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

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1、機(jī)器人觸覺傳感技術(shù)研發(fā)的歷史現(xiàn)狀與趨勢劉少強(qiáng)黃惟一王愛民宋愛國東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程系關(guān)鍵字：機(jī)器人觸覺觸覺技術(shù)觸覺傳感器研發(fā)摘　要:觸覺是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)與外部環(huán)境直接作用的必需媒介.相對其它機(jī)器人傳感技術(shù)觸覺傳感技術(shù)已明顯落后.本文從總體上簡要回顧觸覺傳感技術(shù)研發(fā)歷程,分析指出其中的不足與主要原因.在簡述目前觸覺傳感技術(shù)研發(fā)的現(xiàn)狀后,介紹分析機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的新趨勢及隨之而來的觸覺傳感技術(shù)發(fā)展趨勢.對今后觸覺傳感技術(shù)的研發(fā)提出我們的見解引言發(fā)展歷程發(fā)展現(xiàn)狀新趨勢未來研發(fā)Ⅰ引言觸覺是機(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,可直接測量對象和環(huán)境的多種性

2、質(zhì)特征.主要任務(wù)是為獲取對象與環(huán)境信息和為完成某種作業(yè)任務(wù)而對機(jī)器人與對象、環(huán)境相互作用時的一系列物理特征量進(jìn)行檢測或感知。廣義的說，它包括接觸覺、壓覺、力覺、滑覺、冷熱覺等,狹義的說它是機(jī)械手與對象接觸面上的力感覺.機(jī)器人觸覺傳感器主要有檢測和識別功能.檢測功能包括對操作對象的狀態(tài)、機(jī)械手與操作對象的接觸狀態(tài)、操作對象的物理性質(zhì)進(jìn)行檢測。識別功能是在檢測的基礎(chǔ)上提取操作對象的形狀、大小、剛度等特征加以分類和目標(biāo)識別.觸覺在功能上與視覺具有互補(bǔ)性.二者相融合可為機(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)

3、相比明顯落后。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Ⅱ發(fā)展歷程一、歷程機(jī)器人觸覺傳感技術(shù)的研究始于70年代.其發(fā)展歷程可分為三個時段:70年代、80年代、90年代以后。70年代國外的機(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.當(dāng)時對觸覺的研究僅限于與對象的接觸與否,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)展的快速增長期[4].。此期間對傳感器設(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].開始了對檢測接

4、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.研制出了能檢測對象形狀、尺寸、有無、位置、作用力模式和溫度的傳感器.對觸覺信號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)識到動態(tài)信號的重要性,研究了探測應(yīng)力變化、滑動和暫態(tài)接觸的傳感器.后來遵循主動視覺的研究模式開始了主動觸覺研究.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],

5、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年代的研究繼續(xù)保持增長,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、主動觸覺感知、結(jié)構(gòu)與集成.這個時期的研究還可按不同方式分類,如Lee所列[2].90年代觸覺傳感技術(shù)研發(fā)的成就主要有:(1)對工程問題的研究.如器件封裝、對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

6、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,使多指手對對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)里相對無序的世界中[2,4]圖為最早的觸覺傳感器之一二、發(fā)展中的不足與原因主要不足：首先觸覺傳感技術(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].以國內(nèi)情況為例,國內(nèi)的腕力傳感器

7、在90年代初完成研制后即可進(jìn)入商用.而到現(xiàn)在國內(nèi)外市場上基本上沒有出現(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.這些不足主要有對傳感器技術(shù)性能要求不是從市場或從工程應(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.有時存在著過多的仿人類感知方式的傾向.對多傳感器系統(tǒng)研究中的互補(bǔ)性重視不夠.原因：首先是基礎(chǔ)的欠缺,其次是對觸覺傳感器應(yīng)用的技術(shù)與市場定位不當(dāng).基礎(chǔ)欠缺主要在機(jī)理與材料上.觸覺本身很復(fù)雜,研究難度也最大.實(shí)現(xiàn)機(jī)器人觸覺感知在原理上存在大的困難.與

8、此同時受現(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