机器人触觉传感技术研发的历史现状与趋势教程教案.pptx

机器人触觉传感技术研发的历史现状与趋势刘少强 黄惟一 王爱民 宋爱国东南大学仪器科学与工程系摘　要: 触觉是机器人实现与外部环境直接作用的必需媒介. 相对其它机器人传感技术触觉传感技术已明显 落后. 本文从总体上简要回顾触觉传感技术研发历程, 分析指出其中的不足与主要原因. 在简述目前触觉传感技术 研发的现状后, 介绍分析机器人技术发展的新趋势及随之而来的触觉传感技术发展趋势. 对今后触觉传感技术的研 发提出我们的见解关键字：机器人 触觉 触觉技术 触觉传感器 研发Ⅰ 引言 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, 可直接测量对象和环境的多种性质特征. 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。广义的说，它包括接触觉、压觉、力觉、滑觉、冷热觉等, 狭义的说它是机械手与对象接触面上的力感觉. 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 度等特征加以分类和目标识别. 触觉在功能上与视觉具有互补性. 二者相融合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。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Ⅱ 发展历程 一、历程 机器人触觉传感技术的研究始于 70 年代. 其发展历程可分为三个时段:70年代、80 年代、 90 年代以后。 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. 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. 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], 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 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 Lee 所列[ 2]. 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] 二、发展中的不足与原因 主要不足：首先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] . 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. 对多传感器系统研究中的互补性重