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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. (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.