復雜，人的潛水深度有限，所以開發(fā)海洋資源行業(yè)對水下機器人的需求也越來越大，而目前水下機器人主要運用在海上救援、石油開發(fā)、地貌勘察、科研、水產(chǎn)養(yǎng)殖、水下船體檢修與清潔、潛水娛樂、城市管道檢測等領域。其中，水下機器人手爪水下自主作業(yè)是非常重要的關鍵技術(shù)之一。當前國內(nèi)外水下機器人都沒有比較完善的信息感知系統(tǒng)，極大地制約了水下機器人手爪的作業(yè)能力。與陸地上使用的機器人觸覺技術(shù)不同，水下機器人手爪感知系統(tǒng)還應該考慮一些特殊需求。北京理工大學郭書祥教授提出了母子機器人系統(tǒng)，其中多個微型機器人作為子機器人，以及一個兩棲球形機器人作為母機器人。圖2.39母子機器人的水平推力實驗一、水下液壓機械手中國科學院