机器人触觉传感技术研发的历史现状与趋势

4) 触觉应用于医疗领域. 触觉传感器在此领域的应用研究已受到关注. 90 年代总的特点是触觉技术与传感器未能按先期人们预料的那样渗透到工业领域中, 但其研究并未减少, 仅仅是从限定的工业领域的固体世界中转向柔软些的自然系统里相对无序的世界中[ 2, 4 ].

我国80 年代左右开始研究机器人传感器. 受客观条件限制, 1987 年国家863 计划实施后才加快步伐. 在863 计划支持下, 90 年代初我国的触觉传感器研究就取得了进步. 如在阵列触觉传感器研究方面,东南大学实现了压阻式16×16 触觉敏感阵列及其数据处理和触觉图像识别; 北京理工大学研制了有接触觉、滑觉和触觉图像识别功能的传感系统[ 7 ]. 杭州电子工业学院研制了用于多传感器手爪的接近觉、接触觉、滑觉复合传感器[ 8 ]. 近年来在863 计划支持下合肥智能所、东南大学、北京理工、杭电、哈工大、华中理工、北京信息学院等对触觉传感技术都作了各有特色的研究, 如东大研究了三维触觉信息获取方法[ 9 ]; 北理工研制了用于触觉临场感的指形触觉传感器[ 10 ]等.

2. 2　发展进程中的不足与原因

2. 2. 1　主要不足

三十多年来触觉传感技术的研发取得了较大进步. 但在其进程中存在着明显不足, 主要表现如下.
首先是触觉传感技术的应用和商用化明显滞后, 所取得的研究成果大多停留在实验室阶段, 与视觉传感技术相比这种不足更明显[ 2, 4 ]. 目前摄像机和视觉传感器已差不多是机器人系统不可缺少的部分, 相关的硬软件市场上有售且配置使用容易. 即使与力觉传感器相比触觉也明显落后. 以国内情况为例, 国内的腕力传感器在90 年代初完成研制后即可进入商用. 而到现在国内外市场上基本上没有出现耐用、可靠、具有通用性的触觉传感器.

其次是触觉技术研究的内容与方法方面存在的不足, 尤其在80 年代. 这些不足主要有对传感器技术性能要求不是从市场或从工程应用角度确定的,而是由传感器的研究和制造者确定的[ 2 ]. 存在着过多的从学术观点研究触觉的现象. 有时存在着过多的仿人类感知方式的倾向. 在多传感器系统研究中对触觉与其它感觉的互补性重视不够. 如在阵列式触觉传感器的研究中, 对用触觉来识别规则图形或形状有大量研究, 而实际表明自动化生产对形状的识别都优先选择视觉方式[ 2 ].

2. 2. 2　原因

产生上述不足或者说触觉技术相对落后的原因有两方面. 首先是基础的欠缺, 其次是当初对触觉传感器应用的技术与市场定位不当.

基础欠缺主要在机理与材料上. 人们对人的触觉机理的了解显然不及视觉、听觉. 在人的感觉方式中, 视觉、听觉、嗅觉都有具体的对应器官, 触觉却没有. 人的整个身体表面都有触觉功能. 这使触觉本身很复杂, 研究难度也最大. 机器人的感觉基本上是模拟人的感觉, 所以实现机器人触觉感知在原理上存在大的困难. 与此同时受现有材料科学、制造加工技术、工艺等限制, 可供触觉研究选择的敏感材料及其性能均有限, 远远不及人的皮肤, 这使触觉传感器的性能从根本上受到限制.

触觉传感器应用的定位最初是在80 年代根据机器人技术发展与对其在最有希望和具有最大市场的工业自动化领域的应用预测而作出的. 事实表明这个定位不适当. 80 年代以来机器人在制造业的自动化中得到广泛应用, 但触觉传感器并未象人们期盼的那样随机器人而广泛应用于生产自动化. 究其原因主要在于工业自动化的环境是结构化环境. 一方面触觉传感器还不具备通用、可靠、耐用等优良性能, 另一方面经过努力研究而使触觉传感器具有的形状识别功能在结构化环境中要么不需要, 要么不及视觉传感器[ 2, 4 ] , 因此触觉传感器缺少了主要市场的需求. 然而人们对触觉传感器应用于工业自动化的预期到90 年代前期还依然如故. 这说明这种技术与市场定位的不当是人们对事物的认识受时代局限所致. 当时人们对机器人应用于医疗、康复、农林等非传统领域也有认识和研究, 但认为机器人应用于这些领域要困难得多.

3　研究发展的现状(The state of the art)

随着机器人技术的发展和对智能机器人的认识, 近年来与触觉技术相关的方面都已充分为人们所关注, 触觉传感技术研究内容已非常丰富且具有成效. 即使最受关注的触觉传感器设计研制也从单纯的传感器研究发展成为对涉及触觉传感、控制、信息处理等较复杂的系统及其过程的研究.

3. 1　目前触觉传感技术研究的主要特点和趋势

(1) 敏感材料的实验探索　敏感材料性能是传感器性能的基础. 没有表面柔顺性和缺乏通用性、造价贵、可靠性差被认为是触觉技术难以商用化的主要原因, 缺乏柔顺性是它难以和人类皮肤相比的一个主要原因[ 11 ]. 因此选择合适材料研制传感器倍受关注. 过去最常用而现在用得最广的柔性材料是压电材料, 如PVDF 聚合物[ 2, 4 ]. 但对其它材料的研究也很多. 罗志增等用各向异性压阻材料CSA 研究了一种高分辨力柔性阵列触觉传感器[ 12 ]. 李铁军等采用由柔性硅橡胶与导电橡胶制成的整体薄膜作表皮, 在皮下结合充满电流变流体的绝缘体泡沫结构研制了新型电流变流体柔顺触觉传感器[ 13 ]. 日本佐贺大学用柔软、韧性好的压感导电橡胶研制了检测温度、硬度、热传导性的触觉传感系统[ 14 ].