机器人触觉传感技术研发的历史现状与趋势

1　引言( Introduction)

触觉是机器人获取环境信息的一种仅次于视觉的重要知觉形式, 是机器人实现与环境直接作用的必需媒介. 与视觉不同, 触觉本身有很强的敏感能力可直接测量对象和环境的多种性质特征. 因此触觉不仅仅只是视觉的一种补充.

触觉的主要任务是为获取对象与环境信息和为完成某种作业任务而对机器人与对象、环境相互作用时的一系列物理特征量进行检测或感知. 机器人触觉与视觉一样基本上是模拟人的感觉[ 1 ] , 广义的说它包括接触觉、压觉、力觉、滑觉、冷热觉等与接触有关的感觉, 狭义的说它是机械手与对象接触面上的力感觉. 本文涉及的触觉包括两者.

机器人触觉传感器主要有检测和识别功能. 检测功能包括对操作对象的状态、机械手与操作对象的接触状态、操作对象的物理性质进行检测. 识别功能是在检测的基础上提取操作对象的形状、大小、刚度等特征, 以进行分类和目标识别.

机器人触觉能达到的某些功能, 虽然其它感觉如视觉也能完成, 但具有其它感觉难以替代的特点.与机器人视觉相比, 许多功能为触觉独有. 即便是识别功能两者具有互补性. 触觉融合视觉可为机器人提供可靠而坚固的知觉系统.

自80 年代以来触觉传感技术虽有了较大发展,但与机器人视觉等技术相比明显落后. 目前商品化的视觉传感器已差不多成为机器人系统不可缺少的部分. 而从工业应用到业余爱好的几乎所有机器人依然没有使用真正意义上的触觉传感器[ 2 ]. 因此有必要对触觉传感技术研发的历史、现状进行客观分析评价, 检查落后原因, 以有助于实现人们对触觉技术与触觉传感器期盼以久的飞跃发展.

2　发展历程(The history of development)

2. 1　历程

机器人触觉传感技术的研究始于70 年代. 三十多年的历程可分为三个时段:

70 年代、80 年代、90 年代以后. 这三个时段的研究与成就各有特点.

70 年代国外的机器人研究已成热点, 但触觉技术的研究才开始且很少. 这可从N icho lls 与L ee 的综述[ 3 ]所引用的文献数看出. 当时对触觉的研究仅限于与对象的接触与否, 接触力大小. 虽有一些好的设想, 但研制出的传感器少且简陋.

80 年代是机器人触觉传感技术研究、发展的快速增长期[ 4 ]. 此期间对传感器设计、原理和方法作了大量研究, 主要有电阻、电容、压电、热电、磁、磁电、力、光、超声和电阻应变等原理和方法[ 5 ]. 开始了对检测接触点和区域、接触截面形状、压力分布的触觉阵列的研究. 研制出了能检测对象形状、尺寸、有无、位置、作用力模式和温度的传感器. 但对诸如表面纹理、硬度、粘度等材料物理性质的触觉感知被证明要难得多, 这些问题也未得到有效解决. 对触觉信号的处理集中于图像处理技术, 采用计算机视觉研究所用方法研究从触觉阵列得到的静态图像. 因认识到动态信号的重要性, 研究了探测应力变化、滑动和暂态接触的传感器. 后来遵循主动视觉的研究模式开始了主动触觉研究.
从总体上看80 年代的研究可分为传感器研制、触觉数据处理、主动触觉感知三部分. 其突出特点是以传感器装置研究为中心[ 2 ] , 主要面向工业自动化.在此期间主要的、也是常用的触觉传感器技术标准是Harmon 提出的触觉传感器技术要求[ 6, 4 ] , 这也主要是为用于工业自动化的机器人提出的. 到80 年代末许多人都乐观的认为随着商品化的传感器出现,触觉技术就将成熟, 不久的将来触觉传感器就将集成到工厂的机器人系统中.

90 年代对触觉传感技术的研究继续保持增长,并多方向发展. 按宽的分类法, 有关触觉研究的文献可分为: 传感技术与传感器设计、触觉图像处理、形状辨识、主动触觉感知、结构与集成. 这个时期的研究还可按不同方式分类, 如L ee 所列[ 2 ]. 最活跃的研究依然是新型传感器的设计与构造, 如从80 年代的触觉阵列发展到了高密度多阵列. 这部分还包括传感器数据处理和分析实验. 其次是含集成传感器2驱动器和控制的主动触觉感知, 它一度被认为是触觉传感技术发展的关键. 包括多指手及其设计的灵巧操作、柔软材料也是重要的研究方面. 此外还有对触觉传感技术在非传统领域的应用研究和用于遥操作机器人的触觉临场感技术的研究.

90 年代触觉传感技术研发的成就主要有: (1)对工程问题的研究. 如器件封装、对传感器性能与操作的深入了解、新材料研究、改变软接触特性等. (2)增加对传感器作用的了解. 如通过利用几种具有不同响应率的触觉传感器的互补性, 使集成系统能在一定范围内处理给定任务中的不同接触特征. (3) 改进了机器人的灵巧手, 使多指手对对象的操作性能有了相当大的进步. (