機器人觸覺傳感技術研發(fā)的歷史現(xiàn)狀與趨勢

1　引言( Introduction)

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, 是機器人實現(xiàn)與環(huán)境直接作用的必需媒介. 與視覺不同, 觸覺本身有很強的敏感能力可直接測量對象和環(huán)境的多種性質特征. 因此觸覺不僅僅只是視覺的一種補充.

觸覺的主要任務是為獲取對象與環(huán)境信息和為完成某種作業(yè)任務而對機器人與對象、環(huán)境相互作用時的一系列物理特征量進行檢測或感知. 機器人觸覺與視覺一樣基本上是模擬人的感覺[ 1 ] , 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. 本文涉及的觸覺包括兩者.

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進行檢測. 識別功能是在檢測的基礎上提取操作對象的形狀、大小、剛度等特征, 以進行分類和目標識別.

機器人觸覺能達到的某些功能, 雖然其它感覺如視覺也能完成, 但具有其它感覺難以替代的特點.與機器人視覺相比, 許多功能為觸覺獨有. 即便是識別功能兩者具有互補性. 觸覺融合視覺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雖有了較大發(fā)展,但與機器人視覺等技術相比明顯落后. 目前商品化的視覺傳感器已差不多成為機器人系統(tǒng)不可缺少的部分. 而從工業(yè)應用到業(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[ 2 ]. 因此有必要對觸覺傳感技術研發(fā)的歷史、現(xiàn)狀進行客觀分析評價, 檢查落后原因, 以有助于實現(xiàn)人們對觸覺技術與觸覺傳感器期盼以久的飛躍發(fā)展.

2　發(fā)展歷程(The history of development)

2. 1　歷程

機器人觸覺傳感技術的研究始于70 年代. 三十多年的歷程可分為三個時段:

70 年代、80 年代、90 年代以后. 這三個時段的研究與成就各有特點.

70 年代國外的機器人研究已成熱點, 但觸覺技術的研究才開始且很少. 這可從N icho lls 與L ee 的綜述[ 3 ]所引用的文獻數(shù)看出. 當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研究、發(fā)展的快速增長期[ 4 ]. 此期間對傳感器設計、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. 但對諸如表面紋理、硬度、粘度等材料物理性質的觸覺感知被證明要難得多, 這些問題也未得到有效解決. 對觸覺信號的處理集中于圖像處理技術, 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. 因認識到動態(tài)信號的重要性, 研究了探測應力變化、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標準是Harmon 提出的觸覺傳感器技術要求[ 6, 4 ] , 這也主要是為用于工業(yè)自動化的機器人提出的. 到80 年代末許多人都樂觀的認為隨著商品化的傳感器出現(xiàn),觸覺技術就將成熟, 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 年代對觸覺傳感技術的研究繼續(xù)保持增長,并多方向發(fā)展. 按寬的分類法, 有關觸覺研究的文獻可分為: 傳感技術與傳感器設計、觸覺圖像處理、形狀辨識、主動觸覺感知、結構與集成. 這個時期的研究還可按不同方式分類, 如L ee 所列[ 2 ]. 最活躍的研究依然是新型傳感器的設計與構造, 如從80 年代的觸覺陣列發(fā)展到了高密度多陣列. 這部分還包括傳感器數(shù)據處理和分析實驗. 其次是含集成傳感器2驅動器和控制的主動觸覺感知, 它一度被認為是觸覺傳感技術發(fā)展的關鍵. 包括多指手及其設計的靈巧操作、柔軟材料也是重要的研究方面. 此外還有對觸覺傳感技術在非傳統(tǒng)領域的應用研究和用于遙操作機器人的觸覺臨場感技術的研究.

90 年代觸覺傳感技術研發(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率的觸覺傳感器的互補性, 使集成系統(tǒng)能在一定范圍內處理給定任務中的不同接觸特征. (3) 改進了機器人的靈巧手, 使多指手對對象的操作性能有了相當大的進步. (4) 觸覺應用于醫(yī)療領域. 觸覺傳感器在此領域的應用研究已受到關注. 90 年代總的特點是觸覺技術與傳感器未能按先期人們預料的那樣滲透到工業(yè)領域中, 但其研究并未減少, 僅僅是從限定的工業(yè)領域的固體世界中轉向柔軟些的自然系統(tǒng)里相對無序的世界中[ 2, 4 ].

我國80 年代左右開始研究機器人傳感器. 受客觀條件限制, 1987 年國家863 計劃實施后才加快步伐. 在863 計劃支持下, 90 年代初我國的觸覺傳感器研究就取得了進步. 如在陣列觸覺傳感器研究方面,東南大學實現(xiàn)了壓阻式16×16 觸覺敏感陣列及其數(shù)據處理和觸覺圖像識別; 北京理工大學研制了有接觸覺、滑覺和觸覺圖像識別功能的傳感系統(tǒng)[ 7 ]. 杭州電子工業(yè)學院研制了用于多傳感器手爪的接近覺、接觸覺、滑覺復合傳感器[ 8 ]. 近年來在863 計劃支持下合肥智能所、東南大學、北京理工、杭電、哈工大、華中理工、北京信息學院等對觸覺傳感技術都作了各有特色的研究, 如東大研究了三維觸覺信息獲取方法[ 9 ]; 北理工研制了用于觸覺臨場感的指形觸覺傳感器[ 10 ]等.

2. 2　發(fā)展進程中的不足與原因

2. 2. 1　主要不足

三十多年來觸覺傳感技術的研發(fā)取得了較大進步. 但在其進程中存在著明顯不足, 主要表現(xiàn)如下.
首先是觸覺傳感技術的應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, 與視覺傳感技術相比這種不足更明顯[ 2, 4 ]. 目前攝像機和視覺傳感器已差不多是機器人系統(tǒng)不可缺少的部分, 相關的硬軟件市場上有售且配置使用容易. 即使與力覺傳感器相比觸覺也明顯落后. 以國內情況為例, 國內的腕力傳感器在90 年代初完成研制后即可進入商用. 而到現(xiàn)在國內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.

其次是觸覺技術研究的內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性能要求不是從市場或從工程應用角度確定的,而是由傳感器的研究和制造者確定的[ 2 ]. 存在著過多的從學術觀點研究觸覺的現(xiàn)象. 有時存在著過多的仿人類感知方式的傾向. 在多傳感器系統(tǒng)研究中對觸覺與其它感覺的互補性重視不夠. 如在陣列式觸覺傳感器的研究中, 對用觸覺來識別規(guī)則圖形或形狀有大量研究, 而實際表明自動化生產對形狀的識別都優(yōu)先選擇視覺方式[ 2 ].

2. 2. 2　原因

產生上述不足或者說觸覺技術相對落后的原因有兩方面. 首先是基礎的欠缺, 其次是當初對觸覺傳感器應用的技術與市場定位不當.

基礎欠缺主要在機理與材料上. 人們對人的觸覺機理的了解顯然不及視覺、聽覺. 在人的感覺方式中, 視覺、聽覺、嗅覺都有具體的對應器官, 觸覺卻沒有. 人的整個身體表面都有觸覺功能. 這使觸覺本身很復雜, 研究難度也最大. 機器人的感覺基本上是模擬人的感覺, 所以實現(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、制造加工技術、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, 遠遠不及人的皮膚, 這使觸覺傳感器的性能從根本上受到限制.

觸覺傳感器應用的定位最初是在80 年代根據機器人技術發(fā)展與對其在最有希望和具有最大市場的工業(yè)自動化領域的應用預測而作出的. 事實表明這個定位不適當. 80 年代以來機器人在制造業(yè)的自動化中得到廣泛應用, 但觸覺傳感器并未象人們期盼的那樣隨機器人而廣泛應用于生產自動化. 究其原因主要在于工業(yè)自動化的環(huán)境是結構化環(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, 另一方面經過努力研究而使觸覺傳感器具有的形狀識別功能在結構化環(huán)境中要么不需要, 要么不及視覺傳感器[ 2, 4 ] , 因此觸覺傳感器缺少了主要市場的需求. 然而人們對觸覺傳感器應用于工業(yè)自動化的預期到90 年代前期還依然如故. 這說明這種技術與市場定位的不當是人們對事物的認識受時代局限所致. 當時人們對機器人應用于醫(yī)療、康復、農林等非傳統(tǒng)領域也有認識和研究, 但認為機器人應用于這些領域要困難得多.

3　研究發(fā)展的現(xiàn)狀(The state of the art)

隨著機器人技術的發(fā)展和對智能機器人的認識, 近年來與觸覺技術相關的方面都已充分為人們所關注, 觸覺傳感技術研究內容已非常豐富且具有成效. 即使最受關注的觸覺傳感器設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、信息處理等較復雜的系統(tǒng)及其過程的研究.

3. 1　目前觸覺傳感技術研究的主要特點和趨勢

(1) 敏感材料的實驗探索　敏感材料性能是傳感器性能的基礎. 沒有表面柔順性和缺乏通用性、造價貴、可靠性差被認為是觸覺技術難以商用化的主要原因, 缺乏柔順性是它難以和人類皮膚相比的一個主要原因[ 11 ]. 因此選擇合適材料研制傳感器倍受關注. 過去最常用而現(xiàn)在用得最廣的柔性材料是壓電材料, 如PVDF 聚合物[ 2, 4 ]. 但對其它材料的研究也很多. 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電橡膠制成的整體薄膜作表皮, 在皮下結合充滿電流變流體的絕緣體泡沫結構研制了新型電流變流體柔順觸覺傳感器[ 13 ]. 日本佐賀大學用柔軟、韌性好的壓感導電橡膠研制了檢測溫度、硬度、熱傳導性的觸覺傳感系統(tǒng)[ 14 ].

(2) 充分利用新制造工藝技術　隨著科技的發(fā)展進步, 制造技術與工藝有了提高創(chuàng)新. 對觸覺傳感技術的研究也正充分利用新技術. 梅濤、戈瑜等利用半導體微機械加工與集成技術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研制了平面盤繞式線圈, 通過多功能復用這種單一結構的觸覺傳感器可識別材質[ 16 ].J. Dargah i 等利用硅條和PVDF 膜構成的夾層構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[ 8 ]介紹的復合傳感器. 利用同一敏感元件在不同激勵下的不同響應: J. Yu ji 等利用一種具有熱敏功能的壓感導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: 文獻[ 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、溫度特性構成的. 利用敏感材料的微陣列結構具有的力學特性: 文獻[ 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構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)據處理和融合　數(shù)據處理包括處理傳感器數(shù)據的方法和算法. 目前有許多將神經網絡、模糊邏輯、基于模型的方法等應用于觸覺數(shù)據處理的研究. 目前關鍵問題是多信息融合. 例如Yam ada 等用基于模型的方法對視覺和觸覺數(shù)據作了融合研究[ 21 ] , 他們把觸覺數(shù)據用于對一個粗略參數(shù)模型的精細處理. 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)目標樣本分類[ 22, 23 ].

(5) 虛擬觸覺傳感器的研究　虛擬現(xiàn)實技術為機器人感知系統(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 ].

3. 2　面臨的主要困難

經過三十多年尤其是近十年的發(fā)展, 觸覺傳感技術已開始成熟, 但還面臨諸多困難, 主要如下.

(1)機理上還存在障礙. 盡管人們對人的觸覺感知及皮膚的特性有了更深的了解, 但人的觸覺不是一個通過皮膚將物理特性轉換為電信號的簡單過程, 而是綜合復雜過程, 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不是主要由觸覺研究解決的問題, 基本上有賴于材料科學本身.

(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確性還難以保證, 例如軟組織這種變形體, 即便在實驗條件下其力學特性與其在自然條件下的力學特性也不同[ 25 ].

(6) 缺少有效驅動力. 觸覺技術進步會促進機器人的發(fā)展, 但觸覺技術發(fā)展的驅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動力.

4　新趨勢(New trends)

4. 1　機器人技術發(fā)展與應用的新趨勢

90 年代以來機器人技術的發(fā)展以向智能化方向發(fā)展為重要標志[ 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, 新型智能技術不斷開發(fā), 應用領域向非制造業(yè)和服務業(yè)擴展等.

智能機器人技術快速發(fā)展促進了機器人在制造領域的應用與發(fā)展, 也使機器人開始向非制造領域擴展. 這些非傳統(tǒng)領域有航天、海洋、軍事、醫(yī)療、護理、服務、農林、采礦等. 機器人在這些領域有著廣闊誘人的前景. 在當今還不能或難以發(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)是完成復雜或有害以及人無法進入的環(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)學工程, 微機械加工與裝配等工程中將大有作為.

4. 2　觸覺傳感技術發(fā)展與應用的趨勢

機器人在傳統(tǒng)領域繼續(xù)發(fā)展的同時向非傳統(tǒng)領域擴展, 為自身找到了新發(fā)展方向, 開托了新市場,有了新動力. 作為機器人技術基礎之一的傳感技術也是同樣, 對其中的觸覺技術則更不尋常. 與制造業(yè)的自動化環(huán)境不同, 這些非傳統(tǒng)領域中的環(huán)境一般都是非結構化的甚至高度的非結構化. 相對結構化環(huán)境, 非結構化環(huán)境更需觸覺、依賴觸覺, 這使過去在工業(yè)自動化中未得到充分發(fā)揮的觸覺傳感器有了一個能充分發(fā)揮其特有功能的舞臺.

在觸覺的新機遇中當然存在著新挑戰(zhàn). 非傳統(tǒng)領域的環(huán)境的主要物理特征與結構化環(huán)境的特征明顯不同. 而在非傳統(tǒng)領域中, 不同領域有著不同環(huán)境和對觸覺的不同要求. 因此觸覺技術的發(fā)展在現(xiàn)有基礎上有不同的側重點和方向、不同技術要求與市場需求. 對觸覺傳感器須要有不同的定位. 無疑這些都將促進觸覺技術及其商用化的進程.

Lee 和Ncholls 認為醫(yī)療尤其是外科手術、康復和服務、農業(yè)和食品加工是觸覺將起關鍵作用的機器人擴展領域[ 2, 4 ]. 目前機器人應用于醫(yī)療有不少成功實例并正在快速發(fā)展. 遙操作機器人用于微創(chuàng)外科手術是機器人應用于醫(yī)療中發(fā)展最快的, 也是最需要觸覺的. 外科醫(yī)生非常需要恢復在傳統(tǒng)微創(chuàng)外科手術中因非直接操作而失去的觸覺[ 28 ]. 這種觸覺不同于工業(yè)自動化中的觸覺, 它是人手與人體軟組織間的軟接觸. 如何有效獲取這種觸覺已有一些研究[ 29 ] , 但還有困難, 需進一步的探索.

5　對未來研發(fā)的幾點見解(Suggest ion on RD)

根據機器人和傳感技術發(fā)展趨勢, 結合對觸覺特殊性和觸覺技術研發(fā)的歷史現(xiàn)狀及存在困難的分析思考, 在觸覺技術發(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的研發(fā)提出幾點見解.

在指導原則上應注意: (1) 根據現(xiàn)有技術基礎、應用任務要求、市場需求對傳感器進行正確的技術與市場定位. 歷史表明不適當?shù)亩ㄎ粫泳徤踔练恋K技術發(fā)展. (2) 充分考慮與其它傳感技術的互補性. 機器人的各種傳感功能之間關系密切, 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)避免過分強調對觸覺采用擬人方式. 現(xiàn)有技術基礎不能實現(xiàn)機器人對人類感覺的完全模仿, 人的感覺功能并不都完善, 現(xiàn)常用的某些傳感功能人卻沒有,如超聲傳感等, 而這些人不具備的感知可用于觸覺.例如Sh inoda 等基于超聲探測研究了用于觸覺傳感的聲諧振伸張氣囊(acou st ic resonan t ten so r cell) ,實驗表明可獲得有用的多維觸覺特征[ 30 ].在研發(fā)中應注重:

(1) 在新材料、新技術上的集成與多功能化. 與觸覺技術相關的基礎技術的進步與創(chuàng)新有助于觸覺傳感器集成與多功化. 文獻[ 14, 31 ]的多功能傳感器利用了新光刻工藝; 文獻[ 15 ]的多維力觸覺傳感器利用了M EM S 與集成技術.

(2) 對現(xiàn)有技術的挖潛與改造. 目前很少有新的原理發(fā)現(xiàn), 結合新技術對現(xiàn)有技術挖潛改造是一種有效方法. 正是有了新光刻工藝技術, 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, 多個傳感器也可能同時含與某一項特征有關的信息. 來自不同傳感器的信息也可能相互矛盾. 因此必須構造或選擇適當途徑和方法進行信息融合. 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用領域的問題展開研究[ 32 ]. 因此對觸覺等信息的融合需要針對其特性、特征、任務等來研究.

(4) 未來可能的新功能和特點要求. 傳感技術本身的發(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、由經典型向量子型轉化等[ 33 ]. 現(xiàn)在的傳感器尺寸大, 用經典物理可很好的描述. 將來隨傳感器微型化, 量子效應將起作用. 現(xiàn)在已有了微工廠的概念(m icrofacto ry) , 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. 根據具體任務性質、要求等, 基于觸覺傳感原理, 用虛擬現(xiàn)實技術來研究、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.