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文章推荐 | 宋爱国:机器人触觉传感器发展概述

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机器人技术由以下五大关键支撑技术构成:机构、传感、控制、人工智能、人机交互技术。传感器技术是机器人控制、交互和智能化的前提,是机器人感知环境和完成任务的基础。机器人传感器作为模仿人类感知功能的核心基础元件,一般可以分为视觉传感器、听觉传感器、力觉传感器、触觉传感器、运动觉传感器、位姿传感器、嗅觉传感器、味觉传感器、距离觉传感器、接近觉传感器等。

 

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触觉传感器的概念、功能与发展概况

机器人技术由以下五大关键支撑技术构成:机构、传感、控制、人工智能、人机交互技术。传感器技术是机器人控制、交互和智能化的前提,是机器人感知环境和完成任务的基础。机器人传感器作为模仿人类感知功能的核心基础元件,一般可以分为视觉传感器、听觉传感器、力觉传感器、触觉传感器、运动觉传感器、位姿传感器、嗅觉传感器、味觉传感器、距离觉传感器、接近觉传感器等。

机器人触觉传感器的研究始于20世纪70年代,伴随着机器人技术的发展而发展。近50年的发展历程可分为3个阶段。

① 20世纪70年代:机器人技术的研究已成为热点,但触觉传感器技术的研究才开始,当时对触觉传感器的研究仅限于机器人与对象接触压力大小的检测、接触形状的识别。触觉传感器的工作原理主要以压阻式和电感式为主,结构较为简单。

② 20世纪80年代至90年代:机器人触觉传感技术发展的快速增长期,提出了基于电阻式、电容式、压电式、热电式、电磁式、磁电式等工作原理的触觉测量方法,并开始研究可对接触目标进行多种参数测量的触觉阵列,但还不能有效解决对接触物体的表面纹理、硬度、黏度等物理属性的准确识别问题。这一阶段的主要特点是面向工业机器人和智能机器人的应用,研制基于各种原理的触觉传感器装置,最活跃的研究依然是新型触觉传感器的结构设计。

③ 2000年至今:随着MEMS技术、新材料和新工艺的发展,触觉传感器开始向柔性化、轻量化、高阵列、高灵敏度的方向发展,特别是随着触觉传感器从传统的机器人领域应用到医疗、康复、假肢、人机交互以及消费电子学等领域,以柔性化、轻量化、可扩展、多功能的电子触觉皮肤为代表的新型柔性触觉触感器的研究成为当前研究的热点。

我国在20世纪80年代初开始研究机器人触觉传感器,东南大学机器人传感与控制技术研究所和中科院合肥智能机械研究所自1983年开始在国内较早地开展机器人力觉和触觉传感器的研究,此外哈尔滨工业大学、杭州电子科技大学、北京理工大学、中科院沈阳自动化所也在20世纪80年代中期先后开展了机器人触觉传感器的研究。1987年我国开始实施国家高技术研究发展计划(简称863计划),在机器人技术领域第一批重点项目中就将机器人六维腕力传感器和阵列触觉传感器作为重点项目立项支持,并依托中科院合肥智能机械研究所设置了863计划机器人传感技术网点实验室。在国家863计划的支持下,20世纪90年代初我国的触觉传感器研究就取得了较大进步。近10年来,我国开展新型柔性化、轻量化触觉传感器特别是电子触觉皮肤研究的单位众多,研究工作取得了很多重要进展,但大部分的工作主要集中在电子触觉皮肤传感器的材料、结构和原理方面的研究,对实用化的触觉传感器的研究还不够。

02

触觉传感器的分类

2.1    压阻式触觉传感器

压阻式触觉传感器是利用弹性体材料的电阻率随压力大小的变化而变化的性质制成的,它将接触面上的压力信号转换为电信号。其主要分为两类:一类是基于导电橡胶、导电塑料、导电纤维等复合型高分子导电材料制成的器件,如图1所示。另一类是根据半导体材料的压阻效应制成的器件。

图1  基于导电橡胶的柔性阵列式触觉传感器

2.2    电容式触觉传感器

电容式触觉传感器是在外力作用下使两极板间的相对位置发生变化,从而导致两极板间电容的变化,通过检测电容的变化量实现触觉检测。电容式触觉传感器具有结构简单、易于轻量化和小型化、不受温度影响的优点,但其缺点是信号检测电路较为复杂。

2.3    电感式触觉传感器

电感式触觉传感器也称磁导式触觉传感器,它是利用电磁感应原理将压力作用转换为线圈的自感系数和互感系数的变化,并将磁场的变化通过磁路系统转换为电信号,从而检测接触面上的压力信号。该类传感器的动态范围非常宽,但是其体积过大且需要比较复杂的解调与信号采集电路,因此,在实际中应用得相对少一些。20世纪70年代的机器人触觉传感器采用的是电感式触觉传感器。

2.4    压电式触觉传感器

压电式触觉传感器是基于压电效应的传感器,是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷,经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后,产生正比于所受外力的电信号输出,从而实现触觉检测。压电式触觉传感器具有体积小、质量轻、结构简单、工作频率高、灵敏度、性能稳定等优点,但也存在噪声大、易受到外界电磁干扰、难以检测静态力的缺点。聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜是常见的用于触觉传感器制作的压电材料,基于PVDF薄膜的柔性触觉传感器如图2所示。

图2  基于PVDF的柔性触觉传感器

2.5    光电式触觉传感器

常见的光电式触觉传感器有光纤式触觉传感器和反射光型触觉传感器,前者基于光纤的全反射原理,后者基于接触面受力变形导致反射光变化的原理。光电式触觉传感器通常由光源和光电探测器组成,当施加在接触面上的压力发生变化时,传感器敏感元件的光反射强度、波长、频率、偏振或相位发生变化,通过检测这些参数实现触觉检测。图3为典型的光纤式柔性阵列触觉传感器原理图。

图3  典型的光纤式柔性阵列触觉传感器结构原理图

03

触觉传感器发展趋势

随着计算机和消费电子设备的快速发展,手机、计算机、移动终端、家用电器,以及娱乐、教育的媒介载体等纷纷进入了“触觉交互”时代。触觉传感器不仅是实现机器人智能感知和人机交互的核心器件,而且已被广泛用于人体临床诊断、健康评估、康复训练、医疗手术等领域。电子触觉皮肤是材料与电子技术相结合的产物,它轻薄柔软,可被加工成各种形状,像衣服一样附着在人体、机器人、电子设备等载体的表面,可以更好地模仿甚至超越人类的皮肤感觉功能,所以电子触觉皮肤的研究已成为当前触觉传感器的主要发展方向。电子触觉皮肤作为一种先进的柔性触觉传感器,它的转换机制也主要分为电阻、电容、压电、摩擦电四类,如图4所示。

图4  电子触觉皮肤传感器的转换机制

对于电子触觉皮肤传感器而言,材料的柔韧性、可拉伸性、高弹性是制备柔性触觉传感器的关键。从图4可知,电子触觉皮肤传感器的的性质主要取决于以下3类材料。

① 衬底材料:决定柔性触觉传感器弹性形变性能的关键因素。

② 活性层材料:具有优异的机械性能和电子特性的活性材料是决定柔性触觉传感器灵敏度等性能的关键。

③ 电极材料:影响器件灵敏度和稳定性的重要因素。

早在20世纪70年代末,人们就提出了电子皮肤的概念,由于受到电子器件材料和工艺水平的限制,电子触觉皮肤的发展直到2000年以后才开始真正得到发展。电子触觉皮肤最早的应用是2003年由美国麻省理工学院(MIT)研制的电子皮肤,应用于美国国家航空航天局(NASA)的宇航员机器人Robonaut的前臂、肩部和躯干上进行触觉感知,如图5所示。

图5  安装触觉皮肤的NASA宇航员机器人Robonaut

2005年日本早稻田大学研制了柔性电子触觉皮肤传感器覆盖在Wendy机器人的全身,如图6所示,其空间分辨率为20 mm,可识别人机交互的触觉信息。2014年韩国科学技术院(KAIST)基于银纳米线和PDMS弹性体,采用PDMS-银纳米线-PDMS的三明治结构制作了一种检测手指运动的压阻式电子皮肤触觉传感手套,在0°~120°弯曲角度范围具有良好灵敏度,并具有弹性好、性能稳定和制作成本低的特点。2019年芬兰Tampere大学的研究人员面向假肢的应用,研制了压阻式电子触觉皮肤和电容式电子触觉皮肤,并与软体假手实现了有机集成,这表明柔性触觉传感器与柔性执行器的结合不仅是实现灵巧假肢的有效手段,而且也是未来柔性电子设备的发展方向。

图6  覆盖了触觉皮肤的Wendy机器人

国内学者对电子皮肤触觉传感器的研究也取得了很大进展。2008年合肥工业大学黄英等人设计了一种三维网状阵列结构的柔性力敏导电橡胶触觉传感阵列。2012年东华大学的吕晓洲等人基于PCB板耦合电极和PDMS制作了电容式触觉传感器,可检测截肢表面和假肢接口之间的应力分布。2013年北京科技大学曹建国指导博士生利用银纳米线与多孔PDMS结构设计制作了高柔弹性触觉传感器阵列,可与结肠镜集成,感知内外压力。2016年合肥工业大学黄英等人研制了一种电容式柔性织物压力传感器,利用炭黑含量与温度对织物触觉单元性能的影响进行温度补偿,从而提升触觉感知的准确性。2019年中科院北京纳米能源与系统研究所王中林团队研制了一种基于动态摩擦自发电型的可拉伸电子聚合物材料,具有580%的可拉伸性质,利用该材料制备的电子触觉皮肤传感器不仅压力测量的灵敏度高,而且空间分辨率可达2 mm,同时还具备温度检测功能,是一种自供电的多功能电子触觉皮肤传感器。

目前,电子触觉皮肤传感器正朝着柔性化、轻量化、多功能、集成化、低能耗、大阵列、自供电的方向发展。此外仿生触须传感器作为一种多功能的触觉传感器也是当前的研究热点。

04

存在的问题

机器人触觉传感器经过近50年的发展,已经取得了一系列的成果,并显示出了广阔的应用前景,但其研究和开发依然存在以下问题。

① 柔弹性不够,不能很好地覆盖于复杂三维表面。

② 难以剪裁和拼接,不能适应大面积载体表面。

③ 制作工艺复杂,成本高,大批量生产困难。

④ 读取电路复杂,大面积的电子触觉皮肤会带来检测的实时性问题。

⑤ 能量消耗较高。电子触觉皮肤具有分布式的阵列结构,含有大量的触觉敏感单元和放大电路,因此电子触觉皮肤是一个能量消耗大的电路系统。

⑥ 现有电子皮肤的研究主要体现在高分子材料的合成和传感器单元的结构设计,需要专门研究更多的智能算法才能实现触觉对象的智能识别和智能感知。

此外,电子皮肤触觉传感器还会不断面临新的挑战,如生物适应性、神经接口控制、自修复功能等。

05

结束语

当前,电子触觉皮肤传感器正朝着柔性化、轻量化、多功能、集成化、低能耗、大阵列、自供电的方向发展,但仍面临着不少有待解决的关键问题,还需要在材料、工艺等方面进行很多基础研究。研制出性能优越、易于制作、成本低并能大批量生产的电子触觉皮肤传感器,使之真正进入各个应用领域,是未来的发展方向。

作者简介

 

宋爱国

1996年毕业于东南大学仪器科学与工程系精密仪器及机械专业,获博士学位。现任东南大学首席教授、机器人传感与控制技术研究所所长、生物电子学国家重点实验室副主任。长期从事机器人传感与控制技术研究,作为第一完成人获得国家技术发明二等奖1项,教育部技术发明一等奖2项、二等奖2项,江苏省科技进步一等奖2项、二等奖1项,吴文俊人工智能科技进步一等奖1项,并获2007年中国青年科技奖等,并担任国务院学位委员会仪器科学与技术学科评议组成员、全国误差与不确定度研究会理事长等。





原文将发表在《测控技术》2020年第39卷第5期,欢迎阅读!


引文格式


宋爱国.机器人触觉传感器发展概述[J/OL].测控技术:1-7 [2020-03-17]. https: // doi.org/10.19708/ j.ckjs.2020.02.202.




 

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