智能機(jī)器人觸覺傳感專利技術(shù)綜述

崔芳婷 李歡歡

摘要：觸覺是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)與外部環(huán)境直接作用的必須媒介。本文針對(duì)機(jī)器人觸覺傳感技術(shù)的全球?qū)＠暾?qǐng)概況、專利分布和重要申請(qǐng)人專利布局進(jìn)行分析，梳理機(jī)器人觸覺傳感技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)和趨勢(shì)，指明了該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)、重點(diǎn)，最后從現(xiàn)有技術(shù)角度分析未來技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：智能機(jī)器人;觸覺;傳感

中圖分類號(hào)：TP24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2020）03-0140-07

1 概述

觸覺是機(jī)器人獲取環(huán)境信息的一種重要知覺形式，是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)與環(huán)境直接作用的一種必要方式。與視覺不同，觸覺本身有很強(qiáng)的敏感能力可直接測量對(duì)象和環(huán)境的多種性質(zhì)特征。

觸覺的主要任務(wù)是為獲取對(duì)象與環(huán)境信息和為完成某種作業(yè)任務(wù)而對(duì)機(jī)器人與對(duì)象、環(huán)境相互作用時(shí)的一系列物理特征量（接觸力的大小、柔軟性、硬度、彈性、粗糙度、形狀等）進(jìn)行檢測或傳感。機(jī)器人觸覺與視覺一樣基本上是模擬人的感覺，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(guān)的感覺，狹義的說它是機(jī)械手與對(duì)象接觸面上的力感覺。機(jī)器人觸覺傳感器主要有檢測和識(shí)別功能：檢測功能包括對(duì)操作對(duì)象的狀態(tài)、機(jī)械手與操作對(duì)象的接觸狀態(tài)、操作對(duì)象的物理性質(zhì)進(jìn)行檢測;識(shí)別功能是在檢測的基礎(chǔ)上提取操作對(duì)象的形狀、大小、剛度等特征，以進(jìn)行分類和目標(biāo)識(shí)別。

現(xiàn)今國內(nèi)外關(guān)于機(jī)器人觸覺傳感的研究朝著大面積化、集成化、柔性化發(fā)展，具體體現(xiàn)在對(duì)于機(jī)器人觸覺皮膚的研究愈來愈廣泛深入。類似于人類皮膚，機(jī)器人皮膚不僅可以像人類皮膚那樣傳感外部環(huán)境信息，還可通過傳感器實(shí)現(xiàn)信息的定量檢測。而國內(nèi)外機(jī)器人觸覺系統(tǒng)則朝向多元化、智能化、擬人化方向發(fā)展，具體體現(xiàn)在機(jī)器人使用觸覺進(jìn)行類似于人的情感交互，如日本的“妻子”機(jī)器人，遠(yuǎn)程陪護(hù)等。

因此，本文針對(duì)國內(nèi)外專利數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，尋找機(jī)器人觸覺傳感技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)和專利布局情況，為機(jī)器人觸覺交互技術(shù)領(lǐng)域提供技術(shù)發(fā)展方向和專利布局指導(dǎo)。

2 全球?qū)＠暾?qǐng)概況

2.1 數(shù)據(jù)來源及檢索要素

本文采用中國專利文摘數(shù)據(jù)庫（CNABS）、德溫特世界專利索引數(shù)據(jù)庫（DWPI）和世界專利文摘數(shù)據(jù)庫（SIPOABS）。其中，CNABS用于中文專利檢索;利用DWPI以及SIPOABS兩者的結(jié)合完成英文庫專利的檢索。檢索的截止日期為2019年06月31日。而部分發(fā)明專利申請(qǐng)存在公開的延時(shí)，由此導(dǎo)致部分的專利申請(qǐng)由于未公開而不在本次文獻(xiàn)采集之列。接下來主要以關(guān)鍵詞和分類號(hào)檢索獲得的2424篇專利申請(qǐng)為基礎(chǔ)對(duì)專利申請(qǐng)進(jìn)行分析。

2.2 全球?qū)＠暾?qǐng)量分析

最早的機(jī)器人傳感技術(shù)出現(xiàn)自1974年，是由日立提出了一種自動(dòng)焊接機(jī)器人，自動(dòng)焊接機(jī)器人通過手臂上安裝的觸覺裝置來感測工件的姿態(tài)。機(jī)器人的出現(xiàn)極大地提高了生產(chǎn)效率，因此，最早對(duì)于機(jī)器人傳感技術(shù)的研究集中于工業(yè)機(jī)器人的觸覺（力覺、滑動(dòng)覺），用于為機(jī)器人提供觸覺傳感，輔助機(jī)器人完成工業(yè)任務(wù)。并且專利申請(qǐng)量在1983年達(dá)到一波小高峰。然而，受限于觸覺傳感器技術(shù)的發(fā)展，將觸覺傳感器應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人的研究也在經(jīng)歷了80年代的小高峰后進(jìn)入低迷時(shí)期，1990-2000年間，申請(qǐng)量均未超過20件。而在2000-2010年間，伴隨著智能機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，使得觸覺傳感技術(shù)的年專利申請(qǐng)量迅速增長了3倍，進(jìn)入快速增長階段。而從2010年至今，觸覺傳感技術(shù)進(jìn)入了急速增長階段，伴隨著智能機(jī)器人的廣泛應(yīng)用和精密加工技術(shù)的快速發(fā)展，各國各類企業(yè)開始在該領(lǐng)域開展研發(fā)并著手進(jìn)行專利布局[1]。

由圖1可以看出，智能機(jī)器人觸覺傳感技術(shù)中國專利申請(qǐng)量基本與全球申請(qǐng)量趨勢(shì)保持一致，基本上保持逐步增長的態(tài)勢(shì)，其中在2001年加入WTO之后開始快速增長，并且在2010年之后與全球申請(qǐng)量一樣進(jìn)入急速增長階段。中國的智能機(jī)器人觸覺傳感技術(shù)專利申請(qǐng)相比于全球起步較晚，第一件專利申請(qǐng)出現(xiàn)在80年代，這主要是由于國內(nèi)申請(qǐng)人技術(shù)起步較晚，并且早期國內(nèi)機(jī)器人市場較小，國外申請(qǐng)人對(duì)中國市場不夠重視。2005年之后，隨著國內(nèi)技術(shù)的發(fā)展和中國經(jīng)濟(jì)的增長，國內(nèi)申請(qǐng)人的專利申請(qǐng)量開始快速增長，并在2011年超過了國外來華以及中國臺(tái)灣中國香港申請(qǐng)人的申請(qǐng)量，而在2014年之后，國內(nèi)申請(qǐng)人專利的申請(qǐng)量占據(jù)了絕對(duì)數(shù)量優(yōu)勢(shì)。

2.3 各國家/地區(qū)/組織專利申請(qǐng)分析

由圖2可以看出，美國、中國、日本、歐洲、韓國關(guān)于智能機(jī)器人觸覺傳感技術(shù)的申請(qǐng)量位居前五位，其中美國、中國、日本的專利申請(qǐng)量占了總申請(qǐng)量的近60%。其中美國和中國并居第一，均占申請(qǐng)總量的28%;其次歐洲和日本的申請(qǐng)，分別占申請(qǐng)總量的16%和15%?？梢?，美國、中國和日本在智能機(jī)器人觸覺傳感領(lǐng)域投入的研究較多。

2.4 五局申請(qǐng)流向分析

進(jìn)一步地，機(jī)器人觸覺傳感技術(shù)的主要首次申請(qǐng)國和目的地國的五局流向（中國、日本、韓國、美國、歐洲）進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，每個(gè)首次申請(qǐng)國的主要申請(qǐng)目的地是自己本國（如圖2所示）。其次可以發(fā)現(xiàn)，日本、歐洲、韓國除了重視本國專利布局外還特別重視對(duì)美國專利布局，美國在中國、日本、歐洲和韓國的申請(qǐng)量較平均，注重全球布局;日本在中國、美國、歐洲和韓國的申請(qǐng)量較平均，同樣注重全球布局。相比于美國、日本、韓國、歐局對(duì)其他國家的專利布局比較重視，中國目前還主要是針對(duì)本國進(jìn)行布局，對(duì)其他國家布局較少。

2.5 全球重要申請(qǐng)人分析

從全球?qū)＠暾?qǐng)量排名前20位的申請(qǐng)人來看，主要來自日本、中國和美國。其中日本占據(jù)7個(gè)席位，中國占據(jù)5個(gè)席位，美國占據(jù)3個(gè)席位。其中，日本申請(qǐng)人主要為電子企業(yè)，包括精工愛普生、發(fā)那科、松下電器、佳能、川崎重工業(yè)、索尼等，并且精工愛普生的全球的申請(qǐng)量位列第一，發(fā)那科緊隨其后，位居第二。

中國申請(qǐng)人中主要為高校和科研機(jī)構(gòu)，如東南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、清華大學(xué)等，而企業(yè)僅占據(jù)1個(gè)席位，為鴻富錦精密;美國申請(qǐng)人企業(yè)包括伊西康內(nèi)外科、直觀外科手術(shù)、柯惠LP，其主要涉及為醫(yī)療器械為主的制造企業(yè)。

圖5示出了國內(nèi)申請(qǐng)人在智能機(jī)器人觸覺傳感領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)的情況。與全球主要申請(qǐng)人相比，國內(nèi)主要申請(qǐng)人在申請(qǐng)量上具有一定的差距，申請(qǐng)量相對(duì)較少。其排名前10的中國申請(qǐng)人中，高校和科研機(jī)構(gòu)占據(jù)7個(gè)席位，且申請(qǐng)量占比具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，而企業(yè)僅占3個(gè)席位，申請(qǐng)量占比較低。值得注意的是，東南大學(xué)在智能機(jī)器人觸覺傳感領(lǐng)域申請(qǐng)量位居第一，其是位列第二的哈爾濱工業(yè)大學(xué)的申請(qǐng)的兩倍之多;東南大學(xué)的申請(qǐng)多來自于發(fā)明人為宋愛國的團(tuán)隊(duì)，其在科研學(xué)術(shù)的成果也主要集中在智能機(jī)器人觸覺傳感技術(shù)。

3 專利技術(shù)發(fā)展路線

3.1 單一觸覺傳感器

機(jī)器人研究起源于人類希望機(jī)器人能夠代替人類完成某些重復(fù)性、危險(xiǎn)性或者不希望從事的工作。如，車間中的焊接工人由于在進(jìn)行焊接時(shí)產(chǎn)生的氣體而對(duì)健康有害的條件下工作，通過使用工業(yè)機(jī)器人將自動(dòng)操作引入焊接領(lǐng)域。然而，機(jī)器人由于沒有傳感系統(tǒng)，在焊接變形使得焊縫發(fā)生偏轉(zhuǎn)的情況下，機(jī)器人無法傳感焊接位置的改變，從而造成事故。如何為機(jī)器人提供觸覺信號(hào)成為了制約機(jī)器人性能的關(guān)鍵技術(shù)。日立在JP9453075A中提出了將觸覺裝置安裝在焊接機(jī)器人的臂上來檢測相對(duì)位置的改變，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接，提高了機(jī)器人的效率。

由于機(jī)器人觸覺傳感器不可能實(shí)現(xiàn)人體全部的觸覺功能，人類對(duì)機(jī)器人觸覺的研究只能集中在擴(kuò)展機(jī)器人能力所必須的觸覺功能，從而研究出了多種觸覺傳感器，這些傳感器功能單一，僅能完成一種觸覺信號(hào)的檢測，如接觸、壓力、滑覺、力覺、滑動(dòng)覺、接近覺等。越多的觸覺傳感器，就能獲得更多的觸覺傳感信號(hào)，為了獲取更多的觸覺信號(hào)，研究者將多種觸覺傳感器組合來提供多種觸覺信號(hào)。CN89109336中提供了一種三感覺機(jī)械手，具有接觸覺、接近覺、滑動(dòng)覺三種傳感器，能夠以最小的夾緊力穩(wěn)定地抓取物體，能成功地抓取能承受的重物。

3.2 綜合觸覺傳感器

觸覺傳感器的出現(xiàn)給機(jī)器人增加了傳感系統(tǒng)，提高了機(jī)器人的智能性，然而，多種觸覺傳感器的組合的方式，不僅使得機(jī)器人的體積增大，也增加了機(jī)器人觸覺傳感系統(tǒng)的算法實(shí)現(xiàn)難度，同時(shí)也增加了機(jī)器人觸覺系統(tǒng)故障的概率。因此，研究者們期望集成了多種觸覺信號(hào)的傳感器。

中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所在CN98111392中提出了一種用于測量機(jī)械手手爪接觸面上受力情況的多功能類膚型傳感器，類皮膚型傳感器將觸覺、壓覺、力覺、滑覺等多種感覺集于一身，可以獲取綜合的觸覺信息， 其功能超過目前大量研究的單一功能的觸覺傳感器，可望廣泛用于空間機(jī)器人，精密裝配機(jī)器人。

3.3 柔性觸覺傳感器

由于傳感器的材料一般都是剛性材料，使得機(jī)械手抓取物體時(shí)有可能對(duì)物體的表面產(chǎn)生破壞，如抓取雞蛋、玻璃瓶等不具有彈性表面的物體。因此，人們也希望機(jī)器人的觸覺傳感器具有一定的柔性，藉此通過變形自適應(yīng)目標(biāo)物體的表面形狀，增大接觸面，這樣一方面有利于更加牢固可靠地抓握目標(biāo)物體，另一方面還可以獲取較多的觸覺信息。

中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所CN200310106202提出了一種柔性觸覺傳感器及觸覺信息檢測方法，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)定出磁敏陣列中各磁敏單元的輸出電流與磁性橡膠變形量之間的定量關(guān)系，可以獲取傳感器與未知物體發(fā)生“軟接觸”時(shí)的接觸位置、接觸力的空間分布以及目標(biāo)物體的局部形狀等觸覺信息。該傳感器研制成功后可直接用于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，能安裝在機(jī)器人手指的指面或機(jī)械手夾持器表面，提高抓取和傳送等過程的可靠性，也可安裝在移動(dòng)式機(jī)器人的身體周圍用于避障。

3.4 觸覺反饋與再現(xiàn)

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在外科手術(shù)仿真、遙操作機(jī)器人控制、虛擬制造等領(lǐng)域的應(yīng)用，力觸覺信息的反饋對(duì)于虛擬操作的重要性日益顯著。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，通過力觸覺再現(xiàn)裝置，將物體表面的紋理特性反饋給操作者，能增強(qiáng)操作者的沉浸感，有助于提高對(duì)虛擬對(duì)象的傳感和操縱能力。

CN200910033323 針對(duì)圖像紋理的力觸覺再現(xiàn)問題，提出了一種基于從圖像灰度恢復(fù)形狀技術(shù)的紋理力觸覺再現(xiàn)方法，能較為真實(shí)的恢復(fù)紋理表面的微觀輪廓，使操作者得到對(duì)紋理圖像較為真實(shí)的觸感;利用通用的力反饋裝置即能模擬虛擬手滑過紋理表面所表達(dá)的觸感。

US201113137777A提出了一種手術(shù)機(jī)器人，能夠通過手術(shù)工具和觸覺傳感器產(chǎn)生和再現(xiàn)的接觸信號(hào)，提供觸覺反饋，可以防止組織損傷，并且可以由用戶容易地控制施加到手術(shù)區(qū)域組織的力，因此可以檢測到肉眼不可見的異常組織。

3.5 情感交流

隨著智能機(jī)器人的智能化程度的不斷提高，智能機(jī)器人開始應(yīng)用于家庭領(lǐng)域，例如給人帶來歡笑的寵物機(jī)器人，照顧家庭成員的護(hù)理機(jī)器人，這些都要求智能機(jī)器人不僅能接收到外部信息，還能夠進(jìn)行一定的處理，給予反饋。上述智能機(jī)器人雖然帶有觸覺感應(yīng)系統(tǒng)，但信息處理能力不足，從而智能化程度不高。

CN201610178342提出了用在智能機(jī)器人上的觸覺傳感方法以及觸覺傳感裝置，將外部壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào);計(jì)算外部壓力信號(hào)持續(xù)的時(shí)間值，計(jì)算出數(shù)字信號(hào)變化率;將數(shù)字信號(hào)變化率與預(yù)設(shè)的變化閾值進(jìn)行比較，從而確定外部壓力信號(hào)的類型;確定壓力產(chǎn)生位置，生成與壓力產(chǎn)生位置及外部壓力信號(hào)的類型相對(duì)應(yīng)的情緒表達(dá)控制信號(hào)，從而觸發(fā)相應(yīng)的情緒表達(dá)。使智能機(jī)器人具有根據(jù)受力部位和受力大小表達(dá)不同情緒的能力，使智能機(jī)器人更加擬人化。

4 重點(diǎn)申請(qǐng)人分析

4.1 精工愛普生

精工愛普生公司（Seiko Epson Corporation）成立于1942年，總部位于日本，主要致力于資訊設(shè)備、電子設(shè)備和緊密儀器，其中愛普生還提供機(jī)器人和集成選件，愛普生工業(yè)機(jī)器人易于使用、可靠、性能較高并具有較高的整體價(jià)值。

4.1.1 專利數(shù)據(jù)分析。圖7可以看出，精工愛普生于2009年開始申請(qǐng)機(jī)器人觸覺傳感方面的專利申請(qǐng)，在2010年和2011年專利申請(qǐng)量逐年攀升，然而，在2012-2015年的申請(qǐng)量有所下降，從2016年開始又迅速回升。精工愛普生在對(duì)外專利申請(qǐng)的初期就重視海外布局，尤其是重視在中國、美國的布局;歐洲和韓國不是精工愛普生的理想國，專利布局重視程度較低[2]。

4.1.2 專利技術(shù)分析。精工愛普生在機(jī)器人觸覺方面主要致力于力覺傳感技術(shù)和利用力覺反饋對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制的研究，其通過對(duì)力覺檢測裝置的改進(jìn)，從不同方面提高了力覺傳感的精度，從而應(yīng)用到機(jī)器人中通過壓力傳感器去傳感力的反饋，根據(jù)力的反饋來調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)或位置。

針對(duì)用于檢測剪切力的結(jié)構(gòu)體與用于檢測按壓力的結(jié)構(gòu)體形成在不同的區(qū)域內(nèi)，則存在導(dǎo)致傳感器的尺寸比較大，不適合小型觸覺傳感器的問題。如精工愛普生在2010年JP2010027325A中提出一種包括觸覺傳感器的機(jī)械手，其通過觸覺傳感器能夠快速精確的檢測外壓的有無，并通過應(yīng)力檢測元件排列成陣列狀，并將其設(shè)置在傳感器表面從而達(dá)到同時(shí)檢測剪切力和按壓力的效果，從而準(zhǔn)確判斷對(duì)象是出于抓持滑落狀態(tài)或抓持狀態(tài)。

針對(duì)無法對(duì)元件施加充分的增壓，存在力檢測的精度降低之類的問題。JP2013-124419 2013提供了一種用于機(jī)械手的力學(xué)檢測裝置，其電路基板設(shè)置于第一和第二基板之間，并通過在第一和第二基板上設(shè)置凸部，從而使得能夠通過凸部與第一/第二基板不經(jīng)由電路基板而夾持元件， 從而能夠防止電路基板成為緩沖部件而使施加于基板上元件的力分散的情況，因此能夠?qū)υ浞值厥┘釉鰤?，同時(shí)能夠使力檢測的精度提高。

針對(duì)由于從力覺傳感器的外周部引出布線，所以在臂動(dòng)作時(shí)，在布線產(chǎn)生拽拉、撓曲、扭曲等，從而對(duì)力覺傳感器施加多余的力，存在相對(duì)于本來想要檢測的力產(chǎn)生誤差從而檢測精度降低這一問題。JP2015-022921提供了一種應(yīng)用于機(jī)器人的力學(xué)檢測裝置，其通過設(shè)置指定部件的熱膨脹比的大小關(guān)系，來縮小部件由膨脹引起的變形量，從而能夠抑制不需要的力施加于壓電元件;同時(shí)通過設(shè)置指定部件的耐力比大小，提高部件的強(qiáng)度抑制部件變形，從而能夠提高力檢測裝置的檢測精度。

針對(duì)從第二振子輸出的信號(hào)中，難以表現(xiàn)出對(duì)應(yīng)于按壓力的微小變化的微小的振幅的變化，難以發(fā)揮高的力檢測特性的問題。JP2016-211178提供了一種應(yīng)用于機(jī)器人的力學(xué)檢測傳感器，其通過在集體上不同的面上設(shè)置梳齒電極，來檢測基體表面彈性表面波的頻率變化，通過根據(jù)頻率變化來檢測受到的力，能夠以高的精度檢測微小的力變化，從而提供能夠發(fā)揮高的力檢測特性的力檢測傳感器。

4.2 發(fā)那科公司

發(fā)那科公司（FANUC）成立于1956年，是一家日本企業(yè)，是專門致力于研究數(shù)控系統(tǒng)的公司。1974年，F(xiàn)ANUC的首臺(tái)機(jī)器人問世，自此后發(fā)那科公司致力于機(jī)器人技術(shù)上的領(lǐng)先與創(chuàng)新，其機(jī)器人主要應(yīng)用在裝配、搬運(yùn)、焊接、鑄造、噴涂、碼垛等生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

4.2.1 專利數(shù)據(jù)分析。圖8可以看出，發(fā)那科公司涉及機(jī)器人觸覺傳感最早于1994年開始申請(qǐng)，其在2013年前申請(qǐng)量較少，在2014年后申請(qǐng)量迅速上升。發(fā)那科在對(duì)外專利申請(qǐng)的初期就重視海外布局，其在日本、歐洲、美國和中國的布局比較平均;韓國不是發(fā)那科的理想國，專利布局重視程度較低。

4.2.2 專利技術(shù)分析。發(fā)那科在機(jī)器人觸覺方面主要致力于利用力覺傳感技術(shù)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制的研究，根據(jù)力的反饋控制機(jī)器人的姿勢(shì)或動(dòng)作。

為了進(jìn)行生產(chǎn)中的部件或產(chǎn)品的次品檢查，進(jìn)行使用具備力測定部的機(jī)器人測定工件的質(zhì)量的工作。CN201210328610A提供了工件質(zhì)量測定功能的機(jī)器人，其通過質(zhì)量推斷部根據(jù)機(jī)器人移動(dòng)時(shí)由力傳感器測定的一方向以上的力和由姿勢(shì)獲取部獲取的姿勢(shì)，推斷機(jī)器人把持的工件的質(zhì)量。

機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的角度不同，機(jī)器人的姿勢(shì)不同。機(jī)器人臂拉伸線條體的力的大小、這些力的方向相互不同。在這種情況下，若僅對(duì)應(yīng)機(jī)器人臂的前端部的位置來決定力修正量，則不能對(duì)上述的力的大小的差異以及力的方向的差異進(jìn)行修正。JP2014048971A提供了機(jī)器人控制裝置，通過力修正量決定部根據(jù)存儲(chǔ)部來決定力修正量，接觸力算出部從力傳感器當(dāng)前的輸出減去由內(nèi)力推定部推定的內(nèi)力和力修正量，算出接觸力，從而控制機(jī)器人臂與外部環(huán)境接觸的接觸力。

金屬制的力傳感器主體的體積有因機(jī)器人周圍的溫度變化而變化的情況。該情況下，因溫度變化而引起的力傳感器主體的體積變化量被追加至因作用于機(jī)器人臂的力而引起的力傳感器主體的形變量。從而，有力傳感器無法檢測人與機(jī)器人已接觸的情況的擔(dān)憂，產(chǎn)生機(jī)器人對(duì)人產(chǎn)生危害的危險(xiǎn)變高的問題。CN201610210539提供了一種人機(jī)協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)，其通過負(fù)載檢測裝置內(nèi)置有檢測溫度的至少一個(gè)溫度檢測元件，機(jī)器人控制裝置基于從溫度檢測元件輸出的檢測溫度是否超過閾值來判定是否使機(jī)器人的動(dòng)作停止，從而確保機(jī)器人對(duì)人產(chǎn)生危害的危險(xiǎn)抑制為最小限度，保證人的安全。

4.3 東南大學(xué)

國內(nèi)申請(qǐng)人關(guān)于機(jī)器人觸覺交互主要集中于高校和科研機(jī)構(gòu)，其中代表性的東南大學(xué)在智能機(jī)器人觸覺交互領(lǐng)域申請(qǐng)量位居第一，其主要是以宋愛國為代表的團(tuán)隊(duì)，主要致力于觸覺傳感、觸覺再現(xiàn)方面的研究。但是東南大學(xué)申請(qǐng)主要是集中在中國的申請(qǐng)，并未重視專利的布局，在專利布局方面較國外申請(qǐng)人還存在較大差距。

東南大學(xué)在機(jī)器人觸覺方面的第一件專利申請(qǐng)為CN03131767，使得操作者通過該裝置可以觸摸虛擬環(huán)境中的虛擬物體，真實(shí)地傳感虛擬物體的柔性、剛度、表面紋理等觸覺特性。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在外科手術(shù)仿真、遙操作機(jī)器人控制、虛擬制造等領(lǐng)域的應(yīng)用，力觸覺信息的反饋對(duì)于虛擬操作的重要性日益顯著。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，通過力觸覺再現(xiàn)裝置，將物體表面的紋理特性反饋給操作者，能增強(qiáng)操作者的沉浸感，有助于提高對(duì)虛擬對(duì)象的傳感和操縱能力。因此，CN200910033323提供了一種紋理力觸覺再現(xiàn)的方法，通過從圖像灰度信息中提取真實(shí)紋理的微觀三維輪廓信息，繪制成虛擬表面;對(duì)虛擬表面的紋理通過力觸覺模型進(jìn)行渲染，計(jì)算出的力由通用手控器輸出到操作者，其可以應(yīng)用于機(jī)器人控制、外科人手術(shù)仿真或提供給盲人操作等[3]。

對(duì)觸覺的研究都集中于力觸覺，也有力觸覺再現(xiàn)裝置的出現(xiàn)，但是，觸覺是人類傳感外部世界的重要手段，溫度觸覺作為觸覺的一種在人的整個(gè)傳感系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，人手觸摸不同熱屬性的物體時(shí)有著不同的溫度感覺，據(jù)此人可以判斷出物體的熱屬性。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中加入溫度觸覺可以增強(qiáng)人的臨場感和沉浸感。CN201010104011提供了一種溫度觸覺再現(xiàn)裝置，能對(duì)遠(yuǎn)程或虛擬環(huán)境傳感手所接觸到的熱容量進(jìn)行溫度觸覺再現(xiàn)。

5 結(jié)論

在機(jī)器人觸覺研究方面，目前專利申請(qǐng)都集中在日本等半導(dǎo)體芯片技術(shù)發(fā)達(dá)的國家，如日本的精工愛普生和發(fā)那科。且精工愛普生和發(fā)那科都非常重視專利布局，基本所有的專利申請(qǐng)都在多個(gè)國家和地區(qū)進(jìn)行專利申請(qǐng)。精工愛普生和發(fā)那科的專利技術(shù)路線不同，精工愛普生主要涉及醫(yī)療機(jī)器人的觸覺技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，注重對(duì)微小機(jī)器人的觸覺進(jìn)行精準(zhǔn)的力觸覺傳感;而發(fā)那科則主要針對(duì)工業(yè)機(jī)器人的觸覺技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，以提高工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中的力觸覺的精準(zhǔn)輸出。

中國的機(jī)器人觸覺研究起步晚于全球的機(jī)器人觸覺研究，且國內(nèi)申請(qǐng)人的專利申請(qǐng)普遍沒有進(jìn)行海外專利布局，東南大學(xué)在機(jī)器人觸覺傳感方面進(jìn)行了較多了研究，主要涉及觸覺的反饋與再現(xiàn)。

機(jī)器人觸覺的發(fā)展明顯滯后于視覺和聽覺，這是由于觸覺本身較復(fù)雜，具有多種不同的觸覺信號(hào)，把這么多種信號(hào)綜合在一起來模擬類似于人類皮膚的觸覺信號(hào)，受現(xiàn)有材料科學(xué)、制造加工技術(shù)、工藝等限制。目前發(fā)展較成熟的是機(jī)器人觸覺中的力覺，感覺力和進(jìn)行力的反饋已經(jīng)能夠較好地應(yīng)用于醫(yī)療機(jī)器人和工業(yè)生產(chǎn)機(jī)器人。新研究出來的類似人皮膚的柔性觸覺傳感器已經(jīng)可以為機(jī)器人提供皮膚，基于這種柔性觸覺傳感器的應(yīng)用，引起了基于情感交流的專利申請(qǐng)熱潮，如親子互動(dòng)、陪護(hù)等。

未來的觸覺傳感技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)主要包括：新材料，新技術(shù)的觸覺傳感器的集成與多功能化;多信息融合。在多功能傳感器集成中，涉及觸覺的多種不同功能，未來可選擇合適的途徑將多功能的觸覺傳感信息進(jìn)行融合;微觸覺傳感器，現(xiàn)有的傳感器尺寸較大，未來針對(duì)應(yīng)用場景的變化，觸覺傳感器將向微型化、量子化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉少強(qiáng)，黃惟一，王愛民，宋愛國.機(jī)器人觸覺傳感技術(shù)研發(fā)的歷史現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].機(jī)器人，2002（4）：362-366.

[2] 馬天旗.專利分析方法、圖表解讀與情報(bào)挖掘[M].北京：知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社，2015.

[3] 楊鐵軍.專利分析實(shí)務(wù)手冊(cè)[M].北京：知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社，2015.