柔性觸覺傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用綜述*

何慧娟，王 雷，許德章

(1.安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖241000;2.蕪湖安普機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，安徽 蕪湖241000)

0 引 言

智能機(jī)器人技術(shù)已成為當(dāng)今應(yīng)用廣泛、發(fā)展最引人注目的高新技術(shù)之一。觸覺是機(jī)器人感知外部信息的重要手段，而柔性觸覺傳感器技術(shù)對(duì)于未來(lái)智能機(jī)器人的發(fā)展至關(guān)重要。所謂“柔性”是指觸覺傳感器的物理特性具有類似于人類皮膚一樣的特性，可以覆蓋在任意的載體表面測(cè)量受力信息，從而感知目標(biāo)對(duì)象的性質(zhì)特征［1］?！皺C(jī)器人柔性敏感皮膚”已成為智能機(jī)器人觸覺傳感器技術(shù)領(lǐng)域一個(gè)研究熱點(diǎn)［2］。

20 世紀(jì)80 年代開始，世界各國(guó)開始投入較大的人力財(cái)力物力對(duì)機(jī)器人觸覺傳感器進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究。最早研制觸覺敏感皮膚的是美國(guó)MSI 公司，該敏感皮膚應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人手臂上［3］。印度的研究者根據(jù)壓電陶瓷材料的壓電效應(yīng)制作了一種壓電式觸覺傳感器［4］。2003 年，美國(guó)伊利諾斯州大學(xué)的Engel J 等人研究了用聚酞亞胺和金屬薄膜應(yīng)變計(jì)的柔性觸覺傳感器皮膚［5］。2005 年，美國(guó)航空航天局研制出一種機(jī)器人非接觸式的敏感皮膚［6］。2002 年，南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院研究人員采用光波導(dǎo)原理設(shè)計(jì)出能檢測(cè)三維力的觸覺傳感器［7］。重慶大學(xué)光電技術(shù)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室也研制了一種壓電式四維力觸覺傳感器［8］。除此之外，中科院合肥智能機(jī)械研究所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等都對(duì)觸覺傳感器進(jìn)行了深入研究。使用“Tactile and Sensor”在數(shù)據(jù)庫(kù)搜索論文數(shù)歷年遞增，可以看出觸覺傳感器在學(xué)術(shù)界不斷增長(zhǎng)的研究趨勢(shì)［9］。綜觀國(guó)內(nèi)外的研究成果，觸覺傳感器在機(jī)器人應(yīng)用中的研究經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展已經(jīng)取得了較大進(jìn)步。

1 柔性觸覺傳感器設(shè)計(jì)主要關(guān)鍵問(wèn)題

智能機(jī)器人觸覺感知技術(shù)發(fā)展的總體目標(biāo)是利用新材料、新工藝實(shí)現(xiàn)微型化、集成化，利用新原理、新方法實(shí)現(xiàn)更多種類的信息獲取，并輔以先進(jìn)的信息處理技術(shù)提高傳感器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，以適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用需求［10］。

1.1 敏感材料的選擇

功能敏感材料是傳感器之本，近30 多年來(lái)，科研人員不斷研究各種新的敏感材料和新的敏感機(jī)理來(lái)模仿觸覺，新材料的研究涉及的種類繁多，如基于壓阻式、壓電式、電容式、磁敏式、光電式和超聲式等各種敏感材料，如表1。敏感材料的早期研究主要集中在對(duì)聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)聚合物的壓電柔性材料上，目前主要集中在基于柔軟、韌性好的壓敏導(dǎo)電橡膠和薄膜電容器上。2006 年，Lee H K 等人利用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)制作了一種電容式觸覺傳感器［11］;2008 年，加拿大的Cannata C 研制了一種基于電容式柔性觸覺陣列傳感器［12］。國(guó)內(nèi)重慶大學(xué)的秦嵐等人利用導(dǎo)電橡膠做成大面積的電阻式陣列傳感器［13］;合肥工業(yè)大學(xué)的黃英等人利用導(dǎo)電橡膠做成了三維觸覺傳感器［14］;昆明理工大學(xué)的付朝陽(yáng)等人對(duì)力敏導(dǎo)電橡膠進(jìn)行了理論研究［15］。盡管如此，由于受導(dǎo)電機(jī)理、“敏感材料”制備工藝等因素的制約，導(dǎo)電橡膠觸覺傳感器的研究基本處于理論研究和實(shí)驗(yàn)階段，目前對(duì)于導(dǎo)電橡膠的力敏特性的研究尚未有成熟的壓阻數(shù)學(xué)模型。表1 為不同敏感機(jī)理的特性比較。

表1 各敏感機(jī)理優(yōu)缺點(diǎn)比較與典型設(shè)計(jì)實(shí)例Tab 1 Advantages and disadvantages of each sensitive and typical design examples

1.2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與解耦算法研究

傳感器性能與敏感單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著直接的聯(lián)系，在整個(gè)傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。日本東京大學(xué)的Shimojo M 等人基于力敏導(dǎo)電橡膠設(shè)計(jì)了一種整體性結(jié)構(gòu)的新型柔性觸覺傳感器，該結(jié)構(gòu)只能檢測(cè)單維壓力［26］;中科院智能機(jī)械研究所的沈春山提出一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)三維陣列觸覺傳感器設(shè)計(jì)思想［27］;中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的徐菲基于柔性力敏導(dǎo)電橡膠設(shè)計(jì)了一種具有整體多層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的三維陣列觸覺傳感器，使得研究的觸覺傳感器能夠在具有“類皮膚”柔性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)三維力檢測(cè)功能［1］;中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的丁俊香研究了一種上下層節(jié)點(diǎn)對(duì)稱分布的三維觸覺陣列傳感器的結(jié)構(gòu)與解耦算法，使用注射成型方式將導(dǎo)電橡膠注入到節(jié)點(diǎn)框架結(jié)構(gòu)中［28］。以上各傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的建模和理論分析過(guò)程大多基于敏感材料的理想特性，與實(shí)際應(yīng)用有較大差距，傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍存在許多待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

具有整體性結(jié)構(gòu)的觸覺傳感器，無(wú)法明確地分隔成彼此獨(dú)立的陣列單元，由于橡膠材料的高彈性，任何一點(diǎn)的受力均會(huì)影響到其它所有節(jié)點(diǎn)，因此，受力點(diǎn)之間存在復(fù)雜的耦合現(xiàn)象。有效的解耦算法能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地求解實(shí)際復(fù)雜的陣列傳感器的壓阻數(shù)學(xué)模型，解耦算法亦為觸覺傳感器研究的重要內(nèi)容。國(guó)內(nèi)外研究人員采用多種方法實(shí)現(xiàn)傳感器解耦和多維力信息獲取，Baglio S 依據(jù)模糊邏輯理論實(shí)現(xiàn)傳感器特征信息的檢測(cè)［29］;Peter I 利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)分布式觸覺傳感器進(jìn)行標(biāo)定和誤差修正，實(shí)現(xiàn)了硬件電路的解耦［30］;丁俊香基于同倫理論的解耦算法將傳統(tǒng)的傳感器靜態(tài)解耦轉(zhuǎn)換成動(dòng)態(tài)解耦過(guò)程，適用于大規(guī)模陣列觸覺傳感器的信息解耦［31］。雖然目前關(guān)于解耦算法的研究有很多，但都無(wú)法精確解決三維柔性觸覺陣列傳感器的解耦，選擇適用于柔性材料特性的觸覺陣列傳感器的解耦算法，根據(jù)解耦算法結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化仍是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

1.3 信號(hào)獲取電路設(shè)計(jì)與傳感器標(biāo)定

三維柔性觸覺傳感器采集系統(tǒng)能夠直接獲得由于力的加載而使柔性觸覺傳感器產(chǎn)生彈性形變進(jìn)而使得柔性觸覺傳感器的阻值變化而產(chǎn)生的電壓信號(hào)，并能對(duì)獲取的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。敏感陣列觸覺傳感器信號(hào)獲取電路的一般結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，該采集系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)，將A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)由數(shù)據(jù)采集電路送入計(jì)算機(jī)后處理。若以導(dǎo)電橡膠作為敏感材料，采用陣列式結(jié)構(gòu)，即將觸覺傳感器的壓力—電阻信號(hào)送入到計(jì)算機(jī)中去。

圖1 觸覺傳感器信號(hào)獲取電路框圖Fig 1 Signal acquisition circuit of tactile sensor

柔性觸覺傳感器無(wú)論采用何種材料制作，理論分析基于的理想特性與實(shí)際特性都有一定的差距，因此，需要對(duì)柔性觸覺傳感器進(jìn)行實(shí)際的標(biāo)定，通過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)理論與實(shí)際的誤差并分析原因，對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)和模型進(jìn)一步修正完善。目前，國(guó)內(nèi)外的標(biāo)定方法一般采用砝碼加載式，中科院合肥智能所機(jī)器人傳感器實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種砝碼加載式的六維力傳感器標(biāo)定系統(tǒng)［32］;合肥工業(yè)大學(xué)的黃英利用STM32F103VET6 微處理器設(shè)計(jì)了一種柔性觸覺陣列傳感器的專用智能標(biāo)定平臺(tái)［33］。為了更加準(zhǔn)確、方便、快速地對(duì)柔性三維力觸覺傳感器進(jìn)行標(biāo)定，目前的標(biāo)定平臺(tái)需進(jìn)一步改進(jìn)，需進(jìn)一步完善標(biāo)定方法，使其具備高度的智能化和自動(dòng)化，提高傳感器的測(cè)力精度。

1.4 虛擬觸覺傳感器研究

虛擬觸覺技術(shù)為機(jī)器人觸覺感知提供了新的研究平臺(tái)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)平臺(tái)，根據(jù)具體任務(wù)性質(zhì)、研究動(dòng)態(tài)擬實(shí)操作過(guò)程的“物理模型”，了解對(duì)剛體和變形體操作時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，可降低研發(fā)成本、縮短時(shí)間、提高效率［34］。Harsha A M 研究了一種適用于微創(chuàng)手術(shù)的虛擬觸覺模型［35］;趙春霞等人也對(duì)虛擬觸覺傳感器模型及其實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了研究，用該模型可以較好地揭示拾取操作中與材料特性相關(guān)的接觸力瞬態(tài)特性［36］。目前，虛擬傳感器建模仍存在許多問(wèn)題需要研究者們不斷深入地加以解決。

2 觸覺傳感器在其他方面的應(yīng)用

觸覺傳感器除在機(jī)器人上的應(yīng)用之外，在體育訓(xùn)練、康復(fù)醫(yī)療和人體生物力學(xué)等諸多領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，在制造業(yè)、軍事、航空航天和娛樂等各種新的領(lǐng)域的應(yīng)用也開始大量涌現(xiàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的發(fā)展和各國(guó)研究人員的不斷努力，觸覺傳感技術(shù)在機(jī)器人上的應(yīng)用雖然有了一定發(fā)展，但由于材料科學(xué)、制造加工技術(shù)、工藝等限制，相對(duì)于其他傳感器而言還有一定差距，觸覺傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀距能滿足當(dāng)前機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用需求尚有較大的距離。柔性觸覺等傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用技術(shù)在未來(lái)的發(fā)展?jié)摿κ秋@而易見的，許多成功的公司，如美國(guó)洛杉磯Pressure Profile Systems 公司、美國(guó)波士頓Tekscan 公司都證明了此項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)品市場(chǎng)存在的價(jià)值，成功的商業(yè)產(chǎn)品亦為此技術(shù)的進(jìn)一步研究提供了動(dòng)力和資金支持，觸覺已不再局限于實(shí)驗(yàn)室研究，市場(chǎng)產(chǎn)品需求正日益增長(zhǎng)。

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