机器人感知智能 课件 第2章 机器人触觉感知

机器人感知智能第二章机器人触觉感知2.1机器人触觉感知机器人触觉是模拟人的感觉，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。机器人假手获取触觉信息一般是通过触觉传感器实现的，通过加载在机器人假手上的触觉传感器，假手的控制单元能收到假手抓握时的触觉信息，并根据触觉信息来调控假手的抓握力度。随着硅材料微加工技术和计算机技术的发展，触觉传感器已逐步实现了集成化、微型化和智能化。图2.1配备触觉传感器的智能机器人手2.2机器人触觉感知传感器类型机器人触觉传感器根据应用环境可分为两大类：应用于工业生产的机器人触觉传感器和应用于非工业生产的机器人触觉传感器。工业机器人触觉传感器主要用于多关节机械手或多自由度机器人的感知，而非工业生产中的触觉传感器则应用于服务机器人、军用机器人、农业机器人和医疗机器人等。触觉传感器的研究分为广义和狭义，广义触觉包括触觉、压觉、力觉、滑觉和冷热觉，而狭义触觉主要指机械手与对象接触面上的力感觉。按主要功能，触觉传感器可分为接触觉传感器、力-力矩觉传感器、压觉传感器、硬度传感器、表面粗糙度传感器和滑觉传感器等。随着MEMS技术、新材料和新工艺的发展，触觉传感器正朝着柔性化、轻量化、高阵列和高灵敏度的方向发展，特别是在医疗、康复、假肢、人机交互和消费电子学等领域的应用中，新型柔性触觉传感器和阵列触觉传感器成为研究热点。2.2.1机器人柔性触觉传感器所谓“柔性”是指触觉传感器的物理特性具有类似于人类皮肤一样的特性，可以覆盖在任意的载体表面测量受力信息，从而感知目标对象的性质特征。柔性触觉传感器应用广泛，因其具有良好的柔性，在可穿戴电子领域有巨大的应用前景，在人体运动监测、健康监测（脉搏、血压、体温等）、机械结构健康监测、人机交互等方面都有广泛应用，既可直接贴于皮肤表面，或与衣服、鞋子、手套等相结合，又可植入人体内。从20世纪80年代开始，世界各国投入大量资源对机器人柔性触觉传感器进行了系统研究。美国微星科技公司最早研制出应用于工业机器人手臂的触觉敏感皮肤，印度研究者则利用压电陶瓷材料制作了压电式触觉传感器。2002年，南京航空航天大学和重庆大学分别设计出三维力和四维力触觉传感器。2005年，美国航空航天局开发出非接触式敏感皮肤。中国科学院合肥智能机械研究所、中国科学技术大学和合肥工业大学等机构也开展了深入研究。学术界对“触觉和感知”的研究逐年增加，显示出机器人柔性触觉传感器领域的研究趋势不断增长。综上所述，柔性触觉传感器在机器人应用中的研究经过几十年的发展已经取得了显著进展。2.2.1机器人柔性触觉传感器-压阻式柔性触觉传感器柔性触觉传感器的实现方式很多，主要分为压阻式、压电式和电容式。相较于压电式和电容式，压阻式柔性触觉传感器监测范围大、灵敏度高、成本低廉、工艺简单，是过去和未来柔性触觉传感器发展的主要方向。压阻式柔性触觉传感器工作原理：利用弹性材料的压阻效应进行压力值的测量，所谓的压阻效应就是指当弹性材料受到应力作用，由于其载流子的迁移率变化，使材料的电阻率发生变化。对于一种电阻率为ρ，长度为l，横截面积为S的弹性材料，其电阻为：对上式进行微分：压阻式柔性触觉传感器可以通过检测电阻的变化从而计算出所受的外界压力。2.2.1机器人柔性触觉传感器-压阻式柔性触觉传感器由于导电敏感材料的不同，压阻式柔性触觉传感器可以分为基于导电聚合物的压阻式柔性触觉传感器基于导电溶液的压阻式柔性触觉传感器美国马里兰大学的柔性机器人方面专家将碳纳米管均匀地分散到聚二甲基硅氧烷中，作为柔性触觉传感器的导电聚合物，制造了具有较大面积的柔性触觉传感器。图2.2（a）镍颗粒高分子聚合物混合的导电聚合物（b）一种覆盖全手掌的柔性触觉传感器2.2.1机器人柔性触觉传感器-压阻式柔性触觉传感器除导电聚合物外，导电溶液也具有压阻效应，导电溶液在外力作用下会发生流动从而使内部电阻阻值出现变化，进而实现对外界压力的测量。由于使用导电溶液作为触觉传感器的压阻材料，使得触觉传感器具有具有高度灵活性和延展性。美国南加州大学的学者在手指的内侧设计了一个封闭的空腔，在空腔内注入导电溶液，如图2.3（a）所示。当手指抓取物体时，空腔受到挤压体积发生变化，使得导电溶液的电阻发生变化，从而将力学信号转化为电学信号。图2.3（a）导电溶液仿生触觉手指（b）高柔性传感器的结构2.2.1机器人柔性触觉传感器-压电式柔性触觉传感器压电式柔性触觉传感器是基于压电材料的压电效应，基于压电效应的压电触觉传感器由于其结构简单、功耗低、经久耐用、灵敏度高、可靠性好等优点而被广泛使用。在作用力的推动下，压电材料会同时在电介质的两端表面内累积等量异号电荷，形成的电势差值即电压，这种由外力作用形成的电荷在电极板处积累现象称为正压电效应。压电效应是可逆的，当在极板之间施加电场时，压电材料会发生形变，这种现象称之为逆压电效应。常见的压电材料有晶体、压电陶瓷和高分子聚合物。图2.4压电效应原理2.2.1机器人柔性触觉传感器-压电式柔性触觉传感器

图2.5压电传感器的等效电路2.2.1机器人柔性触觉传感器-压电式柔性触觉传感器

图2.6电压放大器电路原理及其等效电路图2.2.1机器人柔性触觉传感器-压电式柔性触觉传感器常用的压电材料有聚偏氟乙烯高分子薄膜、压电陶瓷以及部分金属氧化物等。基于聚偏氟乙烯高分子薄膜设计的仿人手指压电式柔性触觉传感器，如图2.7所示。在手指接触物体时，由于聚偏氟乙烯高分子薄膜具有压电效应，能够将外界压力转换为电压的变化，从而检测接触力的变化。压电式柔性触觉传感器使用的压电材料一般不需要外界供电，在受到外界压力时，就能产生电荷，因此压电式柔性触觉传感器具有较高的可靠性。图2.7聚偏氟乙烯薄膜的仿人手指2.2.1机器人柔性触觉传感器-电容式柔性触觉传感器当受到外界压力时，电容式柔性触觉传感器的电容值发生改变，将力学信号转化为电学信号，从而起到检测接触力的作用。容式传感器的设计分析设备和控制系统简单，具有应变敏感性好、测量简单、功耗低的优点。图2.8变极距型电容式传感器的原理图2.2.1机器人柔性触觉传感器对不同柔性触觉传感器的优缺点总结如下表所示。类型优点缺点压阻式柔性触觉传感器性能稳定，结构简单明显迟滞，功耗高压电式柔性触觉传感器动态性能好，高灵敏度，信噪比高，工作可靠，测量范围广不适用于静态测量电容式柔性触觉传感器灵敏度高，动态响应好易受干扰，检测电路复杂磁电式柔性触觉传感器线性输出，高功率输出尺寸和重量都较大光学式柔性触觉传感器无串扰，可靠性高，高重复性弯曲或者装配精度影响信号质量晶体管式柔性触觉传感器高灵敏度，高柔性结构复杂、工艺繁琐阵列式触觉传感器是机器人最重要的传感器之一，它具有强有力的感知能力，能够实现很多视觉无法达到的功能，从而使机器人实现智能控制。国外的研究始于20世纪60年代后期，内容包含触觉机理、结构、敏感材料、制造工艺和信息处理等方面。其中触觉机理中包括压阻式、电容式、电感式、压电式以及光电式。在上世纪90年代时，阵列式触觉传感器的阵列数可达64*64，甚至更多，空间分辨力高至0.25μm或更高，而空间分辨率为触觉传感器敏感单元的尺寸大小，是评价触觉传感器识别目标表面形貌细节的重要指标之一，因此触觉传感器的阵列对未来机器人科技的发展起到十分重要的作用。但目前国内单独对机器人阵列触觉传感器的研究较少，通常是与机器人触觉传感器的其他特性，如柔性、轻量等结合研究。下面主要介绍机器人压阻式和电容式阵列触觉传感器原理及设计过程。2.2.2机器人阵列触觉传感器阵列的压阻式触觉传感器出现弥补了压阻式触觉传感器在更高维度的数据来判度力的大小、分布、以及接触的部位这一方面的不足。压阻式阵列触觉传感器的制作一般分为以下三步：（一）压阻式触觉传感器的设计；（二）压阻式传感器的阵列中触觉传感单元排列和固定；（三）检测信号的采集及分析。2.2.2机器人阵列触觉传感器-压阻式阵列触觉传感器图2.9压阻式触觉传感器多层阵列机器人电容式触觉阵列传感器通过检测电容变化量来测量受力的大小，此外，为了感觉更加细小单元的力，采用垂直交叉电极的形式，即阵列形式，可以减少引线的数目，通过对电容阵列传感器的行、列扫描来确定受力点的位置。8*8电容式触觉阵列传感器，上层是带有条形导电橡胶电极的硅橡胶层，中层用聚胺酯泡沫做介质，下层是带有电容器条形下极板的印制电路板。为了从电容式触觉阵列传感器单元电容获得电压或电流的输出，必须通过一个能够将电容转化为电压信号的电路。这里采用了运算放大器测量电路，这种电路对于电容值小的电容传感器的检测是合适的，而且能得到较好的线性输出。2.2.2机器人阵列触觉传感器-电容式阵列触觉传感器图2.10电容式触觉阵列传感器压觉传感器又称压力觉传感器是安装于机器人手指上、用于感知被接触物体压力值大小的传感器。压觉传感器常用的检测元件种类很多，诸如电容、压电元件，压磁元件，应变片等，它们各自有不同的优缺点，其中应变式压觉传感器最为常见。机器人硬度传感器是能感受材料硬度并转换成可用输出信号的机器人触觉传感器。硬度是力学性能指标之一，它的重要性不仅体现在它的物理意义本身，还体现在它与抗拉强度和耐磨性等的密切关系上。大部分的接触式机器人硬度传感器适用于较硬生物组织硬度（弹性系数或弹性模量）的测量，在较软生物组织硬度的测量上具有局限性，或者分辨率不够。因此，在实际应用中使用连续的硬度标度，快速、准确地检验硬度十分必要。2.2.2机器人阵列触觉传感器-压觉、硬度为了在抓握物体时确定一个适当的握力值，需要实时检测接触表面的相对滑动，然后判断握力，在不损伤物体的情况下逐渐增加力量，滑觉检测功能是实现机器人柔性抓握的必备条件。滑觉传感器按被测物体滑动方向可分为三类：无方向性单方向性全方向性传感器其中无方向性传感器只能检测是否产生滑动，无法判别方向；单方向性传感器只能检测单一方向的滑移；全方向性传感器可检测个方向的滑动情况。力/力矩传感器作为智能化空间机械臂的关键部件之一，可提供实时的力和力矩信息，帮助空间机械臂机器人系统实现自动反馈控制，因此越来越受到重视。2.2.2机器人阵列触觉传感器-滑觉、力矩2.3机器人触觉感知的最新研究技术

20世纪90年代以来机器人触觉感知技术的发展以向智能化方向发展为重要标志，呈现出一些新特点和趋势．例如传感型智能机器人发展加快，微型机器人的研究有所突破，新型智能机器人触觉感知技术不断开发，应用领域向非制造业和服务业扩展等。智能机器人触觉感知技术的快速发展促进了机器人在制造领域的应用与发展，也使机器人开始向非制造领域扩展。这些非传统领域有航天、海洋、军事、医疗、护理、服务、农林、采矿等。机器人在这些领域有着广阔诱人的前景。在当今还不能或难以发展全自主智能机器人的情况下，工作于人机交互方式下的具有临场感的遥操作机器人系统是完成复杂或有害以及人无法进入的环境下作业的有力手段，而微机器人在现代生物、医学工程，微机械加工与装配等工程中将大有作为，下面将重点介绍几种机器人触觉感知的最新研究技术。2.3.1神经网络智能算法

神经网络标志着人工智能发展的巨大飞跃，具有大规模并行处理、分布式信息存储、良好的自组织自学习能力等特点，人工神经网络的智能算法应用于机器人智能感知，将为其注入新的血液。基于三维神经网络和高分辨率触觉传感器的机器人手爪主动触觉感知方法。手爪在挤压和释放过程中，从触觉传感器读取的压力图像被串联成一个张量，其中包含了压力矩阵随抓握力变化的信息。这些张量被用来提供给3D卷积神经网络，该网络能够通过主动交互对抓取的物体进行分类。结果表明，该方法在训练数据较少的情况下提供了更好的识别。图2.13由机器人操纵器形成的完整实验系统2.3.2神经元系统感知学习生物感官感知系统通过修改神经元互连网络之间的连接强度，将感知转移到认知和意识，这使我们能够精确地感知并对复杂的现实世界问题做出适当的反应。赋予机器人和假肢这种感知学习能力，可以潜在地扩展它们的认知和适应性。下图为一种神经形态触觉处理系统，受体，传递的轴突和处理感觉神经元中信息的突触分别由电阻压力传感器，软离子电缆和突触晶体管，这种设计提供了一种事件驱动的方法，利用外部触摸来激活触觉设备。神经形态触觉处理系统的神经元捕获了生物感觉神经元的基本形态，以整合和调节时空相关的触觉刺激，从而实现并行的感觉信号处理。图2.15神经形态触觉处理系统的概念设计图2.3.3电子皮肤智能触感随着电子和计算机科学的快速发展，为了使人形机器人能够提供先进的服务，使用人类皮肤启发的人工智能皮肤来帮助它们与用户互动并感知环境刺激，这引起越来越多的关注。为了完全模拟天然皮肤的触感，将柔性有益水凝胶组装到仿生皮肤中，创新性地将具有神经网络的原花青素/还原氧化石墨烯复合材料加入到甘油塑化聚乙烯醇-硼砂水凝胶体系中，以获得仿生触觉水凝胶电子皮肤。这种电子皮肤具有显著的可穿戴性和应变敏感性，可以模拟和检测一些真实的皮肤表皮运动，如手指弯曲、面部表情变化和喉咙发声。图2.17仿生触觉水凝胶电子皮肤实物与应用图2.3.3电子皮肤智能触感想要制作出能够替代人体四肢的假肢，需要深入了解人体皮肤的组成及功能结构。解剖学告诉我们，人类的皮肤是多层结构，每一层都有其独特的功能。具体来说，表皮形成了一层保护层；真皮层起到缓冲身体压力和应变的作用，并能感知触摸和热。这种仿皮肤结构的传感器阵列能够实时感知和区分各种外部刺激的大小、位置和模式。同时针对这种仿生结构开发了一种简单而有效的电极拓扑结构。为了能以高灵敏度和快速反应时间来感知温和的滑动刺激、触觉刺激和弯曲刺激，传感层采用行+柱电极的双层梳状结构，消除了串扰，减少了连接线的数量。图2.18受人体皮肤启发的触觉传感器设计2.3.4多功能集成触觉传感随着不同类型的机器人触觉感知技术的发展，使机器人能够感知多维物理变化成为研究主流，例如触摸，压力，和温度。多个传感器的集成仍然非常具有挑战性，通常需要设计复杂的结构和制造工艺，并且可能遭受多种刺激感知的相互干扰。下图展示的多功能触觉传感器集成了基于纳米线的温度传感器和导电海绵压力传感器，可同时测量温度变化率和接触压力。借助这款多功能触觉传感器，软指可以快速识别三个接触压力范围内的四种金属和高接触压力范围内的13种材料。图2.19多功能软机器人手指的示意图2.4机器人触觉感知的发展趋势触觉传感技术的研究始于20世纪70年代。80年代是机器人触觉传感技术研究、发展的快速增长期，此期间对传感器设计、原理和方法作了大量研究。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。在几十年的发展历程中，国内外的科研人员在传感器工作机理的研究、敏感材料的开发、传感器的结构设计、触觉图像的处理等多方面都做了大量的工作，并取得了巨大的成就。

2.4.1多种先进柔性材料的开发柔性碳材料的开发石墨烯新材料的发展，为下一代高灵敏柔性触觉技术的发展提供了新的解决路径。中国科学院重庆绿色智能技术研究院致力于三维共形微纳石墨烯直接生长与柔性转移技术研究。

2021年，郑州大学刘春太教授、代坤教授和中科院北京纳米能源与系统研究所潘曹峰研究员以头足类动物皮肤的发光机制和蜘蛛狭缝器官的超灵敏反应型为灵感，开发了一种超灵敏自供电机械发光智能皮肤（SPMSS），该智能皮肤具有良好的电源供应和自供电传感能力，2.4.1多种先进柔性材料的开发可自愈水凝胶的开发近年来，由于其柔韧性和生物相容性和可设计性，水凝胶被广泛用于组织工程、可穿戴设备和柔性电极等各个领域。图2.20双网络琼脂水凝胶的制备和性能；（a）双网络琼脂/AAC-Fe3+水凝胶的制备过程（b）两片水凝胶的自愈过程2.4.1多种先进柔性材料的开发导电材料银纳米线（AgNW）的开发近年来，由于其柔韧性和生物相容性和可设计性，水凝胶被广泛用于组织工程、可穿戴设备和柔性电极等各个领域。Oven:烘箱；O2plasma：氧等离子体；Hottable:加热台图2.21AgNW/PDMS传感器的制作过程2.4.2可穿戴触觉传感器的开发北京纳米能源与系统研究所潘曹峰研究员团队通过叉指微电极与纳米纤维薄膜相结合设计并构筑了一种结构简单的可穿戴高性能压力传感器，实现了高灵敏宽响应可穿戴压力传感。图2.22基于新型二维材料MXene的可穿戴传感器2.4.3植入式电子设备的研制材料科学和制造技术的快速进步极大促进了柔性可延展传感电子器件的发展。采用柔性材料可以承受更多显著的机械形变。当电子器件穿戴在人体皮肤或者弯曲表面时，器件和柔软的人体组织之间的机械不匹配是该领域需要解决的关键科学问题之一。因此，能用于可穿戴和植入式电子器件的超弹、高灵敏的柔性传感器需求迫切。对于植入式电子设备，由于其复杂多变的内部环境，要求更高的标准。稳定性、无毒、生物相容性、柔韧性和一致性是生物惰性植入式应变传感器的基本特性。2.4.4触觉传感器阵列技术触觉传感阵列通常是由多个触觉传感单元构成的触觉传感器。触觉传感单元能够测量单点的接触力，而触觉传感阵列由于集成了多个传感单元，因此具备分布式接触力的检测。图2.23触觉传感阵列的应用

2.5.1机器人触觉感知产品-松果体机器人图2.24松果机器人Finger系列产品图

深圳市松果体机器人科技有限公司研制的松果体机器人（见图2.24），其机器触觉传感器与物理界面接触之后，可以将物理界面上的变形、纹理等物理信息直接映射到传感器中，并利用后方的光学捕捉技术对界面变形完成捕捉，最后利用算法重建表面精确的触觉信息。2.5.1材料搬运机器人触觉-微型手和柔性夹爪图2.25CONSIGHT系统；（a）CONSIGHT系统硬件框图；（b）CONSIGHT监控系统操作状态图当今世界各国都在大力发展工业4.0，以促进制造业的转型升级。其目标是借助物联网、数字信息技术和计算机技术，实现制造过程的智能化、柔性化和个性化，其中发展、利用工业机器人是重要方向。2.5.1材料搬运机器人触觉-微型手和柔性夹爪图2.26柔性夹爪示意图

SRT型柔性夹爪不仅可以应用于工业生产，也可以用于其他行业，如电子、食品、汽车、化工、药物、3C等行业。

图2.27柔性夹持系统

2.5.1机器人触觉感知产品-范德华力吸盘图2.30

范德华力吸盘的抓取过程

范德华力吸盘主要由法兰接口、缓冲机构和吸盘模块组成。范德华力是一种分子间的作用力，是存在于中性分子或原子间的一种弱碱性的电性吸引力。范德华力吸盘是利用范德华力进行“抓取”的一种新型机器人末端执行器，在吸附环节不需要消耗能量，俗称“壁虎吸盘”。2.5.1机器人触觉感知产品-智能化焊接机器人图2.31焊接机器人工作站示意图智能化焊接机器人工作站是一台用于组合式钢叶片与外环组件焊缝焊接的柔性设备，采用倒装式机器人加双工位方式，机器人焊接系统实现工件多种焊缝的自动焊接。2.5.1机器人触觉感知产品-反馈手套图2.33Meta公司制作的触觉手套Meta公司（原Facebook）发布的一款硬件产品——触觉手套，把虚拟世界的触感带到了我们的指尖。手套通过搭载大量的追踪和反馈部件，比如微流体触觉反馈层压板、气动控制架构，它可以复制手指抓住物体或者沿着物体表面运动的感觉，让人在虚拟现实世界中，清晰地感受到与虚拟物体交互时的触觉。2.5.1电子皮肤图2.35机械刺激触觉感受器分类与物理位置及手腕部位的皮肤拉伸电子皮肤，又名新型可穿戴柔性仿生触觉传感器，是贴在“皮肤”上的电子设备，因而习惯性的被称为电子皮肤。相较于传统的刚性触觉传感器，电子皮肤更加轻薄柔软，可被加工成各种形状，像衣服一样附着在人体或者是机器人的身体表面，使其具备感觉和触觉。2.5.2机器人触觉在医疗领域的应用20世纪80年代，机器人被首次引入医疗行业，经过40