英语原文共 26 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

灵巧机器人手的触觉感知 - 回顾

强调

bull; 对灵巧机器人手操作中的触觉传感应用进行了综述。

bull; 触觉传感是灵巧操作的关键，并且没有可用的新文章。

bull; 讨论了触觉传感器的主要类型及其与机器人手的集成。

bull; 介绍了触觉数据处理技术及其应用的概述。

摘要

触觉感应是自主灵巧机器人手操作的基本要素。它提供了有关机器人手指和物体之间接触点的相互作用力和表面特性的信息。机器人触觉传感的最新进展使得科研人员开发了许多利用这种重要感官通道的计算技术。本文回顾了当前最先进的操纵和抓取应用程序，涉及人工触觉，并讨论了每种技术的优缺点，解决了人工触觉传感的主要问题，还简要讨论了触觉传感器的一般要求，并分析了主要的传感技术。每个集成到机器人手中的28个不同的触觉传感器根据其转换类型和应用进行分类。之前发布的文章主要关注触觉传感器的硬件部分，而这篇文章概述了利用传感器信号的算法和基于触觉反馈的控制系统。这些算法的应用包括抓握稳定性估计，触觉物体识别，触觉伺服和力控制。借鉴触觉传感技术的进步并考虑其缺点，本文概述了灵巧操作研究的新方向。

关键词：触觉传感；触觉传感器；机器人手；灵巧操控；触觉传感应用；回顾

1简介

自主灵巧操纵，也称为手中物体操纵，是工业和社交机器人非常期望的关键技能之一[1]。自主灵巧机器人系统的开发是一个跨学科的复杂过程，涉及计算机视觉，力控制，运动规划，抓取，传感器融合，数字信号处理，人机交互，学习和触觉传感等多种研究领域[2] ]。在本文中，我们讨论了触觉传感问题，回顾了当前最先进的触觉传感器及其在灵巧机器人手中的应用。

在过去的几十年中，工业机器人已经在重型，重复和不安全的制造任务中取代了人类[3]。仅举几例，汽车、消费电子和航空航天工业已经在大规模生产线上使用了配备简单双指夹具的预编程机器人操纵器。然而，当前的制造需求决定了对更多可定制和可变产品的更小批量组装的需求，因此要求机器人具有更高的适应性，易于在软件和硬件中重新配置，更灵活和拥有更多操作能力[4]，这种需求可以通过用多指灵巧机器人手代替夹具来实现，这些手能够抓住非常不同的物体，甚至可以用手指操纵它们[1]。灵巧的机器人手也是新一代社交和服务机器人必不可少的，可以在日常生活中取代人类[5]，并为老年人和残疾人提供帮助。机器人技术在家庭生活中的应用给机器人设计带来了新的挑战。与工业环境不同，家庭空间通常是非结构化的，这意味着需要将感知添加到机器人的控制策略中。

在感知方式中，触觉感知在物理相互作用中起着重要作用，特别是与人类相互作用。神经科学长期以来已经证明了触觉反馈在人类操控中的重要性。不同的研究表明，麻醉指尖的人无法保持稳定的抓取[6]，而触觉感知不足的儿童难以进行操作任务[7]。触觉传感器为机器人提供有关物理接触的信息，自动机器人手可以在非结构化环境中操作并操纵未知物体[8]。同时，机器人感知信息的可用性确保了其在直接人机交互应用中的安全操作。

在传统工业方法中，将关于关节对象和环境的先验知识嵌入到控制算法中来实现对机器人末端执行器的控制。因此，机器人手能够仅操纵已知对象并在结构化环境中工作，这意味着它们不太适应于意外事件。为了克服这些限制，可以实施基于主动探索的方法，其依赖于来自触觉传感器的数据，以允许机器人手在发生意外事件时探索对象并运行控制动作。只有少数几种方法在自主控制方案中使用触觉反馈[8]。

机器人应用中的人造触觉传感器的代表有压力分布传感阵列、力 - 扭矩传感器和动态触觉传感器等[9]。从人工传感系统获取的信息可用于寻找接触位置，重建和识别物体形状，以及测量接触力和温度。

尽管触觉感知信息是操纵过程中必不可少的元素，但人工触觉感知的技术和研究并没有像其他感知方式那样发展[10]。基于微机电系统[11]和有机晶体管[12]的触觉传感器的新技术进步尚未应用于机器人设备。

目前的研究重点是开发新的触觉皮肤，用触觉传感器覆盖机器人手，并研究在自主操作中使用触觉信息的新算法和方法。使用触觉传感信息的新技术包括物体识别和探索，抓握稳定性估计，力控制，触觉伺服和滑动检测。

本文对机器人触觉传感的最新进展进行了全面的回顾。以前的文章主要集中在机器人手的触觉传感技术的触觉硬件[13]，微创手术[14]，生物医学应用[15]，手部假肢滑动检测[16]，机器人触觉皮肤[17]。 ]和大面积的触觉皮肤[18]。本文将回顾在机器人操纵应用中处理触觉数据的技术，该应用涵盖触觉传感器在多指机器人手的控制中的方法和应用。本文的结构如下：第2节给出了触觉传感技术。第3节介绍了传感器与机器人手和触觉数据采集的集成。接下来是对使用触觉信息控制机器人的计算技术的调查。这些技术包括抓握稳定性估计4.1，物体识别4.2，触觉伺服4.3和力控制4.4。结论摘要见第5节。

2触觉传感技术

关于相互作用属性的信息可以从本体感知（内在）传感器获得，例如具有执行器扭矩传感器的关节角度传感器和皮肤（外在）触觉传感器[17]。尽管本征传感器可以提供关于相互作用力的近似信息，如其他地方所示[2]，但外在触觉传感器提供了关于相互作用特性的更精确和多模态的信息[19]。因此，触觉传感器可以被定义为通过手和物体之间的物理接触来评估物体给定属性的工具[20]。当触觉传感器由阵列表示时，传感器的每个传感元件在文献中以不同方式提及，例如，传感细胞，紫杉醇或tactel。

触觉传感器要满足以下手动操作要求[10]：

1. 响应。在避碰[21]和人机交互任务中，触觉传感器必须分别提供有关接触存在的信息并测量接触力的强度。
2. 勘探。在探索过程中，触觉传感器应提供以下信息：来自纹理的表面属性，硬度和温度的测量[22];形状的结构特性[23];检测接触和振动的功能特性[24]。
3. 操纵。在自主操纵任务中，触觉数据用作控制参数：滑动检测;抓取稳定性的估计[25];接触点估计，表面法线和曲率测量[26];用于实现稳定抓取的切向和法向力测量[27];指尖力控制的接触力测量[28]。

根据任务的不同，传感器具有不同的设计规格，这些规范首先由Harmon [29]确定。触觉传感器的基本设计标准先前已在[17]针对类人机器人报告中提及，[15]针对生物医学工程，[16]假手，[18]制造和大型触觉系统的实施。在自主操纵应用中，触觉传感器满足物体表征和识别的要求（例如估计顺应性，热和纹理特性）以及操纵的要求（例如控制施加到物体上的力）[19]。

应用于操作任务的触觉传感器最重要的设计标准总结在表1中，并在下面讨论：

1. 对触觉传感阵列的空间分辨率的要求取决于要识别的物体的大小和传感器在机器人手上的位置。在手内物体操纵[30]或触觉伺服[31]任务中需要相当高的空间分辨率，而在需要高灵敏度或高频响应的情况下，例如，反作用力控制[32]，空间分辨率受到以下原因的限制。更高的空间分辨率不可避免地导致更长的采集时间[33]，更大数量的导线连接以及对外部电磁噪声的更强敏感性。前两个结果很简单，高分辨率需要大量的传感单元，这会导致更长的处理时间。这些传感单元还需要更多的导线连接。灵敏度的最高限度由测量信号可检测的最小变化给出。随着传感单元变小，对外部电磁噪声和串扰的敏感性增加。因此，灵敏度降低，因为噪声水平可以与信号相当。通过考虑这些优点和缺点，空间分辨率的要求可以针对机器人手的不同部分而变化。之前研究过，指尖的分辨率应高达1毫米，因为指尖主要涉及精细操作[29]。在现有技术中，与机器人手集成的指尖触觉传感器具有大约5mm的空间分辨率[34]，[35]。在像手掌这样的机器人手不太敏感的部位，空间分辨率降低到5毫米，如[17]中所述。只有在滑动很重要时才能省略空间分辨率的要求，例如：使用振动自动抓取以实现稳定抓握[32]和使用压力中心触觉传感器进行滑动检测[36]。
2. 触觉传感器的灵敏度由压力/力的可检测的最小变化给出。可检测的小变化意味着高灵敏度。如[37]或[38]所述，高灵敏度在脆弱和可变形物体的操纵任务中非常重要。然而，从最小到最大可检测压力/力（即动态范围）的范围随着触觉传感器的灵敏度的增加而收缩，这是由电流传感器的结构中使用的技术引起的。如上所述，传感器的传感单元区域也导致灵敏度和空间分辨率之间的矛盾。 达希亚等人[17]强加以下要求：指尖的灵敏度应不低于1 mN，而动态范围应为1000：1。
3. 频率响应的要求在很大程度上取决于应用。通常，触觉传感器可以是动态的或静态的[9]。如果要求手在滑动期间检测振动，则频率响应应该与滑动期间发生的振动频率一样高[16]，[32]，[38]，[39]。在人类手中，对于不同的传入，可检测的振动频率在5到50赫兹和40到400赫兹之间变化[6]。因此，根据奈奎斯特 - 香农采样定理，动态触觉传感器的频率响应应至少为400Hz，即采样率必须至少为800Hz。当仅空间分辨率很重要时（例如，触觉物体识别[40]），则频率响应不受响应时间的限制。相反，当使用振动测量来防止滑动[41]，检测被抓物体与环境的接触[38]或识别表面纹理[22]时，则传感器的响应时间变得至关重要，频率响应（带宽）受到触觉传感器的柔软度（弹性）的限制。使用增加表面摩擦的软材料导致在接触点处发生的机械振动的波传播的相位延迟。
4. 理想情况下，滞后和记忆效应应尽可能低。在其结构中结合有柔性泡沫的触觉传感阵列因此不可避免地导致传感器的弹性行为。一旦按下并释放传感器，柔性泡沫首先压缩然后恢复其形状但不立即恢复到先前的形状（滞后效应），有时不恢复到先前的形状（记忆效应）。而且，传感器可以用柔软的材料覆盖，例如，硅橡胶，如[42]。使用柔性材料的优点是增加了接触摩擦。然而，传感器的灵敏度和频率响应可能随着灵活性的增加而降低。虽然读取设备可能具有高采样率，但传感器可能具有显着的滞后现象，这会降低动态响应[9]。通过使用更薄的泡沫可以避免记忆效应，这又会降低动态范围，因为可以存储的最大电荷（在电容传感器中）与泡沫的厚度成比例。该最大电荷代表最大的可检测力。
5. 触觉传感器的接线不应影响机器人手的工作空间[18]。由于布线限制，在机器人手中集成大量触觉传感器是具有挑战性的。例如，在[43]中，安装多模式触觉传感器作为完整的指尖，它只有笨重的背面而不是远端和中间的指骨。屏蔽和智能布线应保证对噪声的最小灵敏度和最小的触觉串扰。串行通信协议的使用减少了连接线的数量，如iCub皮肤[44]，但它增加了采样率。
6. 传感器本身应该是柔性的，因此它可以连接到任何类型的机器人手[44]，除非传感器被设计为机器人手的完整部分，例如[34]中的3D形状的触觉传感指尖。
7. 触觉传感器的表面特性，例如机械柔量和表面摩擦系数应适合各种操作任务。具有给定摩擦系数和柔顺性的弹性材料可以覆盖触觉传感器。如果接触传感表面具有非常低的摩擦力，那么手必须施加高法向力以保持物体稳定，这可能导致物体破裂[34]。然而，在触觉探测过程中需要传感器表面的低摩擦[31]。
8. 坚固的传感器设计应该保证传感器能够承受高度重复使用而不会影响性能。传感器应承受正常的力作用和横向力。

表1. 设计标准：正反两方面。

2.1触觉传感器类型

电容，电阻，光分布，电荷的变化可用于传感系统[45]，[46]。在有关机器人的文献中，这些构建传感系统的不同方式被称为接触信息的转换[10]。触觉传感器的类型根据转换的类型而变化。

在下文中，我们描述了触觉传感器的基本类型及其转换方法。表2给出了每种传感器类型的优缺点。

表2. 触觉感知类型：主要传感器类型的优缺点。名称的缩写：Pres.-压阻式传感器，第-电容型，Pel.-压电传感器

全文共72777字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[2623]