智能机器人触觉传感技术的研究进展_潘英俊.

智能机器人触觉传感技术的研究进展
潘英俊
重庆大学光电工程学院 重庆 400044
摘要：本文介绍了国内外智能机器人触觉传感技术的研究动向和最新研究成果，指出：触觉传感器
的微型化、阵列化、柔顺化、多传感器融合、多轴力同时感知、以及上述多功能集成是智能机器人
触觉传感技术研究的发展趋势。

关键词：智能机器人，触觉，传感技术
Research and Development of Tactile Sensing Technology in Intelligent Robots
Pan Yingjun
(The college of optoelectronics engineering, ChongQing University;
400044)
【ABSTRACT】This paper presents the recent development and research fruits of tactile sensing technology in intelligent robots at home and abroad. The future research direction of tactile sensor should be micromation, array, flexibility, fusion of multi-sensor, detection of multi-axis force, and integration of all the above function. 【KEYWORDS】Intelligent Robots, Tactile, Sensing Technology
1.前言
现在的机器人变得越来越精密和准确，它们的应用范围也随之不断扩大。

现代工业生产发展中
越来越复杂、细致的工作要求未来的智能机器人具有与人类一样的感知能力，目前关于智能机器人
感知能力的研究可以基本地分为两大类：即触觉类传感技术和非触觉类传感技术。

非触觉类的研究
主要集中在视觉传感技术上，它通过对视频图像进行处理，为机器人提供工件的位置信息，这些信
息对机器人进行检测、识别和测量等操作以及决定机器人运动方向非常有用。

但是这种方法成本太高，又不能提供像装配和控制工艺等所需力的信息；相反，触觉传感则能通过力的传感来提供这些
信息，而且由于不需要很复杂的设备而价格较低，因为只有少量的信息需要传递和处理而效率很高。

因此，从某种意义上说，尽管触觉不如视觉那样受到更广泛的研究，但它对于智能机器人却显
得尤为重要。

视觉最根本的目的是为了确定范围、识别物体和避免障碍物，事实上许多加工任务首
先是要求机器人能够在抓紧而又不损坏工件的情况下进行操作，其次才是决定工件的物理特性（如
重量、形状、方向、硬度、纹理、温度等）。

因此，最理想的触觉传感器不仅应能感知物体的形态，
还应能对物体施加恰到好处的力和力矩[1]。

从理论上看，触觉传感技术引发了一系列有关“智能”的问题，它在许多方面甚至比视觉更接
近于机器人学的精髓，它甚至被认为是感觉与行动的智能连接器。

事实上，触觉传感技术不仅包含
机器人最基本的感知能力，它还更强调有关数据识别的问题，尤其是各个动作和行为之间所产生的
作用力[2]。

由此看来，触觉传感器对发展智能机器人具有相当重要的意义。

要使机器人能在紧张而又危险
的环境中替代人类，就必须让它象人一样灵敏地控制物体。

事实上，机器人无论在抓持物体还是行
走时均是至少x、y、z三个方向的力在发生作用。

利用触觉传感器检测垂直于表面的作用力是很容易的，但为了更好地控制物体，就必须能够检测切向分力。

而在众多的触觉传感器中，能检测三轴力
的仍不多见，因此三轴力触觉传感器逐渐成为智能机器人研究的一个重要组成部分。

2.触觉传感技术发展方向分类
机器人触觉在机器人非视觉传感技术领域里占有非常重要的位置，它的特点是经触摸获知目标
物的多种物理信息，如：目标物的形状、表面粗糙度、抖动、抓取目标物时的夹持力、滑移等信息，
这对视觉来说是无法替代的。

正如人需要用眼睛寻找目标、用手去体验一样。

机器人触觉传感技术按其发展方向可分为以下几大类：
2.1 微型化
图1 真空微电子触觉传感器
真空微电子触觉传感器主要由低偏压场致发射硅锥尖阵列，真空微腔和弹性阳极膜组成。

在阴阳极之间加一偏压，当偏压加到一定时，阴极锥尖开始场致发射电子，在阴阳极间形成电流。

当弹性阳极膜受力发生形变时，阴阳极间距离将发生变化。

如果阴阳极间电压恒定，则阴极锥尖表面的电场强度就会随之变化，从而发射电流发生变化，于是通过测量发射电流的大小就能检测到弹性膜受到的压力或者检测到弹性膜形变的位移。

2.2 阵列化
图2 触觉传感阵列
如图2所示为一种高分辨率阵列触觉传感器。

该传感器由8×8的电容阵列组成，其特点之一是把热阻器集成到电容触觉传感器阵列中。

这就使得它能够检测到温度的梯度变化，从而更加便于识别物体，并能对机器人进行更好的控制。

传感器的原型是经过简单的封装进行设计和构造的。

测试结
果表明该原型具有很好的线性度和灵敏度，能够胜任通用的操作任务。

该原型还显示出对外界影响因素的抗干扰能力。

这些特点克服了以前那些电容传感器所具有的低线性度和复杂封装技术的缺点。

而且该传感器价格便宜，具有触觉和热敏感性，对温度的变化也具有异乎寻常的空间分辨力。

2.3 柔顺化
图3 基于触觉传感技术的用于解释人体柔软组织信息的机械手在外科手术上，医用机器人所面临的基本问题是如何处理人体柔软且复杂的组织器官，如何控制机器人末端受动器和区分不同人体组织已成为最基本的问题。

通过一系列的研究，对机器人末端受动器和柔软组织之间的机械作用已经建立了相应的模型。

而所进行的实验，也证实了这些模型的可靠性。

可以相信，机器人系统通过力控制程序，能够象外科医生一样触摸人体的重要器官，如动脉血管、结瘤块等，并对它们加以区分。

2.4 多传感器融合
图4 合成式指尖形触觉传感器
在指尖的合成结构中，力/扭矩传感器的主要作用是检测接触力的大小（特别是与较大的物体接触时）；触觉传感器的作用是检测力的空间和时间分布；动态触觉单元用来检测物体的表面纹理和边缘；超声波变换器阵列提供物体相应的小范围三维数据（当和物体接触时，这些“图像”退化为真实的触觉图像）。

这些传感器除其主要功能外，每个传感单元和其它传感单元结合起来还可以完成其它任务，如消除不确定的接触条件、覆盖不同的量程范围或满足不同的空间分辨率要求等。

2.5 多轴力同时感知
图5 三维力传感单元的机械结构和压敏电阻的位置
当F Z施加到传感单元上时，贴有压敏电阻R X1、R X2、R Y1和R Y2处的硅橡胶薄膜的应力和应变都相等，因此F Z对输出电压V X和V Y不会产生影响。

但是，R Z1和R Z2处产生压应力，R Z3和R Z4处产生拉应力，使得在F Z的作用下，R Z1和R Z2减少，R Z3和R Z4增大，从而使输出电压V Z相应地变化。

当F X施加在传感单元上时，R X1受到压缩，而R X2被拉长，从而使输出电压V X相应地变化；而R Y1和R Y2由于有相同的电阻变化，因此输出电压V Y不会对F X产生响应；又由于R Z1和R Z2处在对称的位置上，且应力变化的绝对值相同，对输出电压V Z的影响可以相互抵消，同样R Z3和R Z4的变化也可以相互抵消，因此F X对输出电压V Z不会产生影响。

同理，当F Y施加在传感单元上时，V Y相应地变化，V X和V Z不会响应。

2.6 主动触觉传感器
图6 主动触觉实验系统
主动触觉是相对于被动触觉而言，被动式触觉以触觉传感器与目标物作静态接触并被动地获取局部而单一的触觉信息的方式获取目标的多种信息；主动触觉探索是以模仿人类主动触摸目标而获
取目标多种信息的方式，由运动机构带动末端执行器上的触觉传感器，以特定的空间运动方式与目标物接触和作相对运动，同时采集运动信息和传感信息。

被动触觉转向主动感知以后，当机器人抓紧物体时，触觉概念不再是被动地接受信息的载体，而是根据探索过程程序，手臂及手爪主动触摸所形成的感觉，它包括触觉信息、手臂位置信息、控制过程信息等，是一个复杂的系统传感过程，并使之与其它（如视觉）传感技术相协同，使整个主动触觉识别过程是触觉传感器、位置传感器、控制系统及探索过程程序相协调的系统过程，它表明：机器人触觉传感器的研究也在不断提高单体性能的同时，已经逐步演变为机器人触觉系统的概念。

3. 我们的研究内容
为了检测接触物体所引起的力矩矢量和外力的三个分力，必须要建立触觉传感器阵列。

事实上，由于三轴力触觉传感技术具有一定的难度，至今提出的方案都还存在一定的问题，需要进行更深入的研究。

下面以几种具体的三轴力触觉传感系统为例，来说明三轴力触觉传感技术在智能机器人中的应用。

3.1 基于光波导原理的三轴力触觉传感系统
该项目由国家自然科学基金资助，它采用新型光波导三轴力触觉传感技术方案，分析了三轴力触觉传感头受力后引起半圆球触头变化的情况，建立了相应的有限元模型。

该方案能同时检测垂直和平行于接触面方向的负荷分布，具有灵敏度高、耐冲击和易于推广等特点[3]。

图7 基于光波导原理的三轴力触觉传感系统
该系统（图7a ）的力敏元件由硅橡胶制成。

在硅橡胶垫的一侧制作圆柱触头阵列，在其另一侧制作半圆球触头阵列，使得每个圆柱触头下面分布四个半圆球触头。

如图7b 所示，当圆柱触头受外力F 作用时，对应的四个半圆球触头受到挤压，由于光波导路中导波的全内反射条件遭到破坏而产生光泄漏，在波导板上形成光斑。

由于三个方向分力大小不同，圆柱触头下面的4个半圆球触头与丙烯板接触的面积也不同，因而位于丙烯板另一面的CCD 摄像机所摄到的亮斑面积大小也不相同。

经有限元分析，外力F 的三个分量F x 、F y 、F z 与四个光斑的面积S 1、S 2、S 3、S 4之间存在着如下关系：
))((4321S S S S n m x x x −+−+=µ ))((4321S S S S n m F y y y −−++=µ
))((4321S S S S n m F z z z ++++=µ
其中μ是材料的泊松比，、、、、x m x n y m y n z m 和z n 为力的换算系数，与材料的其它属性及圆柱、半圆球的几何尺寸等相关，且有y x m m =和y x n n =成立。

3.2 基于PVDF 压电膜的三轴力触觉传感系统
目前国际上正在致力研究的机器人触觉——人工触觉皮肤，要求触觉传感器从其物理特性上应像人类皮肤，柔软而多功能化，并可粘贴安装在任何欲使用的载体表面，从而真正实现触觉的拟人
化。

制作这种触觉皮公认最好的方法是压电阵列。

为了克服不易微型化的问题，在博士点基金的资助下，作者实验室设计了一个基于PVDF 压电膜的、小型的、斜面结构的、各元件间避免力学干涉的、可分布于柔性皮肤的三轴力触觉传感系统[4]。

该传感系统由传感头、前置处理力 —— 电信号变换的检测电路以及它们之间的连接电路组成。

传感头部分由四角锥体、PVDF 压电膜和基座组成（如图8a 所示）。

四角锥体由导电树脂材料制作，上面覆盖一层薄的硅橡胶可直接接触施力物体，基座由环氧树脂制成。

几部分装配之后如图8b 所示。

施加于四角锥体上方的x 、y 、z 三轴力，在A 、B 、C 、D 四块PVDF 压电膜上产生不同的压力，转换成不同的电信号，通过检测这些电信号的大小，即可确定外力在x 、y 、z 方向的分量。

图8 基于PVDF 压电膜的三轴力触觉传感系统 经分析证明，F 、θ、ϕ和A 、B 、C 、D 四个面上受到的力F A 、F B 、F C 、F D 之间存在如下关系： (tan 1C
D A B F F F F −−=−ϕ 22(
tan 222221D C B A D C B A D C B A F F F F F F F F F F F F −−++++++−=−π
θ D B C B D A C A D C B A F F F F F F F F F F F F F +++++++=→2222
3.3 可穿戴式导电蒙皮触觉传感服装
在目前各种触觉传感设计方案中，大多考虑将触觉传感用于机器人手部、指部，仅有个别方案用于机器人手臂关节处，而分布于机器人全身的服装型触觉传感的研究在国外极少，在国内还尚未见报道。

图9 触觉传感服装的分层结构图10 传感服装成衣过程这里研制一种使用导电蒙皮穿戴于机器人身上，使其感知外力作用的新型触觉传感服装。

第一层为普通布，可保护第二层的导电丝不被损坏；第二层为导电丝布线层，是将导电丝缝制在非导电的布上，并让导电丝与导电布连接成为开关；第三层是开关接头层，根据开关的密度和位置把导电蒙皮分区域缝在不导电的布上；第四层是网状衬垫，其网孔的大小间隔和网垫厚度可决定接触开关的灵敏度；第五层是接地层，当受到外力作用时，在第三层和第五层之间通过网状物的网眼而接触，电路闭合，电流流过，输出触觉传感信息。

由于导电蒙皮的导电丝布线很多，若直接连接到计算机上，则需开发带有大量输入端口的专用计算机，这在现阶段是不现实的。

本项目中，我们将把大量的传感信息归一化，分区间制成多重化图像信息，利用图像信号处理系统进行处理，这样用现有的并列图像处理系统，即可将机器人身上受力部位表示出来。

4.结束语
至此，本文对智能机器人三轴力触觉传感技术的发展和应用作了一个简单的回顾。

从最近的研究报告看来，进一步考察更理想的触觉传感器特性和在未来的传感器技术方面再多做一些工作，仍然是十分必要的。

毫无疑问，微型化、阵列化、柔顺化、多传感融合、多轴力同时感知和主动触觉传感器必然是智能机器人触觉传感技术的未来发展趋势。

[参考文献]
1.Masahiro Ohka and Mitsuo Kobayashi et al., Tactile Expert System Using a Parallel-Fingered Hand
Fitted with Three-Axis Tactile Sensors, JSME International Journal, V ol. 37, No. 1, 1994, pp. 138~146.
2.Edward S. Kolesar and Rocky R. Reston et al., Multiplexed Piezoelectric Polymer Tactile Sensor,
Journal of Robotic Systems, 1992, pp. 37~63.
3.Yingjun Pan, Jiamin Liu, Weiguo Gong, etc. “Research on an innovative optical-wave-guided tactile
sensing technology”, SPIE Proceedings: Smart Sensor Technology and Measurement Systems; 2003, V ol. 5050: 333-341.
4.潘英俊, 刘嘉敏, 乔生仁. 新型三维力觉传感器的设计与分析[J]. 压电与声光, 2001, 23(5):
349-350.。