機(jī)器人觸覺傳感技術(shù)研發(fā)的歷史現(xiàn)狀與趨勢(shì)

1　引言( Introduction)

觸覺是機(jī)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(jī)器人實(shí)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(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. 因此觸覺不僅僅只是視覺的一種補(bǔ)充.

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進(jìn)行檢測(cè)或感知. 機(jī)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(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. 本文涉及的觸覺包括兩者.

機(jī)器人觸覺傳感器主要有檢測(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)行分類和目標(biāo)識(shí)別.

機(jī)器人觸覺能達(dá)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(diǎn).與機(jī)器人視覺相比, 許多功能為觸覺獨(dú)有. 即便是識(shí)別功能兩者具有互補(bǔ)性. 觸覺融合視覺可為機(jī)器人提供可靠而堅(jiān)固的知覺系統(tǒng).

自80 年代以來觸覺傳感技術(shù)雖有了較大發(fā)展,但與機(jī)器人視覺等技術(shù)相比明顯落后. 目前商品化的視覺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)余愛好的幾乎所有機(jī)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(duì)觸覺傳感技術(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)觸覺技術(shù)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(jī)器人觸覺傳感技術(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), 但觸覺技術(shù)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(xiàn)數(shù)看出. 當(dāng)時(shí)對(duì)觸覺的研究?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、壓力分布的觸覺陣列的研究. 研制出了能檢測(cè)對(duì)象形狀、尺寸、有無、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)的觸覺感知被證明要難得多, 這些問題也未得到有效解決. 對(duì)觸覺信號(hào)的處理集中于圖像處理技術(shù), 采用計(jì)算機(jī)視覺研究所用方法研究從觸覺陣列得到的靜態(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. 后來遵循主動(dòng)視覺的研究模式開始了主動(dòng)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(jù)處理、主動(dòng)觸覺感知三部分. 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、也是常用的觸覺傳感器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是Harmon 提出的觸覺傳感器技術(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 年代末許多人都樂觀的認(rèn)為隨著商品化的傳感器出現(xiàn),觸覺技術(shù)就將成熟, 不久的將來觸覺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. 按寬的分類法, 有關(guān)觸覺研究的文獻(xiàn)可分為: 傳感技術(shù)與傳感器設(shè)計(jì)、觸覺圖像處理、形狀辨識(shí)、主動(dòng)觸覺感知、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, 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)觸覺感知, 它一度被認(rèn)為是觸覺傳感技術(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)器人的觸覺臨場(chǎng)感技術(shù)的研究.

90 年代觸覺傳感技術(shù)研發(fā)的成就主要有: (1)對(duì)工程問題的研究. 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. 如通過利用幾種具有不同響應(yīng)率的觸覺傳感器的互補(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) 觸覺應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域. 觸覺傳感器在此領(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)無序的世界中[ 2, 4 ].

我國(guó)80 年代左右開始研究機(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)的觸覺傳感器研究就取得了進(jìn)步. 如在陣列觸覺傳感器研究方面,東南大學(xué)實(shí)現(xiàn)了壓阻式16×16 觸覺敏感陣列及其數(shù)據(jù)處理和觸覺圖像識(shí)別; 北京理工大學(xué)研制了有接觸覺、滑覺和觸覺圖像識(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、接觸覺、滑覺復(fù)合傳感器[ 8 ]. 近年來在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信息獲取方法[ 9 ]; 北理工研制了用于觸覺臨場(chǎng)感的指形觸覺傳感器[ 10 ]等.

2. 2　發(fā)展進(jìn)程中的不足與原因

2. 2. 1　主要不足

三十多年來觸覺傳感技術(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. 即使與力覺傳感器相比觸覺也明顯落后. 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(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 ]. 存在著過多的從學(xué)術(shù)觀點(diǎn)研究觸覺的現(xiàn)象. 有時(shí)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(duì)觸覺與其它感覺的互補(bǔ)性重視不夠. 如在陣列式觸覺傳感器的研究中, 對(duì)用觸覺來識(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)先選擇視覺方式[ 2 ].

2. 2. 2　原因

產(chǎn)生上述不足或者說觸覺技術(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)人的觸覺機(jī)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(duì)應(yīng)器官, 觸覺卻沒有. 人的整個(gè)身體表面都有觸覺功能. 這使觸覺本身很復(fù)雜, 研究難度也最大. 機(jī)器人的感覺基本上是模擬人的感覺, 所以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人觸覺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, 這使觸覺傳感器的性能從根本上受到限制.

觸覺傳感器應(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)過努力研究而使觸覺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, 要么不及視覺傳感器[ 2, 4 ] , 因此觸覺傳感器缺少了主要市場(chǎng)的需求. 然而人們對(duì)觸覺傳感器應(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), 近年來與觸覺技術(shù)相關(guān)的方面都已充分為人們所關(guān)注, 觸覺傳感技術(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)涉及觸覺傳感、控制、信息處理等較復(fù)雜的系統(tǒng)及其過程的研究.

3. 1　目前觸覺傳感技術(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傳感器[ 15 ]. 日本利用表面微加工技術(shù)研制了平面盤繞式線圈, 通過多功能復(fù)用這種單一結(jié)構(gòu)的觸覺傳感器可識(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(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、壓覺、滑覺、熱覺、力覺等功能. 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)的多功能觸覺傳感器, 通過有選擇的信號(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(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傳感器就是通過分布于微陣列結(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)用于觸覺數(shù)據(jù)處理的研究. 目前關(guān)鍵問題是多信息融合. 例如Yam ada 等用基于模型的方法對(duì)視覺和觸覺數(shù)據(jù)作了融合研究[ 21 ] , 他們把觸覺數(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與力覺信息融合實(shí)現(xiàn)目標(biāo)樣本分類[ 22, 23 ].

(5) 虛擬觸覺傳感器的研究　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)觸覺傳感原理對(duì)虛擬觸覺傳感器模型及其實(shí)現(xiàn)作了研究[ 24 ].

3. 2　面臨的主要困難

經(jīng)過三十多年尤其是近十年的發(fā)展, 觸覺傳感技術(shù)已開始成熟, 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)人的觸覺感知及皮膚的特性有了更深的了解, 但人的觸覺不是一個(gè)通過皮膚將物理特性轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的簡(jiǎn)單過程, 而是綜合復(fù)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(xué)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(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. 觸覺技術(shù)進(jìn)步會(huì)促進(jìn)機(jī)器人的發(fā)展, 但觸覺技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力受制于機(jī)器人的發(fā)展. 沒有有效的需求就沒有有效的驅(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、依賴觸覺, 這使過去在工業(yè)自動(dòng)化中未得到充分發(fā)揮的觸覺傳感器有了一個(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)觸覺的不同要求. 因此觸覺技術(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)觸覺傳感器須要有不同的定位. 無疑這些都將促進(jìn)觸覺技術(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[ 28 ]. 這種觸覺不同于工業(yè)自動(dòng)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(jìn)一步的探索.

5　對(duì)未來研發(fā)的幾點(diǎn)見解(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)觸覺特殊性和觸覺技術(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)未來觸覺傳感技術(shù)的研發(fā)提出幾點(diǎn)見解.

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. 觸覺的某些功能其它感覺也有, 但又各有特點(diǎn), 因此必需注重它們的互補(bǔ)性. (3)避免過分強(qiáng)調(diào)對(duì)觸覺采用擬人方式. 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(cè)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(shí)驗(yàn)表明可獲得有用的多維觸覺特征[ 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(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)域的問題展開研究[ 32 ]. 因此對(duì)觸覺等信息的融合需要針對(duì)其特性、特征、任務(wù)等來研究.

(4) 未來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) , 由此需要用來辨識(shí)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(shí)技術(shù). 根據(jù)具體任務(wù)性質(zhì)、要求等, 基于觸覺傳感原理, 用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來研究、仿真觸覺傳感器, 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.