1　引言( Introduction)

觸覺(jué)是機(jī)器人獲取環(huán)境信息的一種僅次于視覺(jué)的重要知覺(jué)形式, 是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)與環(huán)境直接作用的必需媒介. 與視覺(jué)不同, 觸覺(jué)本身有很強(qiáng)的敏感能力可直接測(cè)量對(duì)象和環(huán)境的多種性質(zhì)特征. 因此觸覺(jué)不僅僅只是視覺(jué)的一種補(bǔ)充.

觸覺(jué)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進(jìn)行檢測(cè)或感知. 機(jī)器人觸覺(jué)與視覺(jué)一樣基本上是模擬人的感覺(jué)[ 1 ] , 廣義的說(shuō)它包括接觸覺(jué)、壓覺(jué)、力覺(jué)、滑覺(jué)、冷熱覺(jué)等與接觸有關(guān)的感覺(jué), 狹義的說(shuō)它是機(jī)械手與對(duì)象接觸面上的力感覺(jué). 本文涉及的觸覺(jué)包括兩者.

機(jī)器人觸覺(jué)傳感器主要有檢測(cè)和識(shí)別功能. 檢測(cè)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(cè). 識(shí)別功能是在檢測(cè)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(lèi)和目標(biāo)識(shí)別.

機(jī)器人觸覺(jué)能達(dá)到的某些功能, 雖然其它感覺(jué)如視覺(jué)也能完成, 但具有其它感覺(jué)難以替代的特點(diǎn).與機(jī)器人視覺(jué)相比, 許多功能為觸覺(jué)獨(dú)有. 即便是識(shí)別功能兩者具有互補(bǔ)性. 觸覺(jué)融合視覺(jué)可為機(jī)器人提供可靠而堅(jiān)固的知覺(jué)系統(tǒng).

自80 年代以來(lái)觸覺(jué)傳感技術(shù)雖有了較大發(fā)展,但與機(jī)器人視覺(jué)等技術(shù)相比明顯落后. 目前商品化的視覺(jué)傳感器已差不多成為機(jī)器人系統(tǒng)不可缺少的部分. 而從工業(yè)應(yīng)用到業(yè)余愛(ài)好的幾乎所有機(jī)器人依然沒(méi)有使用真正意義上的觸覺(jué)傳感器[ 2 ]. 因此有必要對(duì)觸覺(jué)傳感技術(shù)研發(fā)的歷史、現(xiàn)狀進(jìn)行客觀分析評(píng)價(jià), 檢查落后原因, 以有助于實(shí)現(xiàn)人們對(duì)觸覺(jué)技術(shù)與觸覺(jué)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(jī)器人觸覺(jué)傳感技術(shù)的研究始于70 年代. 三十多年的歷程可分為三個(gè)時(shí)段:

70 年代、80 年代、90 年代以后. 這三個(gè)時(shí)段的研究與成就各有特點(diǎn).

70 年代國(guó)外的機(jī)器人研究已成熱點(diǎn), 但觸覺(jué)技術(shù)的研究才開(kāi)始且很少. 這可從N icho lls 與L ee 的綜述[ 3 ]所引用的文獻(xiàn)數(shù)看出. 當(dāng)時(shí)對(duì)觸覺(jué)的研究?jī)H限于與對(duì)象的接觸與否, 接觸力大小. 雖有一些好的設(shè)想, 但研制出的傳感器少且簡(jiǎn)陋.

80 年代是機(jī)器人觸覺(jué)傳感技術(shù)研究、發(fā)展的快速增長(zhǎng)期[ 4 ]. 此期間對(duì)傳感器設(shè)計(jì)、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(yīng)變等原理和方法[ 5 ]. 開(kāi)始了對(duì)檢測(cè)接觸點(diǎn)和區(qū)域、接觸截面形狀、壓力分布的觸覺(jué)陣列的研究. 研制出了能檢測(cè)對(duì)象形狀、尺寸、有無(wú)、位置、作用力模式和溫度的傳感器. 但對(duì)諸如表面紋理、硬度、粘度等材料物理性質(zhì)的觸覺(jué)感知被證明要難得多, 這些問(wèn)題也未得到有效解決. 對(duì)觸覺(jué)信號(hào)的處理集中于圖像處理技術(shù), 采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究所用方法研究從觸覺(jué)陣列得到的靜態(tài)圖像. 因認(rèn)識(shí)到動(dòng)態(tài)信號(hào)的重要性, 研究了探測(cè)應(yīng)力變化、滑動(dòng)和暫態(tài)接觸的傳感器. 后來(lái)遵循主動(dòng)視覺(jué)的研究模式開(kāi)始了主動(dòng)觸覺(jué)研究.
從總體上看80 年代的研究可分為傳感器研制、觸覺(jué)數(shù)據(jù)處理、主動(dòng)觸覺(jué)感知三部分. 其突出特點(diǎn)是以傳感器裝置研究為中心[ 2 ] , 主要面向工業(yè)自動(dòng)化.在此期間主要的、也是常用的觸覺(jué)傳感器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是Harmon 提出的觸覺(jué)傳感器技術(shù)要求[ 6, 4 ] , 這也主要是為用于工業(yè)自動(dòng)化的機(jī)器人提出的. 到80 年代末許多人都樂(lè)觀的認(rèn)為隨著商品化的傳感器出現(xiàn),觸覺(jué)技術(shù)就將成熟, 不久的將來(lái)觸覺(jué)傳感器就將集成到工廠的機(jī)器人系統(tǒng)中.

90 年代對(duì)觸覺(jué)傳感技術(shù)的研究繼續(xù)保持增長(zhǎng),并多方向發(fā)展. 按寬的分類(lèi)法, 有關(guān)觸覺(jué)研究的文獻(xiàn)可分為: 傳感技術(shù)與傳感器設(shè)計(jì)、觸覺(jué)圖像處理、形狀辨識(shí)、主動(dòng)觸覺(jué)感知、結(jié)構(gòu)與集成. 這個(gè)時(shí)期的研究還可按不同方式分類(lèi), 如L ee 所列[ 2 ]. 最活躍的研究依然是新型傳感器的設(shè)計(jì)與構(gòu)造, 如從80 年代的觸覺(jué)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(jù)處理和分析實(shí)驗(yàn). 其次是含集成傳感器2驅(qū)動(dòng)器和控制的主動(dòng)觸覺(jué)感知, 它一度被認(rèn)為是觸覺(jué)傳感技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵. 包括多指手及其設(shè)計(jì)的靈巧操作、柔軟材料也是重要的研究方面. 此外還有對(duì)觸覺(jué)傳感技術(shù)在非傳統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用研究和用于遙操作機(jī)器人的觸覺(jué)臨場(chǎng)感技術(shù)的研究.

90 年代觸覺(jué)傳感技術(shù)研發(fā)的成就主要有: (1)對(duì)工程問(wèn)題的研究. 如器件封裝、對(duì)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(duì)傳感器作用的了解. 如通過(guò)利用幾種具有不同響應(yīng)率的觸覺(jué)傳感器的互補(bǔ)性, 使集成系統(tǒng)能在一定范圍內(nèi)處理給定任務(wù)中的不同接觸特征. (3) 改進(jìn)了機(jī)器人的靈巧手, 使多指手對(duì)對(duì)象的操作性能有了相當(dāng)大的進(jìn)步. (4) 觸覺(jué)應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域. 觸覺(jué)傳感器在此領(lǐng)域的應(yīng)用研究已受到關(guān)注. 90 年代總的特點(diǎn)是觸覺(jué)技術(shù)與傳感器未能按先期人們預(yù)料的那樣滲透到工業(yè)領(lǐng)域中, 但其研究并未減少, 僅僅是從限定的工業(yè)領(lǐng)域的固體世界中轉(zhuǎn)向柔軟些的自然系統(tǒng)里相對(duì)無(wú)序的世界中[ 2, 4 ].

我國(guó)80 年代左右開(kāi)始研究機(jī)器人傳感器. 受客觀條件限制, 1987 年國(guó)家863 計(jì)劃實(shí)施后才加快步伐. 在863 計(jì)劃支持下, 90 年代初我國(guó)的觸覺(jué)傳感器研究就取得了進(jìn)步. 如在陣列觸覺(jué)傳感器研究方面,東南大學(xué)實(shí)現(xiàn)了壓阻式16×16 觸覺(jué)敏感陣列及其數(shù)據(jù)處理和觸覺(jué)圖像識(shí)別; 北京理工大學(xué)研制了有接觸覺(jué)、滑覺(jué)和觸覺(jué)圖像識(shí)別功能的傳感系統(tǒng)[ 7 ]. 杭州電子工業(yè)學(xué)院研制了用于多傳感器手爪的接近覺(jué)、接觸覺(jué)、滑覺(jué)復(fù)合傳感器[ 8 ]. 近年來(lái)在863 計(jì)劃支持下合肥智能所、東南大學(xué)、北京理工、杭電、哈工大、華中理工、北京信息學(xué)院等對(duì)觸覺(jué)傳感技術(shù)都作了各有特色的研究, 如東大研究了三維觸覺(jué)信息獲取方法[ 9 ]; 北理工研制了用于觸覺(jué)臨場(chǎng)感的指形觸覺(jué)傳感器[ 10 ]等.

2. 2　發(fā)展進(jìn)程中的不足與原因

2. 2. 1　主要不足

三十多年來(lái)觸覺(jué)傳感技術(shù)的研發(fā)取得了較大進(jìn)步. 但在其進(jìn)程中存在著明顯不足, 主要表現(xiàn)如下.
首先是觸覺(jué)傳感技術(shù)的應(yīng)用和商用化明顯滯后, 所取得的研究成果大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段, 與視覺(jué)傳感技術(shù)相比這種不足更明顯[ 2, 4 ]. 目前攝像機(jī)和視覺(jué)傳感器已差不多是機(jī)器人系統(tǒng)不可缺少的部分, 相關(guān)的硬軟件市場(chǎng)上有售且配置使用容易. 即使與力覺(jué)傳感器相比觸覺(jué)也明顯落后. 以國(guó)內(nèi)情況為例, 國(guó)內(nèi)的腕力傳感器在90 年代初完成研制后即可進(jìn)入商用. 而到現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上基本上沒(méi)有出現(xiàn)耐用、可靠、具有通用性的觸覺(jué)傳感器.

其次是觸覺(jué)技術(shù)研究的內(nèi)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(duì)傳感器技術(shù)性能要求不是從市場(chǎng)或從工程應(yīng)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(guò)多的從學(xué)術(shù)觀點(diǎn)研究觸覺(jué)的現(xiàn)象. 有時(shí)存在著過(guò)多的仿人類(lèi)感知方式的傾向. 在多傳感器系統(tǒng)研究中對(duì)觸覺(jué)與其它感覺(jué)的互補(bǔ)性重視不夠. 如在陣列式觸覺(jué)傳感器的研究中, 對(duì)用觸覺(jué)來(lái)識(shí)別規(guī)則圖形或形狀有大量研究, 而實(shí)際表明自動(dòng)化生產(chǎn)對(duì)形狀的識(shí)別都優(yōu)先選擇視覺(jué)方式[ 2 ].

2. 2. 2　原因

產(chǎn)生上述不足或者說(shuō)觸覺(jué)技術(shù)相對(duì)落后的原因有兩方面. 首先是基礎(chǔ)的欠缺, 其次是當(dāng)初對(duì)觸覺(jué)傳感器應(yīng)用的技術(shù)與市場(chǎng)定位不當(dāng).

基礎(chǔ)欠缺主要在機(jī)理與材料上. 人們對(duì)人的觸覺(jué)機(jī)理的了解顯然不及視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué). 在人的感覺(jué)方式中, 視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)都有具體的對(duì)應(yīng)器官, 觸覺(jué)卻沒(méi)有. 人的整個(gè)身體表面都有觸覺(jué)功能. 這使觸覺(jué)本身很復(fù)雜, 研究難度也最大. 機(jī)器人的感覺(jué)基本上是模擬人的感覺(jué), 所以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人觸覺(jué)感知在原理上存在大的困難. 與此同時(shí)受現(xiàn)有材料科學(xué)、制造加工技術(shù)、工藝等限制, 可供觸覺(jué)研究選擇的敏感材料及其性能均有限, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及人的皮膚, 這使觸覺(jué)傳感器的性能從根本上受到限制.

觸覺(jué)傳感器應(yīng)用的定位最初是在80 年代根據(jù)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展與對(duì)其在最有希望和具有最大市場(chǎng)的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用預(yù)測(cè)而作出的. 事實(shí)表明這個(gè)定位不適當(dāng). 80 年代以來(lái)機(jī)器人在制造業(yè)的自動(dòng)化中得到廣泛應(yīng)用, 但觸覺(jué)傳感器并未象人們期盼的那樣隨機(jī)器人而廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)自動(dòng)化. 究其原因主要在于工業(yè)自動(dòng)化的環(huán)境是結(jié)構(gòu)化環(huán)境. 一方面觸覺(jué)傳感器還不具備通用、可靠、耐用等優(yōu)良性能, 另一方面經(jīng)過(guò)努力研究而使觸覺(jué)傳感器具有的形狀識(shí)別功能在結(jié)構(gòu)化環(huán)境中要么不需要, 要么不及視覺(jué)傳感器[ 2, 4 ] , 因此觸覺(jué)傳感器缺少了主要市場(chǎng)的需求. 然而人們對(duì)觸覺(jué)傳感器應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化的預(yù)期到90 年代前期還依然如故. 這說(shuō)明這種技術(shù)與市場(chǎng)定位的不當(dāng)是人們對(duì)事物的認(rèn)識(shí)受時(shí)代局限所致. 當(dāng)時(shí)人們對(duì)機(jī)器人應(yīng)用于醫(yī)療、康復(fù)、農(nóng)林等非傳統(tǒng)領(lǐng)域也有認(rèn)識(shí)和研究, 但認(rèn)為機(jī)器人應(yīng)用于這些領(lǐng)域要困難得多.

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

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和對(duì)智能機(jī)器人的認(rèn)識(shí), 近年來(lái)與觸覺(jué)技術(shù)相關(guān)的方面都已充分為人們所關(guān)注, 觸覺(jué)傳感技術(shù)研究?jī)?nèi)容已非常豐富且具有成效. 即使最受關(guān)注的觸覺(jué)傳感器設(shè)計(jì)研制也從單純的傳感器研究發(fā)展成為對(duì)涉及觸覺(jué)傳感、控制、信息處理等較復(fù)雜的系統(tǒng)及其過(guò)程的研究.

3. 1　目前觸覺(jué)傳感技術(shù)研究的主要特點(diǎn)和趨勢(shì)

(1) 敏感材料的實(shí)驗(yàn)探索　敏感材料性能是傳感器性能的基礎(chǔ). 沒(méi)有表面柔順性和缺乏通用性、造價(jià)貴、可靠性差被認(rèn)為是觸覺(jué)技術(shù)難以商用化的主要原因, 缺乏柔順性是它難以和人類(lèi)皮膚相比的一個(gè)主要原因[ 11 ]. 因此選擇合適材料研制傳感器倍受關(guān)注. 過(guò)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(duì)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(jué)傳感器[ 12 ]. 李鐵軍等采用由柔性硅橡膠與導(dǎo)電橡膠制成的整體薄膜作表皮, 在皮下結(jié)合充滿(mǎn)電流變流體的絕緣體泡沫結(jié)構(gòu)研制了新型電流變流體柔順觸覺(jué)傳感器[ 13 ]. 日本佐賀大學(xué)用柔軟、韌性好的壓感導(dǎo)電橡膠研制了檢測(cè)溫度、硬度、熱傳導(dǎo)性的觸覺(jué)傳感系統(tǒng)[ 14 ].

(2) 充分利用新制造工藝技術(shù)　隨著科技的發(fā)展進(jìn)步, 制造技術(shù)與工藝有了提高創(chuàng)新. 對(duì)觸覺(jué)傳感技術(shù)的研究也正充分利用新技術(shù). 梅濤、戈瑜等利用半導(dǎo)體微機(jī)械加工與集成技術(shù)研制了可定量檢測(cè)三維接觸力的多功能陣列式觸覺(jué)傳感器[ 15 ]. 日本利用表面微加工技術(shù)研制了平面盤(pán)繞式線圈, 通過(guò)多功能復(fù)用這種單一結(jié)構(gòu)的觸覺(jué)傳感器可識(shí)別材質(zhì)[ 16 ].J. Dargah i 等利用硅條和PVDF 膜構(gòu)成的夾層構(gòu)造研制了一種用于腹腔鏡外科的微加工壓電觸覺(jué)傳感器[ 17 ]. B. L. Gray 等用表面微機(jī)械加工技術(shù)研究了具有高分辨力的微觸覺(jué)傳感器陣列[ 18 ].

(3) 多功能化　目前觸覺(jué)傳感器的多功能化(含多功能復(fù)用) [ 19 ]主要有以下實(shí)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(jué)、壓覺(jué)、滑覺(jué)、熱覺(jué)、力覺(jué)等功能. 如文獻(xiàn)[ 8 ]介紹的復(fù)合傳感器. 利用同一敏感元件在不同激勵(lì)下的不同響應(yīng): J. Yu ji 等利用一種具有熱敏功能的壓感導(dǎo)電合成橡膠研制了可輸出兩種信號(hào)的多功能觸覺(jué)傳感器, 通過(guò)有選擇的信號(hào)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(yīng): 文獻(xiàn)[ 16 ]介紹的觸覺(jué)傳感器的多功能是利用平面盤(pán)繞線圈具有的電感、電容、溫度特性構(gòu)成的. 利用敏感材料的微陣列結(jié)構(gòu)具有的力學(xué)特性: 文獻(xiàn)[ 15 ]中的多維力陣列式觸覺(jué)傳感器就是通過(guò)分布于微陣列結(jié)構(gòu)不同位置上的電阻受力后變化不同來(lái)獲取三維接觸力信息的.

(4) 傳感器數(shù)據(jù)處理和融合　數(shù)據(jù)處理包括處理傳感器數(shù)據(jù)的方法和算法. 目前有許多將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、基于模型的方法等應(yīng)用于觸覺(jué)數(shù)據(jù)處理的研究. 目前關(guān)鍵問(wèn)題是多信息融合. 例如Yam ada 等用基于模型的方法對(duì)視覺(jué)和觸覺(jué)數(shù)據(jù)作了融合研究[ 21 ] , 他們把觸覺(jué)數(shù)據(jù)用于對(duì)一個(gè)粗略參數(shù)模型的精細(xì)處理. 羅志增等用兩種多信息融合法研究了由熱覺(jué)與力覺(jué)信息融合實(shí)現(xiàn)目標(biāo)樣本分類(lèi)[ 22, 23 ].

(5) 虛擬觸覺(jué)傳感器的研究　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為機(jī)器人感知系統(tǒng)提供了新的研究平臺(tái), 人們開(kāi)始利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)平臺(tái)研究動(dòng)態(tài)擬實(shí)操作過(guò)程的物理模型, 以便了解對(duì)剛體和變形體操作的動(dòng)態(tài)特性. 為研究基于傳感信息的機(jī)器人柔性操作和精密操作,趙春霞等根據(jù)觸覺(jué)傳感原理對(duì)虛擬觸覺(jué)傳感器模型及其實(shí)現(xiàn)作了研究[ 24 ].

3. 2　面臨的主要困難

經(jīng)過(guò)三十多年尤其是近十年的發(fā)展, 觸覺(jué)傳感技術(shù)已開(kāi)始成熟, 但還面臨諸多困難, 主要如下.

(1)機(jī)理上還存在障礙. 盡管人們對(duì)人的觸覺(jué)感知及皮膚的特性有了更深的了解, 但人的觸覺(jué)不是一個(gè)通過(guò)皮膚將物理特性轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的簡(jiǎn)單過(guò)程, 而是綜合復(fù)雜過(guò)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(jué)的合適材料, 但敏感材料與其性能不是主要由觸覺(jué)研究解決的問(wèn)題, 基本上有賴(lài)于材料科學(xué)本身.

(3) 在原理上幾乎沒(méi)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(duì)而言可供選用的基礎(chǔ)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(zhǔn)確性還難以保證, 例如軟組織這種變形體, 即便在實(shí)驗(yàn)條件下其力學(xué)特性與其在自然條件下的力學(xué)特性也不同[ 25 ].

(6) 缺少有效驅(qū)動(dòng)力. 觸覺(jué)技術(shù)進(jìn)步會(huì)促進(jìn)機(jī)器人的發(fā)展, 但觸覺(jué)技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力受制于機(jī)器人的發(fā)展. 沒(méi)有有效的需求就沒(méi)有有效的驅(qū)動(dòng)力.

4　新趨勢(shì)(New trends)

4. 1　機(jī)器人技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的新趨勢(shì)

90 年代以來(lái)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展以向智能化方向發(fā)展為重要標(biāo)志[ 26 ] , 呈現(xiàn)出一些新特點(diǎn)和趨勢(shì). 例如傳感型智能機(jī)器人發(fā)展加快, 微型機(jī)器人的研究有所突破, 新型智能技術(shù)不斷開(kāi)發(fā), 應(yīng)用領(lǐng)域向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)擴(kuò)展等.

智能機(jī)器人技術(shù)快速發(fā)展促進(jìn)了機(jī)器人在制造領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展, 也使機(jī)器人開(kāi)始向非制造領(lǐng)域擴(kuò)展. 這些非傳統(tǒng)領(lǐng)域有航天、海洋、軍事、醫(yī)療、護(hù)理、服務(wù)、農(nóng)林、采礦等. 機(jī)器人在這些領(lǐng)域有著廣闊誘人的前景. 在當(dāng)今還不能或難以發(fā)展全自主智能機(jī)器人的情況下, 工作于人機(jī)交互方式下的具有臨場(chǎng)感的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)是完成復(fù)雜或有害以及人無(wú)法進(jìn)入的環(huán)境下作業(yè)的有力手段[ 27 ]. 而微機(jī)器人在現(xiàn)代生物、醫(yī)學(xué)工程, 微機(jī)械加工與裝配等工程中將大有作為.

4. 2　觸覺(jué)傳感技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的趨勢(shì)

機(jī)器人在傳統(tǒng)領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)展的同時(shí)向非傳統(tǒng)領(lǐng)域擴(kuò)展, 為自身找到了新發(fā)展方向, 開(kāi)托了新市場(chǎng),有了新動(dòng)力. 作為機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)之一的傳感技術(shù)也是同樣, 對(duì)其中的觸覺(jué)技術(shù)則更不尋常. 與制造業(yè)的自動(dòng)化環(huán)境不同, 這些非傳統(tǒng)領(lǐng)域中的環(huán)境一般都是非結(jié)構(gòu)化的甚至高度的非結(jié)構(gòu)化. 相對(duì)結(jié)構(gòu)化環(huán)境, 非結(jié)構(gòu)化環(huán)境更需觸覺(jué)、依賴(lài)觸覺(jué), 這使過(guò)去在工業(yè)自動(dòng)化中未得到充分發(fā)揮的觸覺(jué)傳感器有了一個(gè)能充分發(fā)揮其特有功能的舞臺(tái).

在觸覺(jué)的新機(jī)遇中當(dāng)然存在著新挑戰(zhàn). 非傳統(tǒng)領(lǐng)域的環(huán)境的主要物理特征與結(jié)構(gòu)化環(huán)境的特征明顯不同. 而在非傳統(tǒng)領(lǐng)域中, 不同領(lǐng)域有著不同環(huán)境和對(duì)觸覺(jué)的不同要求. 因此觸覺(jué)技術(shù)的發(fā)展在現(xiàn)有基礎(chǔ)上有不同的側(cè)重點(diǎn)和方向、不同技術(shù)要求與市場(chǎng)需求. 對(duì)觸覺(jué)傳感器須要有不同的定位. 無(wú)疑這些都將促進(jìn)觸覺(jué)技術(shù)及其商用化的進(jìn)程.

Lee 和Ncholls 認(rèn)為醫(yī)療尤其是外科手術(shù)、康復(fù)和服務(wù)、農(nóng)業(yè)和食品加工是觸覺(jué)將起關(guān)鍵作用的機(jī)器人擴(kuò)展領(lǐng)域[ 2, 4 ]. 目前機(jī)器人應(yīng)用于醫(yī)療有不少成功實(shí)例并正在快速發(fā)展. 遙操作機(jī)器人用于微創(chuàng)外科手術(shù)是機(jī)器人應(yīng)用于醫(yī)療中發(fā)展最快的, 也是最需要觸覺(jué)的. 外科醫(yī)生非常需要恢復(fù)在傳統(tǒng)微創(chuàng)外科手術(shù)中因非直接操作而失去的觸覺(jué)[ 28 ]. 這種觸覺(jué)不同于工業(yè)自動(dòng)化中的觸覺(jué), 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(jué)已有一些研究[ 29 ] , 但還有困難, 需進(jìn)一步的探索.

5　對(duì)未來(lái)研發(fā)的幾點(diǎn)見(jiàn)解(Suggest ion on RD)

根據(jù)機(jī)器人和傳感技術(shù)發(fā)展趨勢(shì), 結(jié)合對(duì)觸覺(jué)特殊性和觸覺(jué)技術(shù)研發(fā)的歷史現(xiàn)狀及存在困難的分析思考, 在觸覺(jué)技術(shù)發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)共存的新形勢(shì)下, 為加快發(fā)展, 我們對(duì)未來(lái)觸覺(jué)傳感技術(shù)的研發(fā)提出幾點(diǎn)見(jiàn)解.

在指導(dǎo)原則上應(yīng)注意: (1) 根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)、應(yīng)用任務(wù)要求、市場(chǎng)需求對(duì)傳感器進(jìn)行正確的技術(shù)與市場(chǎng)定位. 歷史表明不適當(dāng)?shù)亩ㄎ粫?huì)延緩甚至妨礙技術(shù)發(fā)展. (2) 充分考慮與其它傳感技術(shù)的互補(bǔ)性. 機(jī)器人的各種傳感功能之間關(guān)系密切, 其作業(yè)常需不同功能的傳感器. 觸覺(jué)的某些功能其它感覺(jué)也有, 但又各有特點(diǎn), 因此必需注重它們的互補(bǔ)性. (3)避免過(guò)分強(qiáng)調(diào)對(duì)觸覺(jué)采用擬人方式. 現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)不能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)人類(lèi)感覺(jué)的完全模仿, 人的感覺(jué)功能并不都完善, 現(xiàn)常用的某些傳感功能人卻沒(méi)有,如超聲傳感等, 而這些人不具備的感知可用于觸覺(jué).例如Sh inoda 等基于超聲探測(cè)研究了用于觸覺(jué)傳感的聲諧振伸張氣囊(acou st ic resonan t ten so r cell) ,實(shí)驗(yàn)表明可獲得有用的多維觸覺(jué)特征[ 30 ].在研發(fā)中應(yīng)注重:

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

(2) 對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的挖潛與改造. 目前很少有新的原理發(fā)現(xiàn), 結(jié)合新技術(shù)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)挖潛改造是一種有效方法. 正是有了新光刻工藝技術(shù), 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(shí)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(jué)系統(tǒng)中可能含接觸覺(jué)、滑覺(jué)、力覺(jué)、壓覺(jué)、接近覺(jué)、熱覺(jué)等不同功能, 而作用對(duì)象也具有多種物理特征. 每個(gè)傳感器的輸出一般與幾項(xiàng)特征有關(guān), 多個(gè)傳感器也可能同時(shí)含與某一項(xiàng)特征有關(guān)的信息. 來(lái)自不同傳感器的信息也可能相互矛盾. 因此必須構(gòu)造或選擇適當(dāng)途徑和方法進(jìn)行信息融合. 因信息融合問(wèn)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(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域的問(wèn)題展開(kāi)研究[ 32 ]. 因此對(duì)觸覺(jué)等信息的融合需要針對(duì)其特性、特征、任務(wù)等來(lái)研究.

(4) 未來(lái)可能的新功能和特點(diǎn)要求. 傳感技術(shù)本身的發(fā)展將呈現(xiàn)新特點(diǎn), 如日本高橋清指出的傳感器的多功能化、由經(jīng)典型向量子型轉(zhuǎn)化等[ 33 ]. 現(xiàn)在的傳感器尺寸大, 用經(jīng)典物理可很好的描述. 將來(lái)隨傳感器微型化, 量子效應(yīng)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(lái)辨識(shí)微加工與裝配環(huán)境的微觸覺(jué)傳感器[ 34 ].

(5) 利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù). 根據(jù)具體任務(wù)性質(zhì)、要求等, 基于觸覺(jué)傳感原理, 用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)研究、仿真觸覺(jué)傳感器, 有助于對(duì)動(dòng)態(tài)特性的研究且可降低研發(fā)成本、縮短時(shí)間、提高效率.