(中国电子科技集团公司第四十九研究所,哈尔滨150001)
摘要:
触觉感知对于机器人来说,是其获取外部环境信息的关键途径之一。伴随触觉感知与交互技术的普及,机器人触觉传感技术已经成为研发人员密切关注的热点领域。本篇文章首先概述了目前柔性触觉传感器的进展与动向,着重对新材料的运用、制作技术及集成方法、智能算法等关键领域进行了深入解析;接着,对当前柔性触觉传感技术在机器人领域的应用进行了系统分类与归纳;最后,在展望未来科技发展的同时,提出了机器人触觉传感技术研究中急需克服的主要难题,并对该技术未来的发展方向提出了一些见解。
关键词:机器人;触觉;柔性传感器;压阻式;压电式;电容式
0引言:
在智能设备感知外部环境的过程中,触觉传感器扮演着至关重要的角色,其主要职责是在设备与对象或环境互动过程中,监测并感知诸如位置、形态、尺寸、硬度以及表面粗糙度等多种物理特性[1-3]。尽管传统的触觉传感器技术已相对成熟,能够达到高精度和宽量程的要求,但由于它们大多采用刚性材料作为敏感元件,导致这些传感器通常较为笨重且易脆,不适合用于柔性的在人机交互或可穿戴智能设备中。相对而言,柔性触觉传感器以其轻薄的质地和可延展、弯曲的特性,能够适应各种形状的载体,便于获取物体表面的受力信息和识别物体的性质特征。得益于柔性传感网络的特性,可以紧密贴合在复杂的三维表面上,并在机器人操作环境中维持出色性能,在共形性、轻量化以及制造等方面展现出显著优势[4-5]。能够更好地适应复杂或特殊的工作环境,因而引起了研究人员的极大兴趣[6-7]。随着物联网技术的进步,柔性触觉传感器在医疗保健[8]、智能机器人[9]和人机交互[10-11]等多个领域内的应用日益增多,这对它们的成本和性能提出了更高的要求。
1柔性触觉传感器发展现状与趋势
自20世纪70年代起,Clippinger等研究者[12]开始在假肢中安装独立传感器,这一创举开启了柔性触觉传感器与外部环境互动的新篇章。在随后的数十年里,研究人员利用多种传感机制,将触觉信号转换成电信号,旨在简化触觉信号的采集及后续分析处理过程。现阶段,触觉传感器的研究主要集中在以下三个关键领域:(1)新型材料技术的开发;(2)制造工艺的改进与系统集成;(3)融合智能算法的应用。
材料科学的进步为触觉传感器领域带来了突破性的发展机遇,同时也为该技术的应用拓展提供了便捷通道。厦门大学的Xue等研究者[13]成功地在N95呼吸器中整合了聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜,进而设计并制作出了功率达到8.31微瓦的可穿戴PyNG传感器。李瑶及其同事[14]采用浸泡有机电致变色染料及锂离子的聚丙烯酰胺(PAAm)凝胶作为核心变色的单元,研制出了具有柔性和变色功能的应变传感器。此外,麦吉尔大学的Sappati研究团队[15]利用PZT材料作为聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底中的压电材料,制成了具有较高压电电荷常数的PZT-PDMS复合膜,这种新型复合膜有望用于开发成本更低的触觉传感设备。
随着传感器制造技术和集成水平的不断提高,微结构和多模态集成领域取得了显著的进展。中科院的Li团队[16]成功研发了一种新型传感器(FDES),该传感器由一双柔性叉指电极和一个多孔导电海绵构成,能够有效识别包括按压、正弯曲、负弯曲以及xy方向的拉伸在内的多种刺激信号。此外,Bae等研究者[17]开发了一种能够同时监测压力和温度变化的电子皮肤。在南洋理工大学,Agarwala等科研人员[18]则利用商业化的3D光聚合打印技术,制备出了内嵌有压阻特性微通道(直径为500µm)的光聚合矩阵。
近些年来,随着机器学习算力资源和计算平台的发展,对多传感器产生的大数据量的特征提取显得十分重要[19]。合肥工业大学的张阳阳等人[20]利用信息图像转化和CNN处理多传感器触觉信息的方法,对18种物品的识别率为100%。热那亚大学的Alameh团队[21]提出一种三维张量数据集的组织方法,该方法能有效减小99.98%的Flops和98.43%的内存存储,能有效提升嵌入式硬件的触摸模态分类性能。
2触觉传感器分类
常用的触觉传感器从原理上可以分为以下几类:压阻式、电容式、电感式、压电式、光电式等。
2.1压阻式触觉传感器
压阻式触觉传感器是以压阻材料为核心构成的,它能够将施加的压力转变为电阻的相应变化。得益于其结构简约、易于生产、低功耗和便捷的信号采集等特性,这类传感器在众多领域中得到了广泛应用。目前,研究者们致力于提高柔性压阻传感器的性能,主要的研究方向集中在两个层面:一是以导电材料的压阻特性为核心,一般采用柔性的聚合物作为基底材料,并结合炭黑、碳纳米管、银纳米线等作为导电填料来制造柔性的压阻传感器,这样的设计大大增强了传感器的柔韧性[22]。比如,Zhao等科学家
[23]成功研制了一种生物兼容性好且电学性能优异的导电气凝胶,他们通过协同效应将藻酸盐与氮掺杂的碳纳米管负载银(N-CNTs/Ag)相结合,并利用这种导电气凝胶的微观结构和金字塔状宏观结构,设计出了一种灵敏度高的柔性压阻压力传感器,如图1所示。该传感器在3%的应变范围内达到了15的灵敏度因子,即使在较大应变下也能稳定工作,不过多次循环使用后其稳定性有所下降。
图1 基于N-CNTs/Ag的柔性压阻触觉传感器
另一种策略是通过微观或宏观结构的精心设计及优化,以增强柔性压阻传感器的灵敏度[24]。以Cheng等人[25]的研究为例,他们开发了一种利用砂纸模板印刷技术制备的柔性压阻传感器。该传感器在柔性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上,模拟了人体皮肤中随机分布的棘状微观结构,并在PDMS薄膜表面沉积了新型的二维材料MXene作为传感层。如图2插图所示,这种传感器可集成于机器人关节表面,以感知机器人的运动。
图2 仿人体皮肤的柔性压阻触觉传感器
2.2 电容式触觉传感器
电容式触觉传感器的工作原理是在外力影响下,改变两电极板间的相对位置,进而引起两板间电容量的变化,通过监测这种电容量的变化来实现触觉感知功能。这类传感器以其简洁的结构、便于减轻重量和缩小体积,以及对温度变化不敏感的特性而受到青睐。然而,其信号检测电路相对复杂,这是其主要的不足之处。在设计触觉传感器时,常用的电容介质层弹性材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)等。以下展示的是东南大学机器人传感与控制技术研究所开发的,采用PORON聚氨酯材料制作的电容式柔性触觉传感器及其校准设备[26]。
图3 单个电容柔性单元
2.3压电式触觉传感器
柔性压电传感器的工作机理基于压电材料的特性,即压电效应,能够在没有外部电源的情况下进行运作,特别适合于动态载荷的监测应用。该传感器在受到应力作用导致压电材料形变时,会在其表面迅速产生电荷,进而将机械能或振动信号转化为电信号。因此,这类传感器以其极快的响应特性而著称,常用于动态力的测量。
在相关研究中,Deng等研究人员[27]采用静电纺丝技术,开发了一种具有豇豆结构的PVDF/ZnO纳米纤维,用以制造柔性压电触觉传感器,如图4所示。该传感器得益于PVDF与ZnO混合后的协同压电效应以及聚合物的柔韧性,能够同时检测正向压力和弯曲角度。因此,该设备能够感知人手指关节的运动,为实现机器人手的远程控制提供了可能,并在智能人机交互领域展现出广阔的应用潜力。
图4 基于 PVDF/ZnO 纳米纤维的柔性压电触觉传感器
2.4其它类型触觉传感器
除了前面提到的压阻式、电容式和压电式触觉传感器之外,研究者们还在探索基于摩擦纳米发电机、磁性和光学等新型信号转换原理的触觉传感器。这些传感器正在积极开发之中,以期拓宽触觉感知技术的应用领域。
zhao等研究人员[28]开发了一种新型的光波导应变传感器,并将其成功整合进了机器人假肢手中,如图5所展示的那样。该传感器的工作机理是通过光电探测器对波导光功率的损耗进行测量,进而将机械手的应变动作转换为光信号。通过软光刻技术制作了柔韧且可延展的纤芯和包层材料,并将LED与光电二极管封装于包层之中,这使得机器人假肢手能够如同人类手指一样抓握鼠标,同时感知并重塑鼠标的轮廓。然而,这种制备工艺的复杂性以及高昂的成本在一定程度上制约了其应用范围。
为了克服触觉传感器在空间分辨率和精度上的局限性,严等研究者[29]设计了一种新型的触觉传感器,该传感器基于磁性薄膜,模拟了人类皮肤的感知功能。该传感器通过其顶部的单面多级正弦磁化软磁薄膜来感知外部力量,再利用印刷电路板上嵌入的霍尔传感器检测磁膜形变导致的磁场变化,从而确定外力的大小和方向。
图5 对射式红外传感器
3总结
本文概述了机器人触觉传感技术的整体进展,尤其聚焦于我国在机器人触觉传感器技术方面的发展轨迹。文章继而梳理了当前机器人触觉传感技术的概貌,涉及压阻式、电容式、电感式、压电式及光电式等多种触觉传感器,并对它们的性能优劣进行了对比分析。目前,电子触觉皮肤传感器正趋向于柔性、轻质、多功化、集成化、低功耗、大规模阵列和自供能的特点发展。本文对电子触觉皮肤的研究现状进行了深入剖析,并明确了机器人触觉传感技术研究的核心挑战。研发出具备卓越性能、便于制造、成本效益高且能实现规模化生产的电子触觉皮肤传感器,并将其广泛应用于各个领域,是未来的发展方向。
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eabc8801.
陈冠中,男,1981-,高级工程师。研究方向:传感器技术。