機器人觸覺傳感技術(shù)研發(fā)的歷史現(xiàn)狀與趨勢

機器人觸覺傳感技術(shù)研發(fā)的歷史現(xiàn)狀與趨勢劉少強黃惟一王愛民宋愛國東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程系

關(guān)鍵字：機器人觸覺觸覺技術(shù)觸覺傳感器研發(fā)摘要:觸覺是機器人實現(xiàn)與外部環(huán)境直接作用的必需媒介.相對其它機器人傳感技術(shù)觸覺傳感技術(shù)已明顯落后.本文從總體上簡要回顧觸覺傳感技術(shù)研發(fā)歷程,分析指出其中的不足與主要原因.在簡述目前觸覺傳感技術(shù)研發(fā)的現(xiàn)狀后,介紹分析機器人技術(shù)發(fā)展的新趨勢及隨之而來的觸覺傳感技術(shù)發(fā)展趨勢.對今后觸覺傳感技術(shù)的研發(fā)提出我們的見解

引言發(fā)展歷程發(fā)展現(xiàn)狀新趨勢未來研發(fā)Ⅰ引言

觸覺是機器人獲取環(huán)境信息的一種僅次于視覺的重要知覺形式,可直接測量對象和環(huán)境的多種性質(zhì)特征.主要任務(wù)是為獲取對象與環(huán)境信息和為完成某種作業(yè)任務(wù)而對機器人與對象、環(huán)境相互作用時的一系列物理特征量進(jìn)行檢測或感知。廣義的說，它包括接觸覺、壓覺、力覺、滑覺、冷熱覺等,狹義的說它是機械手與對象接觸面上的力感覺.

機器人觸覺傳感器主要有檢測和識別功能.檢測功能包括對操作對象的狀態(tài)、機械手與操作對象的接觸狀態(tài)、操作對象的物理性質(zhì)進(jìn)行檢測。識別功能是在檢測的基礎(chǔ)上提取操作對象的形狀、大小、剛度等特征加以分類和目標(biāo)識別.觸覺在功能上與視覺具有互補性.二者相融合可為機器人提供可靠而堅固的知覺系統(tǒng).自80年代以來觸覺傳感技術(shù)雖有了較大發(fā)展,但與機器人視覺等技術(shù)相比明顯落后。從工業(yè)應(yīng)用到業(yè)余愛好的幾乎所有機器人依然沒有使用真正意義上的觸覺傳感器Ⅱ發(fā)展歷程

一、歷程機器人觸覺傳感技術(shù)的研究始于70年代.其發(fā)展歷程可分為三個時段:70年代、80年代、90年代以后。70年代國外的機器人研究已成熱點,但觸覺技術(shù)的研究才開始且很少.當(dāng)時對觸覺的研究僅限于與對象的接觸與否,接觸力大小.雖有一些好的設(shè)想,但研制出的傳感器少且簡陋.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[4].。此期間對傳感器設(shè)計、原理和方法作了大量研究,主要有電阻、電容、壓電、熱電、磁、磁電、力、光、超聲和電阻應(yīng)變等原理和方法[5].開始了對檢測接觸點和區(qū)域、接觸截面形狀、壓力分布的觸覺陣列的研究.研制出了能檢測對象形狀、尺寸、有無、位置、作用力模式和溫度的傳感器.對觸覺信號的處理集中于圖像處理技術(shù),采用計算機視覺研究所用方法研究從觸覺陣列得到的靜態(tài)圖像.因認(rèn)識到動態(tài)信號的重要性,研究了探測應(yīng)力變化、滑動和暫態(tài)接觸的傳感器.后來遵循主動視覺的研究模式開始了主動觸覺研究.從總體上看80年代的研究可分為傳感器研制、觸覺數(shù)據(jù)處理、主動觸覺感知三部分.其突出特點是以傳感器裝置研究為中心[2],主要面向工業(yè)自動化.在此期間主要的、也是常用的觸覺傳感器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是Harmon提出的觸覺傳感器技術(shù)要求[6,4],到80年代末許多人都樂觀的認(rèn)為隨著商品化的傳感器出現(xiàn),觸覺技術(shù)就將成熟,不久的將來觸覺傳感器就將集成到工廠的機器人系統(tǒng)中.90年代的研究繼續(xù)保持增長,并多方向發(fā)展.按寬的分類法,有關(guān)觸覺研究的文獻(xiàn)可分為:傳感技術(shù)與傳感器設(shè)計、觸覺圖像處理、形狀辨識、主動觸覺感知、結(jié)構(gòu)與集成.這個時期的研究還可按不同方式分類,如Lee所列[2].90年代觸覺傳感技術(shù)研發(fā)的成就主要有:(1)對工程問題的研究.如器件封裝、對傳感器性能與操作的深入了解、新材料研究、改變軟接觸特性等.(2)增加對傳感器作用的了解.如通過利用幾種具有不同響應(yīng)率的觸覺傳感器的互補性,使集成系統(tǒng)能在一定范圍內(nèi)處理給定任務(wù)中的不同接觸特征.(3)改進(jìn)了機器人的靈巧手,使多指手對對象的操作性能有了相當(dāng)大的進(jìn)步.(4)觸覺應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域.觸覺傳感器在此領(lǐng)域的應(yīng)用研究已受到關(guān)注.90年代總的特點是觸覺技術(shù)與傳感器未能按先期人們預(yù)料的那樣滲透到工業(yè)領(lǐng)域中,但其研究并未減少,僅僅是從限定的工業(yè)領(lǐng)域的固體世界中轉(zhuǎn)向柔軟些的自然系統(tǒng)里相對無序的世界中[2,4]圖為最早的觸覺傳感器之一

二、發(fā)展中的不足與原因

主要不足：首先觸覺傳感技術(shù)的應(yīng)用和商用化明顯滯后,所取得的研究成果大多停留在實驗室階段,與視覺傳感技術(shù)相比這種不足更明顯[2,4].以國內(nèi)情況為例,國內(nèi)的腕力傳感器在90年代初完成研制后即可進(jìn)入商用.而到現(xiàn)在國內(nèi)外市場上基本上沒有出現(xiàn)耐用、可靠、具有通用性的觸覺傳感器.其次是觸覺技術(shù)研究的內(nèi)容與方法方面存在的不足,尤其在80年代.這些不足主要有對傳感器技術(shù)性能要求不是從市場或從工程應(yīng)用角度確定的,而是由傳感器的研究和制造者確定的[2].存在著過多的從學(xué)術(shù)觀點研究觸覺的現(xiàn)象.有時存在著過多的仿人類感知方式的傾向.對多傳感器系統(tǒng)研究中的互補性重視不夠.

原因：首先是基礎(chǔ)的欠缺,其次是對觸覺傳感器應(yīng)用的技術(shù)與市場定位不當(dāng).

基礎(chǔ)欠缺主要在機理與材料上.觸覺本身很復(fù)雜,研究難度也最大.實現(xiàn)機器人觸覺感知在原理上存在大的困難.與此同時受現(xiàn)有材料科學(xué)、制造加工技術(shù)、工藝等限制,可供觸覺研究選擇的敏感材料及其性能均有限，這使觸覺傳感器的性能從根本上受到限制.80年代以來機器人在制造業(yè)的自動化中得到廣泛應(yīng)用,但觸覺傳感器并未象人們期盼的那樣隨機器人而廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)自動化.究其原因主要在于工業(yè)自動化的環(huán)境是結(jié)構(gòu)化環(huán)境.一方面觸覺傳感器還不具備通用、可靠、耐用等優(yōu)良性能,另一方面經(jīng)過努力研究而使觸覺傳感器具有的形狀識別功能在結(jié)構(gòu)化環(huán)境中要么不需要,要么不及視覺傳感器[2,4],這說明市場定位的不當(dāng)是人們對事物的認(rèn)識受時代局限所致Ⅲ研究現(xiàn)狀隨著機器人技術(shù)的發(fā)展和對智能機器人的認(rèn)識,近年來與觸覺技術(shù)相關(guān)的方面都已充分為人們所關(guān)注,觸覺傳感技術(shù)研究內(nèi)容已非常豐富且具有成效.即使最受關(guān)注的觸覺傳感器設(shè)計研制也從單純的傳感器研究發(fā)展成為對涉及觸覺傳感、控制、信息處理等較復(fù)雜的系統(tǒng)及其過程的研究.

目前觸覺傳感技術(shù)研究的主要特點和趨勢

(1)敏感材料的實驗探索

沒有表面柔順性和缺乏通用性、造價貴、可靠性差被認(rèn)為是觸覺技術(shù)難以商用化的主要原因。因此選擇合適材料研制傳感器倍受關(guān)注.過去最常用而現(xiàn)在用得最廣的柔性材料是壓電材料.羅志增等用各向異性壓阻材料CSA研究了一種高分辨力柔性陣列觸覺傳感器[12].李鐵軍等采用由柔性硅橡膠與導(dǎo)電橡膠制成的整體薄膜作表皮,在皮下結(jié)合充滿電流變流體的絕緣體泡沫結(jié)構(gòu)研制了新型電流變流體柔順觸覺傳感器[13].日本佐賀大學(xué)用柔軟、韌性好的壓感導(dǎo)電橡膠研制了檢測溫度、硬度、熱傳導(dǎo)性的觸覺傳感系統(tǒng)[14]

(2)充分利用新制造工藝技術(shù)

隨著科技的發(fā)展進(jìn)步,制造技術(shù)與工藝有了提高創(chuàng)新.對觸覺傳感技術(shù)的研究也正充分利用新技術(shù).梅濤、戈瑜等利用半導(dǎo)體微機械加工與集成技術(shù)研制了可定量檢測三維接觸力的多功能陣列式觸覺傳感器[15].日本利用表面微加工技術(shù)研制了平面盤繞式線圈,通過多功能復(fù)用這種單一結(jié)構(gòu)的觸覺傳感器可識別材質(zhì)[16].J.Dargahi等利用硅條和PVDF膜構(gòu)成的夾層構(gòu)造研制了一種用于腹腔鏡外科的微加工壓電觸覺傳感器[17].B.L.Gray等用表面微機械加工技術(shù)研究了具有高分辨力的微觸覺傳感器陣列[18].

(3)多功能化目前觸覺傳感器的多功能化(含多功能復(fù)用)[19]主要有以下實現(xiàn)方式.幾種不同敏感元件組合或集成:這種集成或組合傳感器可具有接觸覺、壓覺、滑覺、熱覺、力覺等功能.如文獻(xiàn)[8]介紹的復(fù)合傳感器.利用同一敏感元件在不同激勵下的不同響應(yīng):J.Yuji等利用一種具有熱敏功能的壓感導(dǎo)電合成橡膠研制了可輸出兩種信號的多功能觸覺傳感器,通過有選擇的信號處理可獲得接觸力、溫度變化、接觸狀態(tài)信息[20].利用同一敏感元件的不同效應(yīng):文獻(xiàn)[16]介紹的觸覺傳感器的多功能是利用平面盤繞線圈具有的電感、電容、溫度特性構(gòu)成的.利用敏感材料的微陣列結(jié)構(gòu)具有的力學(xué)特性:文獻(xiàn)[15]中的多維力陣列式觸覺傳感器就是通過分布于微陣列結(jié)構(gòu)不同位置上的電阻受力后變化不同來獲取三維接觸力信息的.(4)傳感器數(shù)據(jù)處理和融合數(shù)據(jù)處理包括處理傳感器數(shù)據(jù)的方法和算法.目前有許多將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、基于模型的方法等應(yīng)用于觸覺數(shù)據(jù)處理的研究.目前關(guān)鍵問題是多信息融合.例如Yama-da等用基于模型的方法對視覺和觸覺數(shù)據(jù)作了融合研究[21],他們把觸覺數(shù)據(jù)用于對一個粗略參數(shù)模型的精細(xì)處理.羅志增等用兩種多信息融合法研究了由熱覺與力覺信息融合實現(xiàn)目標(biāo)樣本分類[22,23].(5)虛擬觸覺傳感器的研究虛擬現(xiàn)實技術(shù)為機器人感知系統(tǒng)提供了新的研究平臺,人們開始利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)平臺研究動態(tài)擬實操作過程的物理模型,以便了解對剛體和變形體操作的動態(tài)特性.為研究基于傳感信息的機器人柔性操作和精密操作,趙春霞等根據(jù)觸覺傳感原理對虛擬觸覺傳感器模型及其實現(xiàn)作了研究[24].面臨的主要困難經(jīng)過三十多年尤其是近十年的發(fā)展,觸覺傳感技術(shù)已開始成熟,但還面臨諸多困難。(1)機理上還存在障礙.人的觸覺不是一個通過皮膚將物理特性轉(zhuǎn)換為電信號的簡單過程,而是綜合復(fù)雜過程,因此難以模仿.(2)受敏感材料限制.人們一直在探索用于觸覺的合適材料,但敏感材料與其性能有賴于材料科學(xué)本身.(3)在原理上幾乎沒有新發(fā)現(xiàn),目前傳感原理主要還是人們所熟知的那些.(4)相對而言可供選用的基礎(chǔ)條件如制造、工藝等還有限.(5)虛擬傳感器研究中模型有效與準(zhǔn)確性還難以保證.(6)缺少有效驅(qū)動力.觸覺技術(shù)進(jìn)步會促進(jìn)機器人的發(fā)展,但觸覺技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動力受制于機器人的發(fā)展.沒有有效的需求就沒有有效的驅(qū)動力.Ⅳ新趨勢機器人技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的新趨勢觸覺傳感技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的趨勢

機器人技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的新趨勢

90年代以來機器人技術(shù)的發(fā)展以向智能化方向發(fā)展為重要標(biāo)志[26],呈現(xiàn)出一些新特點和趨勢.例如傳感型智能機器人發(fā)展加快,微型機器人的研究有所突破,新型智能技術(shù)不斷開發(fā),應(yīng)用領(lǐng)域向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)擴展等.智能機器人技術(shù)快速發(fā)展促進(jìn)了機器人在制造領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展,也使機器人開始向非制造領(lǐng)域擴展.這些非傳統(tǒng)領(lǐng)域有航天、海洋、軍事、醫(yī)療、護(hù)理、服務(wù)、農(nóng)林、采礦等.機器人在這些領(lǐng)域有著廣闊誘人的前景.在當(dāng)今還不能或難以發(fā)展全自主智能機器人的情況下工作于人機交互方式下的具有臨場感的遙操作機器人系統(tǒng)是完成復(fù)雜或有害以及人無法進(jìn)入的環(huán)境下作業(yè)的有力手段[27].而微機器人在現(xiàn)代生物、醫(yī)學(xué)工程,微機械加工與裝配等工程中將大有作為.

觸覺傳感技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的趨勢

機器人在傳統(tǒng)領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)展的同時向非傳統(tǒng)領(lǐng)域擴展,為自身找到了新發(fā)展方向,開托了新市場,有了新動力.作為機器人技術(shù)基礎(chǔ)之一的傳感技術(shù)也是同樣.與制造業(yè)的自動化環(huán)境不同,這些非傳統(tǒng)領(lǐng)域中的環(huán)境一般都是非結(jié)構(gòu)化的甚至高度的非結(jié)構(gòu)化.非傳統(tǒng)領(lǐng)域的環(huán)境的主要物理特征與結(jié)構(gòu)化環(huán)境的特征明顯不同.觸覺技術(shù)的發(fā)展在現(xiàn)有基礎(chǔ)上有不同的側(cè)重點和方向、不同技術(shù)要求與市場需求.對觸覺傳感器須要有不同的定位.無疑這些都將促進(jìn)觸覺技術(shù)及其商用化的進(jìn)程.Ⅴ未來研發(fā)根據(jù)機器人和傳感技術(shù)發(fā)展趨勢,結(jié)合對觸覺特殊性和觸覺技術(shù)研發(fā)的歷史現(xiàn)狀及存在困難的分析思考,在觸覺技術(shù)發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)共存的新形勢下,為加快發(fā)展,我們對未來觸覺傳感技術(shù)的研發(fā)提出幾點見解.在指導(dǎo)原則上

(1)根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)、應(yīng)用任務(wù)要求、市場需求對傳感器進(jìn)行正確的技術(shù)與市場定位.(2)充分考慮與其它傳感技術(shù)的互補性.機器人的各種傳感功能之間關(guān)系密切,其作業(yè)常需不同功能的傳感器.觸覺的某些功能其它感覺也有,但又各有特點,因此必需注重它們的互補性.(3)

避免過分強調(diào)對觸覺采用擬人方式.對人類不能做到的感知也可大力發(fā)展。如超聲傳感等,而這些人不具備的感知可用于觸覺.例如Shinod等基于超聲探測研究了用于觸覺傳感的聲諧振伸張氣囊(acousticresonanttensorcell),實驗表明可獲得有用的多維觸覺特征[30].

在研發(fā)過程中 (1)在新材料、新技術(shù)上的集成與多功能化.與觸覺技術(shù)相關(guān)的基礎(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步與創(chuàng)新有助于觸覺傳感器集成與多功化.文獻(xiàn)[14,31]的多功能傳感器利用了新光刻工藝;文獻(xiàn)[15]的多維力觸覺傳感器利用了MEMS與集成技術(shù).(2)對現(xiàn)有技術(shù)的挖潛與改造.目前很少有新的原理發(fā)現(xiàn),結(jié)合新技術(shù)對現(xiàn)有技術(shù)挖潛改造是一種有效方法.正是有了新光刻工藝技術(shù),才能在柔性基底材料上制作出直徑3mm的平面電感線圈[31],這使電渦流傳感器可實現(xiàn)平面化、微型化、陣列化并具有柔性,從而煥發(fā)出新的活力.(3)多信息融合.在多功能和多傳感器集成觸覺系統(tǒng)中可能含接觸覺、滑覺、力覺、壓覺、接近覺、熱覺等不同功能,而作用對象也具有多種物理特征.每個傳感器的輸出一般與幾項特征有關(guān),多個傳感器也可能同時含與某一項特征有關(guān)的信息.來自不同傳感器的信息也可能相互矛盾.因此必須構(gòu)造或選擇適當(dāng)途徑和方法進(jìn)行信息融合.因信息融合問題本身還未形成基本的理論框架和有效的廣義融合模型與算法,目前的絕大部分工作都是針對特定應(yīng)用領(lǐng)域的問題展開研究[32].(4)未來可能的新功能和特點要求.傳感技術(shù)本身的發(fā)展將呈現(xiàn)新特點,如日本高橋清指出的傳感器的多功能化、由經(jīng)典型向量子型轉(zhuǎn)化等[33].現(xiàn)在的傳感器尺寸大,用經(jīng)典物理可很好的描述.將來隨傳感器微型化,量子效應(yīng)將起作用.現(xiàn)在已有了微工廠的概念(microfactory),由此需要用來辨識微加工與裝配環(huán)境的微觸覺傳感器[34].(5)利用虛擬現(xiàn)實技術(shù).根據(jù)具體任務(wù)性質(zhì)、要求等,基于觸覺傳感原理,用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來研究、仿真觸覺傳感器,有助于對動態(tài)特性的研究且可降低研發(fā)成本、縮短時間、提高效率.參考文獻(xiàn)[1]黃惟一,張慶編著.機器人感覺系統(tǒng)(講義).南京工學(xué)院自控系,1987.9[2]MHLee.TactileSensing:NewDirections,NewChallenges.IntJRoboticsResearch,2000,19(7):636-643[3]HRNicholls,MHLee.Asurveyofrobottactilesensingtech-nology.IntJRoboticsResearch,1989,8(3):3-30[4]MHLee,HRNicholls.Tactilesensingformechatronics-astateoftheartsurvey.Mechatronics,1999,(9):1-31[5]HRNicholls.AdvancedTactileSensingforRobotics.Singa-pore:WorldScientific,1992[6]RDHowe,MRCutkosky.Touchsensingforroboticmanipula-tionandrecognition.in:TheRoboticsReview2,TheMITPress,1992,78-79[7]戈瑜.機器人傳感器的研究與發(fā)展.高技術(shù)通訊,1992,2:1-5[8]羅志增等.HI-1三感覺機械手的研制.機器人,1992,14(4):43-46[9]蔣洪民等.三維觸覺信息獲取方法研究技術(shù)報告.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程系,1997.5[10]張紅芬,李科杰,申延濤.機器人觸覺臨場感系統(tǒng)研究.機器人,2000,22(5):365-370[11]BLGery,SNGottschlich.Atactilesensingsystemfordexter-ousmanipulation.IEEE/RSJIROS,1994:1384-1390[12]羅志增,蔣靜坪.一種高分辨率柔性陣列觸覺傳感器.浙江大學(xué)學(xué)報,1999,33(6):569-573[13]李鐵軍等.電流變流體觸覺傳感器及觸覺信號檢測.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,1999,28(6):4-7[14]JYuji,KShida.Compositemulti-functiontactilesensorforma-terialdiscrimination.TheSymposiumonRoboticsandMecha-tronics,1998,Japan[15]TaoMei,WenJLi,YuGe,etal.AnintegratedMEMSthree-dimensionaltactilesensorwithlargeforcerange.SensorandAc-tuators:Aphysical,2000,880:155-162[16]DeshengLi,KatsunoriShida.Mono-structuretouchsensorwithmulti-functionfordiscriminationofmaterialproperties.TIEEJapan,1995,7:908[17]JDargahi,etal.Amicromachinedpiezoelectrictactilesensorforuseinendoscopicgraspers.ProcofIEEE/RSJInt.Conf.onIn-telligentRobotsandSystems,1998,1503-1508[18]BLGray,RSFcaring.Asurfacemicromachinedmicrotactilesensorarray.Proc.ofIEEEICRA,1996,1-6[19]王祁等.多功能傳感器.傳感器技術(shù),1999,18(1):54-56[20]JYuji,KShida.Anewmultifunctionaltactilesensingtech-niquebyselectivedataprocessing.IEEETransonInstrumenta-tionandMeasurement,2000,49(5):1091-1094[21]YamadaY,etal.Amethodof3-dobjectreconstructionbyfus-ingvisionwithtouchusinginternalmodelswithglobalandlocaldeformations.ProcofIEEEICRA,1993,782-787[22]羅志增,蔣靜坪.應(yīng)用模糊信息融合實現(xiàn)目標(biāo)物體的分類.儀器儀表學(xué)報,1999,20(4):401-404[23]羅志增,蔣靜坪.基于D-S理論的多信息融合方法及應(yīng)用.電子學(xué)報,1999,27(9):100-102[24]趙春霞等.虛擬觸覺傳感器的仿真模型研究.機器人,2000,22(4):260-263[25]ABzostek,etal.Forcevs.deformationinsofttissuepunctureSubmittedforConsiderationtoMICCAI'99(Submission#196)[26]蔡自興.機器人學(xué)