機器人感知智能 課件 第1、2章 緒論、機器人觸覺感知

機器人感知智能

機器人感知智能第一章緒論1.1.1機器人的產(chǎn)生與發(fā)展-機器人的定義最早出現(xiàn)在科幻和文學作品中?，F(xiàn)代意義上的機器人于1959年在美國誕生。由聯(lián)合國標準化機構（ISO）使用的美國機器人協(xié)會的定義：它是一類“能夠編程和具有各種功能的，能夠用于運輸材料、工具等的操作機或是為完成各種工作而能夠進行改變以及編程的專業(yè)系統(tǒng)”。是一種憑借自身動力以及外界指令完成各項工作的一種機器。其中，不同于只具有一般編程能力和操作功能的機器人，智能機器人特指具備感覺要素、運動要素、思考要素的智能化的機器人。圖1.3阿西莫夫圖1.21959年，第一臺工業(yè)機器人阿西莫夫為機器人提出的三條“定律”，規(guī)定所有機器人必須遵守：1）機器人必須不傷害人類，也不允許它見人類將受到傷害而袖手旁觀；

2）機器人必須服從人類的命令，除非人類的命令與第一條相違背；3）機器人必須保護自身不受傷害，除非這與上述兩條相違背。1.1.2機器人的起源追溯到3000多年前的西周時期，第一個有記載的機器人。公元前二世紀，亞歷山大時代的古希臘人發(fā)明了最原始的機器人——自動機。漢代，侯風地動儀，計里鼓車（張衡）。三國時期，蜀國丞相諸葛亮成功地創(chuàng)造出了“木牛流馬”。1768—1774年，瑞士鐘表匠由發(fā)條驅動的古老機器人——寫作機器人，繪圖機器人，鋼琴演奏機器人。圖1.4偃師研制的伶人表演圖圖1.7自動人偶樂隊圖1.5計里鼓車復原模型圖圖1.6“木牛流馬”復原模型圖1.1.3機器人的發(fā)展1946數(shù)控機床數(shù)控機床誕生1952遙控操作機美國原子能委員會阿貢研究所1947機械式主從操縱器阿貢研究所1948第一臺工業(yè)機器人第一臺編程機器人1959適用機型工業(yè)機器人帶動了全世界機器人研究的熱潮1962第一臺數(shù)字計算機1978197319801999美國AMF公司“VERSTRAN”UNIMATION公司“UNIMATE”由計算機控制的工業(yè)機器人通用工業(yè)機器人標志著工業(yè)機器人技術已經(jīng)完全成熟機器人元年犬型機器人“愛寶”工業(yè)機器人真正在日本普及日本索尼公司人工智能向生活化發(fā)展辛辛那提·米拉克降公司開創(chuàng)了機器人發(fā)展的新時代1927第一個機器人電報箱美國西屋公司賓夕法尼亞大學美國UNIMATION公司日本成為“機器人王國”Unimation的公司機器人技術的未來展望機器人技術的發(fā)展趨勢機器人技術正朝著更加智能化、多功能化和自主化的方向發(fā)展，未來將更加深入地融入人類生活。機器人技術對社會的影響機器人技術的發(fā)展不僅改變了工業(yè)生產(chǎn)方式，也對社會結構、就業(yè)形態(tài)以及人們的生活方式產(chǎn)生了深遠的影響。1.1.3機器人的發(fā)展1986年底，中共中央24號文件將智能機器人列為國家863計劃自動化的兩大主題之一，其主要目標是“跟蹤世界先進水平，研發(fā)水下機器人等極限環(huán)境下作業(yè)的特種機器人”。20世紀90年代中期，國家決定重點對焊接機器人的工程應用進行開發(fā)研究。相對于已經(jīng)成熟的工業(yè)機器人，我國服務機器人起步較晚，與國外存在較大的差距。我國服務機器人的研究始于20世紀90年代中后期。近年來，在國家863計劃的支持下，我國“服務機器人軍團”不斷壯大。仿人機器人走出實驗室，我國成為繼日本之后投入實際展示應用的第二個國家。1.1.3機器人的發(fā)展2013年12月工業(yè)和信息化部發(fā)布了《關于推進工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》。習近平主席在2014年的“兩院院士大會”上指出:機器人是制造業(yè)皇冠頂端的明珠，其研發(fā)，制造、應用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標志。2016—2021年期間，我國制造業(yè)加速自動化、智能化升級，機器換人、人機協(xié)作成為一種趨勢和共識。國際機器人聯(lián)合會發(fā)布的《世界機器人2021工業(yè)機器人報告》顯示，2021年在中國工廠運行的工業(yè)機器人數(shù)量達到創(chuàng)紀錄的94.3萬臺。2022年10月，習近平總書記在中國共產(chǎn)黨第二十次全國代表大會上做出重要部署，到2035年，建成現(xiàn)代化經(jīng)濟體系，形成新發(fā)展格局，基本實現(xiàn)新型工業(yè)化。而以機器人為重要代表的人工智能技術，是《二十大報告》中部署的推動戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)融合集群發(fā)展的重要內容。1.1.3機器人的發(fā)展1.1.3機器人的發(fā)展機器人發(fā)展三階段第一代：程序控制機器人第二代：自適應機器人第三代：智能感知機器人圖1.11“UNIMATE”機器人圖1.12“PUMA”機器人圖1.13智能感知機器人自20世紀60年代初研制出尤尼梅特和沃莎特蘭這兩種機器人以來，機器人的研究可以總結為三個階段：1.1.3機器人的發(fā)展程序控制機器人（第一代）第一代機器人是程序控制機器人，也稱編程機器人，它完全按照事先裝入到機器人存儲器中的程序安排的步驟進行工作。這一代機器人能成功地模擬人的運動功能，目前，國際上商品化、實用化的機器人大都屬于這一類。這一代機器人的最大缺點是它只能刻板地完成程序規(guī)定的動作，不能適應變化了的情況，一旦環(huán)境情況略有變化，就會出現(xiàn)問題。

程序的生成及裝入有兩種方式：一種是由人根據(jù)工作流程編制程序并將它輸入到機器人的存儲器中。

0102圖1.11“UNIMATE”機器人另一種是“示教-再現(xiàn)”方式，“示教”是指在機器人第一次執(zhí)行任務之前，由人引導機器人去執(zhí)行操作，即教機器人去做應做的工作，機器人將其所有動作一步步地記錄下來，并將每一步表示為一條指令，“示教”結束后，機器人通過執(zhí)行這些指令以同樣的方式和步驟完成同樣的工作（即再現(xiàn)）。如果任務或環(huán)境發(fā)生了變化，則要重新進行程序設計。1.1.3機器人的發(fā)展自適應機器人（第二代）自適應機器人，也稱為感知機器人，其主要標志是自身配備有相應的感覺傳感器，如視覺傳感器、觸覺傳感器、聽覺傳感器等，并用計算機對其進行控制。這種機器人通過傳感器獲取作業(yè)環(huán)境、操作對象的簡單信息，然后由計算機對獲得的信息進行分析、處理，并以此控制機器人的動作。由于它能隨著環(huán)境的變化而改變自己的行為，可以在一定程度上適應變化的環(huán)境，故稱為自適應機器人。目前，這一代機器人也已進入商品化階段，主要從事焊接、裝配、搬運等工作。第二代機器人雖然具有一些初級的智能，但還沒有達到完全“自治”的程度，有時也稱這類機器人為人眼協(xié)調型機器人。圖1.12“PUMA”，1978年，美國Unimation公司推出的通用工業(yè)機器人1.1.3機器人的發(fā)展智能感知機器人（第三代）具有類似人類智能和感知能力的機器人，如圖1.13所示，即具有感知環(huán)境的能力，配備有視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等“感覺器官”，能從外部環(huán)境中獲取相關信息，具有思維能力，能對接收到的信息進行處理以控制自己的行為，具有對環(huán)境采取行動的能力，能通過傳動機構使“手”和“腳”等肢體運動起來，能正確、熟練地執(zhí)行思維機構發(fā)出的指令，能進行復雜的邏輯推理、判斷和決策，能在操作環(huán)境中獨立行動，具有發(fā)現(xiàn)問題和獨立解決問題的能力。圖1.13智能感知機器人1.1.3機器人的發(fā)展機器人帶有多種傳感器，可以知道其自身的狀態(tài)（內部傳感器），通過裝在機器人身上或者工作環(huán)境中的傳感器感知外部的狀態(tài)（外部傳感器）。能夠根據(jù)得到的這些信息進行邏輯推理、判斷，決策，在變化的內部狀態(tài)與外部環(huán)境中自主決定自身的行為。具有高度的適應性和自治能力，這是人們努力使機器人達到的目標。但在已應用的機器人中，機器人的自適應技術仍十分有限，真正的機器人還處于研究之中，但現(xiàn)在已經(jīng)迅速發(fā)展為新興的高技術產(chǎn)業(yè)。感知智能是機器具備了視覺、聽覺、觸覺等感知能力，將多元數(shù)據(jù)結構化，并用人類熟悉的方式去溝通和互動。感知智能能夠借助語音識別、圖像識別等前沿技術，通過攝像頭、麥克風或其他傳感器等硬件設備，將物理世界的信號映射到數(shù)字世界，然后將這些數(shù)字信息進一步提升到認知層面，如記憶、理解、計劃和決策。在整個過程中，人機界面的交互是至關重要的。1.2機器人感知智能圖1.14機器人感知智能機器人感知智能是指機器人具備通過感知、感覺和理解環(huán)境中的信息，對其進行分析、識別、理解和推理的能力。這種能力讓機器人能夠識別和理解環(huán)境中的物體、聲音、顏色、形狀、溫度等特征，并從中提取有用的信息，進行判斷和決策。是現(xiàn)代機器人技術中非常重要的一部分，可以使機器人更加智能化，從而更好地適應不同的應用場景和任務。工業(yè)制造中，可以使用感知智能來檢測和識別產(chǎn)品的缺陷，從而提高產(chǎn)品的質量和生產(chǎn)效率。

檢測和識別產(chǎn)品

監(jiān)測病人的健康狀況在醫(yī)療保健中，機器人可以使用感知智能來監(jiān)測病人的健康狀況，提供及時的治療和護理服務。1.2.1感知智能的定義1.2.2智能傳感器的定義圖1.15智能傳感器原理智能傳感器是一種帶有計算和通信能力的傳感器，它能夠感知環(huán)境中的物理量、化學量或生物量，并將這些信息轉化為數(shù)字信號進行處理和分析。與傳統(tǒng)傳感器相比，智能傳感器能夠自主地獲取和處理數(shù)據(jù)，并能夠與其他設備進行通信和交互，從而實現(xiàn)更加智能化的應用。1.2.2智能傳感器的定義智能傳感器能將檢測到的各種物理量儲存起來，并按照指令處理這些數(shù)據(jù)，從而創(chuàng)造出新數(shù)據(jù)。智能傳感器之間能進行信息交流，并能自我決定應該傳送的數(shù)據(jù)，舍棄異常數(shù)據(jù)，完成分析和統(tǒng)計計算等。感知環(huán)境中的物理量或化學量，并將其轉化為電信號；負責對這些電信號進行放大、濾波、線性化等處理；對信號進行處理、分析和判斷，實現(xiàn)傳感器的智能化；存儲傳感器采集的數(shù)據(jù)和程序；使傳感器可以與其他設備進行通信和交互。智能傳感器信號調理電路傳感器元件微處理器存儲器通信接口智能傳感器不僅具有視覺、觸覺、聽覺、嗅覺、味覺功能，且應具有記憶、學習、思維、推理和判斷等“大腦”能力。前者由傳統(tǒng)的傳感器來完成。傳統(tǒng)傳感器的功能結構包括敏感元件、調理電路和模數(shù)轉換器（ADC），敏感元件將描述客觀對象與環(huán)境狀態(tài)或特性的物理量轉換成電路元件參量或狀態(tài)參量，調理電路將電路參量轉換成電壓信號并進行歸一化處理以滿足ADC動態(tài)范圍。智能處理器應對ADC輸出的數(shù)字信號進行智能處理，主要智能處理功能如下：1.2.2智能傳感器的定義自補償功能自計算和處理功能自學習與自適應功能自診斷功能智能傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)技術的核心組件之一，具有廣泛的應用前景。工業(yè)制造領域環(huán)境監(jiān)測領域智能交通領域醫(yī)療保健領域智能家居領域1.2.3智能傳感器應用與方向intelligentsensor將傳感器虛擬化為一個服務，實現(xiàn)傳感器的共享和利用。降低成本和維護難度，提高靈活性和可擴展性。易于集成到其他應用中。虛擬化技術實現(xiàn)傳感器之間的互聯(lián)互通，易于與其他設備和系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換和通信，實現(xiàn)更高級別的數(shù)據(jù)處理和應用。提高傳感器的實時性和可靠性，使傳感器更加適用于復雜的應用場景。網(wǎng)絡化技術將多個傳感器的數(shù)據(jù)進行融合，提高感知數(shù)據(jù)的準確性和完整性。將不同傳感器的數(shù)據(jù)進行整合和分析，提取有價值的信息，從而實現(xiàn)更高級別的應用。信息融合技術1.2.3智能傳感器應用與方向智能傳感器將會成為物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術的重要組成部分，推動人類社會的智能化和自動化發(fā)展。虛擬化、網(wǎng)絡化和信息融合技術是智能傳感器面向未來時需發(fā)展完善的三個主要方向。多傳感器信息融合是一種將來自多個傳感器的信息進行整合的技術，以提高對目標、環(huán)境等的感知和認知能力。通過利用多個傳感器的優(yōu)勢和互補性，可以提高信息采集的可靠性、準確性、魯棒性和實時性，從而在復雜環(huán)境下實現(xiàn)對目標的高效跟蹤、識別和定位等。多傳感器信息融合可以概括為四個步驟：1.2.4多傳感器信息融合的介紹選擇最合適的傳感器來獲取目標的信息1.傳感器選擇提取的方法圖像處理信號處理機器學習等對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行處理和優(yōu)化。2.數(shù)據(jù)預處理從傳感器數(shù)據(jù)中提取出能描述目標的特征。3.特征提取將來自不同傳感器的信息進行整合，得到目標狀態(tài)估計。4.信息融合信息融合的方法貝葉斯推理卡爾曼濾波粒子濾波等預處理傳感器的校準數(shù)據(jù)濾波噪聲去除等信息根據(jù)一定準則和決策的可信度對各自傳感器的屬性決策結果進行融合，最終得到整體一致的決策。數(shù)據(jù)級融合是指在融合算法中要求進行融合的傳感器數(shù)據(jù)間具有精確到一個像素的匹配精度的任何抽象層次的融合；特征級融合是指從各只傳感器提供的原始數(shù)據(jù)中進行特征提取然后融合這些特征；決策級融合是指在融合之前各傳感器數(shù)據(jù)源都經(jīng)過變換并獲得獨立的身份估計。1.2.4多傳感器信息融合的介紹1.2.4多傳感器信息融合的介紹軍事領域：信息融合技術在軍事上用于目標識別、態(tài)勢評估，提高作戰(zhàn)效率和決策質量。工業(yè)領域：在工業(yè)生產(chǎn)中，信息融合技術用于柔性制造系統(tǒng)，實現(xiàn)故障診斷和生產(chǎn)過程優(yōu)化。醫(yī)學領域：信息融合技術在醫(yī)學圖像分析與處理中發(fā)揮重要作用，輔助醫(yī)生進行更準確的診斷。測量領域：通過信息融合技術，提高目標監(jiān)測與跟蹤的準確性，廣泛應用于安全監(jiān)控和交通管理。氣象預報：信息融合技術在氣象預報中整合多源數(shù)據(jù)，提升天氣預測的準確性和時效性?，F(xiàn)代制造業(yè)：現(xiàn)代制造業(yè)利用信息融合技術優(yōu)化生產(chǎn)流程，實現(xiàn)智能化和自動化，提高生產(chǎn)效率。1.2.5智能傳感器網(wǎng)絡化技術具有多層次的容錯機制和自我修復機制，可以保證數(shù)據(jù)的高可靠性和穩(wěn)定性。高可靠性其傳感器節(jié)點和網(wǎng)絡設備具有小型化、低功耗、低成本特點，可以實現(xiàn)大規(guī)模應用。低成本具有高效的數(shù)據(jù)采集和傳輸能力，能夠快速響應和處理各種應用需求。高效性通過智能算法和學習算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能處理和分析，從而實現(xiàn)更加高效和智能的應用。智能化智能傳感器網(wǎng)絡化技術是一種基于傳感器和網(wǎng)絡技術的新型技術，它將傳感器網(wǎng)絡互聯(lián)起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集、處理和傳輸。智能傳感器網(wǎng)絡化技術的特點包括：1.2.5智能傳感器網(wǎng)絡化技術智能傳感器網(wǎng)絡結構通常包括三個層次：感知層、傳輸層和應用層。負責采集各種環(huán)境參數(shù)。通常由各傳感器設備和執(zhí)行器組成，如溫度傳感器、濕度傳感器等。傳輸層負責將感知層采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉脤舆M行處理。通常由網(wǎng)關、路由器、傳輸協(xié)議等組成。應用層負責處理傳輸層傳輸過來的數(shù)據(jù)，提供各種應用服務。通常由各種軟件組件、算法、決策模型等組成。感知層智能傳感器節(jié)點是指集成了傳感器、嵌入式處理器、通信模塊等多種功能的小型計算機設備。傳感器節(jié)點通常需要具備以下特點：1.2.5智能傳感器網(wǎng)絡化技術需要具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、通信和控制，數(shù)據(jù)處理能力，通信功能，控制功能等功能。多功能性因通常需要長時間運行，需要具備低功耗特點。可以通過動態(tài)調整功率、睡眠模式等方式實現(xiàn)。低功耗智能傳感器節(jié)點通常需要安裝在較小的空間內，因此需要具備小型化的特點。小型化1.2.5智能傳感器網(wǎng)絡化技術網(wǎng)絡協(xié)議是智能傳感器網(wǎng)絡化技術的關鍵技術之一。通常需要具備以下特點：低能耗：傳感器節(jié)點通常由電池供電，因此傳感器網(wǎng)絡協(xié)議需要設計為低能耗，以延長傳感器節(jié)點的電池壽命。自組織性：傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構是動態(tài)的，傳感器節(jié)點可能在運行過程中加入或離開網(wǎng)絡，因此傳感器網(wǎng)絡協(xié)議需要具備自組織性，能夠自適應地調整網(wǎng)絡拓撲結構，保證網(wǎng)絡的連通性和穩(wěn)定性。分布式處理：傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)量通常較大，因此傳感器網(wǎng)絡協(xié)議需要支持分布式處理，能夠在網(wǎng)絡中進行分布式數(shù)據(jù)處理和協(xié)調，提高網(wǎng)絡處理效率和數(shù)據(jù)可靠性。虛擬傳感器的由來：物理傳感器通常直接測量物理現(xiàn)象并將這些測量結果轉換為測量數(shù)據(jù)，然后將其傳遞到控制系統(tǒng)以進行進一步處理。因部分物理傳感器的硬件成本高、或測量點處于極端環(huán)境中，不適合放置物理硬件設備。因此，就有了虛擬傳感器。當設備的測量點處于測量極限環(huán)境中或物理傳感器不適合設備的測量點時，可以用虛擬傳感器來測量設備的參數(shù)。一種將傳感器節(jié)點虛擬化的技術，它可以將實際的傳感器節(jié)點抽象成虛擬節(jié)點，從而實現(xiàn)傳感器資源的共享和利用?？梢蕴岣邆鞲衅骶W(wǎng)絡的靈活性、可擴展性和資源利用率，同時還可以減少傳感器網(wǎng)絡的管理和維護成本，因此被廣泛應用于智能城市、工業(yè)自動化、環(huán)境監(jiān)測等領域。1.2.6智能傳感器虛擬化技術1.2.6智能傳感器虛擬化技術虛擬儀器的“虛擬”二字主要體現(xiàn)在如下兩個方面:（1）虛擬儀器的面板是虛擬的虛擬儀器的各種面板和面板上的各種“控件”,是由軟件來實現(xiàn)的。用戶通過對鍵盤或鼠標來對“控件”操作,從而完成對儀器的操作控制。（2）虛擬儀器的測試功能是由軟件來控制硬件實現(xiàn)與傳統(tǒng)儀器相比,虛擬儀器的最大特點是其功能由軟件定義,可以由用戶根據(jù)應用需要進行軟件的編寫,選擇不同的應用軟件就可以形成不同的虛擬儀器1.2.6智能傳感器虛擬化技術圖1.17虛擬儀器類型組成虛擬儀器由通用儀器硬件平臺和軟件兩大部分組成。硬件平臺包括計算機和總線與I/O接口設備兩大部分。類型不同的類型的總線有其相應的I/O接口硬件設備,按總線類型分,虛擬儀器主要分為以下幾種類型：PC總線的數(shù)據(jù)采集（DAQ）插卡式儀器、GPIB總線儀器、VXI總線儀器、PXI總線儀器以及串行口總線儀器等。計算機是通過軟件來驅動總線對儀器設備進行控制的。虛擬儀器的軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心，強調軟件在虛擬儀器中的重要位置，用戶可以根據(jù)不同的測試任務，編制不同的測試軟件，實現(xiàn)復雜的測試任務。虛擬儀器系統(tǒng)的軟件結構及應用軟件根據(jù)其功能又分為儀器面板控制軟件、數(shù)據(jù)分析處理軟件兩部分。1.2.6智能傳感器虛擬化技術圖1.18虛擬儀器系統(tǒng)的軟件結構1.2.6智能傳感器虛擬化技術智能傳感器虛擬化技術的實現(xiàn)未來需要解決以下幾個關鍵問題：關鍵問題詳細介紹虛擬化方法智能傳感器虛擬化技術的基礎，可以采用多種虛擬化方法，需要根據(jù)實際需求選擇合適的虛擬化方法。虛擬節(jié)點管理是智能傳感器虛擬化技術的核心問題，需要實現(xiàn)虛擬節(jié)點的創(chuàng)建、刪除、移動和資源分配等功能。需要考慮傳感器節(jié)點的能耗、通信帶寬和計算資源等因素，以實現(xiàn)資源的合理利用和傳感器節(jié)點的節(jié)能管理。虛擬節(jié)點通信需要實現(xiàn)虛擬節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)作。需要考慮傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構、能耗和通信帶寬等因素，以實現(xiàn)傳輸效率和節(jié)能管理。虛擬節(jié)點安全需要考慮虛擬節(jié)點的機密性、完整性和可用性。需要采取一系列安全措施，例如身份認證、訪問控制、數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)完整性保護等，以保證虛擬節(jié)點的安全性。虛擬節(jié)點生命周期管理需要對虛擬節(jié)點的整個生命周期進行管理和控制。虛擬節(jié)點的生命周期包括創(chuàng)建、部署、運行和銷毀等階段，需要考慮多個因素。機器人是一種自動化的機器，具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。1.3機器人感知系統(tǒng)的組成用來檢測機器人本身狀態(tài)的傳感器，多為檢測位置和角度的傳感器。內部傳感器模塊用來檢測機器人所處環(huán)境及狀況的傳感器。具體有距離傳感器、視覺傳感器、力覺傳感器等。外部傳感器模塊機器人感知系統(tǒng)1.3.1機器人觸覺感知觸覺——機器人僅次于視覺的一種重要知覺形式，常用的觸覺傳感器從原理上可以分為以下幾類:02在外力作用下使兩極板間的相對位置發(fā)生變化，從而導致兩極板間電容的變化，通過檢測電容的變化量實現(xiàn)觸覺檢測。電容式觸覺傳感器04光纖式觸覺傳感器和反射光型觸覺傳感器，前者基于光纖的全反射原理，后者基于接觸面受力變形導致反射光變化的原理。光電式觸覺傳感器01利用彈性體材料的電阻率隨壓力大小的變化而變化的性質制成的，它將接觸面上的壓力信號轉換為電信號。壓阻式觸覺傳感器03基于壓電效應的傳感器，是一種自發(fā)電式和機電轉換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電式觸覺傳感器1.3.2機器人滑覺感知滑覺傳感器——檢測在垂直于握持方向物體的位移、旋轉、由重力引起的變形，以達到修正受力值、防止滑動、進行多層次作業(yè)及測量物體重量和表面特性等。是用于檢測物體接觸面之間相對運動大小和方向的傳感器，它用于檢測物體的滑動，如圖1.21所示的滾球式滑動傳感器。圖1.21滾球式滑動傳感器1.3.3機器人壓覺感知壓覺傳感器實際是接觸傳感器的引伸。目前壓覺傳感器主要有如下幾類：1）利用某些材料的內阻隨壓力變化而變化的壓阻效應，制成壓阻器件，將它們密集配置成陣列，即可檢測壓力的分布。如壓敏導電橡膠或塑料等。2）利用壓電效應器件。如壓電晶體等，將它們制成類似人的皮膚的壓電薄膜，感知外界壓力。其優(yōu)點是耐腐蝕、頻帶寬和靈敏度高等；但缺點是無直流響應，不能直接檢測靜態(tài)信號。3）利用半導體力敏器件與信號電路構成集成壓敏傳感器。常用的有：壓電型（如ZnO／Si-IC）、電阻型SIR（硅集成）和電容型SIC。其優(yōu)點是體積小、成本低、便于同計算機接口，缺點是耐壓負載差、不柔軟。圖1.22高密度智能壓覺傳感器1.3.4機器人視覺感知機器人視覺感知是指機器人在工作時通過視覺傳感器對環(huán)境物體獲取視覺信息，讓機器人識別物體來進行各種工作。將視覺傳感器應用于工業(yè)機器人，并對其進行引導控制屬于機器視覺的應用范疇。典型的工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)往往由圖像采集單元、信息處理單元以及最終的決策執(zhí)行單元組成，如圖1.23所示。圖1.23

工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)1.3.4機器人視覺感知根據(jù)不同的任務需求和應用場景，可以將工業(yè)機器人的視覺感知應用劃分為2D視覺任務、2.5D視覺任務和3D視覺任務。1.CCD圖像傳感器：電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器是由多個光電二極管傳送存儲電荷的裝置，它有多個MOS結構的電極，電荷傳送的方式是通過向其中一個電極上施加與眾不同的電壓，產(chǎn)生所謂的勢阱，并順序變更勢阱來實現(xiàn)的。2.CMOS圖像傳感器：COMS圖像傳感器是由接收部分（二極管）和放大部分組成一個個單元，然后按照二維排列。由于放大器單元之間特性的分散性放大，以至于其噪聲比較大。3.三維視覺傳感器：圖

1.25三維視覺傳感器種類1.3.5機器人接近覺感知接近覺傳感器是指機器人能感知相距幾毫米至幾十厘米內對象物距離、表面性質的一種傳感器。它是一種非接觸的測量元件，用來感知測量范圍內是否有物體存在。機器人利用接近覺傳感器，可以感覺到近距離的對象物或障礙物，能檢測出物體的距離、相對傾角甚至對象物體的表面狀態(tài)?？梢杂脕肀苊馀鲎?，實現(xiàn)無沖擊接近和抓取操作。常見的接近覺傳感器如下表：光電式測速度快、抗干擾能力強、測量點小、適用范圍廣。電磁感應式依據(jù)金屬物體接近感應傳感器引起的電感變化。精度比較高，響應快，可以在高溫環(huán)境中使用。光纖式調制光經(jīng)發(fā)射光纖發(fā)出后，在障礙物表面發(fā)生反射，之后被接受光纖接受，通過后續(xù)的處理就可以感知障礙物位置。微波式利用雷達探測點原理，由發(fā)射機發(fā)出的調頻連續(xù)波，遇到障礙物后反射，由接收機接收，再利用三角測量原理，得障礙物的位置信息。電容式通過接近障礙物而引起電容變化，從而得到傳感器與障礙物的接近度信息。紅外式利用被調制的紅外光照射物體，發(fā)射回來的紅外光由接受透鏡接收，通過計算可以得到物體的位置信息。1.3.6機器人聽覺感知“聽”是聲音采集的能力，“覺”是更為關鍵的聲音分析能力，是普通拾音器產(chǎn)品所無能為力的。聲傳感器與核心板卡分離的產(chǎn)品設計，使安裝方式更加靈活，可任意適配輪式、掛軌式、履帶式等各種移動形態(tài)的機器人。1.園區(qū)/廠區(qū)巡檢機器人利用智能空氣聲吶陣列對機器人原有監(jiān)控攝像機云臺進行升級補盲，當監(jiān)控范圍內出現(xiàn)異常聲音信號時，聲吶陣列將毫秒級響應，迅速定位聲源，并驅動云臺轉動到異常發(fā)聲的方向進行查看。2.安防巡邏機器人搭載于電力系統(tǒng)巡檢機器人，針對穩(wěn)態(tài)或高瞬態(tài)聲源、靜止或運動物體都可以獲得極佳的檢測效果。巡查局部放電故障，可以實現(xiàn)遠距離、不停車、精準定位故障點及后臺可視化等功能。3.特種巡檢機器人圖1.27

輪式巡檢機器人搭載圖1.29

安防巡邏機器人搭載圖1.30

電力系統(tǒng)巡檢示意圖1.3.7機器人味覺感知機器人一般不具備味覺。但海洋資源勘探機器人、食品分析機器人、烹調機器人等則需要用味覺傳感器進行液體成分的分析。目前已開發(fā)多種味覺傳感器，用于液體成分的分析和味覺的調理，毒成分和未知物質的檢測等。圖1.31人舌味覺的部分結構味覺感知一般有下列元件：離子電極傳感器：將來自多個離子電極的信號加以合成從而識別味覺。電導率傳感器：檢測液體的電導率。pH傳感器：檢測液體的pH。生物傳感器：提取與特定分子反應的生物體功能，固定后用于傳感器。1.3.8機器人嗅覺感知典型的嗅覺傳感器：水晶振子嗅覺傳感器：在水晶振子電極表面上覆蓋脂質膜，該層膜在吸附嗅覺成分后，能檢測出振動頻率的變化。半導體嗅覺傳感器：半導體聚合體表面是否吸附了嗅覺成分，能呈現(xiàn)出電阻的變化。熱式嗅覺傳感器：在加熱金屬的表面，嗅覺物質發(fā)生氧化還原反應引起電阻的變化。嗅覺傳感器并不是機器人的通用感覺傳感器，但對于火災發(fā)現(xiàn)/消防機器人、救援機器人、食品檢查機器人、環(huán)境保護機器人等來說應該是必備的。工程中制作嗅覺傳感器，一般需要能吸附氣體的材料，如陶瓷、半導體等，檢測它們電阻或振動頻率的變化，然后綜合起來辨別嗅味?；虿捎脤怏w有敏感性的生物材料，即生物嗅覺傳感器。1.3.9機器人力覺感知力覺信息是人類感知到與外界環(huán)境產(chǎn)生的交互力信息。圖1.33

機器人力覺視覺在不發(fā)生物理接觸的情況下可以獲取外界環(huán)境信息，是一種認知人機交互。機器視覺在機器人領域主要的研究內容包括識別、位姿估計及視覺伺服等。是機器人感知外界環(huán)境施加在其身上的力信息。力覺需要發(fā)生實際力作用方可獲取外界信息，是一種物理人機交互。機器人力覺主要包括力感知和力控制，是控制機器人施加的外界環(huán)境上的力。1.3.9機器人力覺感知機器人用于感知外力的傳感器有很多，常見的方案有：1.電子皮膚在機器人表面覆蓋一層壓力傳感器，可直接檢測環(huán)境施加在機器人全身上的力信息，精度高，但結構復雜，成本高。代表產(chǎn)品是博世APAS人機協(xié)作系統(tǒng)。2.關節(jié)力矩傳感器或柔性關節(jié)通過在減速器的輸出端安裝關節(jié)力矩傳感器，可避免關節(jié)摩擦力的影響，建立關節(jié)力矩-角度的動力學模型，這種方式精度很高，但結構復雜，成本高。代表產(chǎn)品為KUKA的iiwa。3.末端六軸力矩傳感器在機器人的末端安裝六軸力矩傳感器，可獲取力矩傳感器往后段的力覺信息；不涉及復雜的動力學模型及辨識，但檢測范圍有限，成本高。這種方式在機器人打磨及裝配中應用很多。1.4.1機器人感知智能的發(fā)展現(xiàn)狀根據(jù)智能機器人具備的智能水平可將其劃分成三種等級，分別為高級智能機器人、初級智能機器人以及工業(yè)機器人。就我國而言，智能機器人屬于第三代機器人，自身帶有非常多的傳感器，并可以將所獲得的信息巧妙融合到一起，同時還能適應各種環(huán)境，自身也具備較強的自愈能力與學習能力。圖1.34

法國HILARE機器人圖1.35

新松SJ-1星衛(wèi)來工業(yè)清潔機器人圖1.36

SRMX790A-QD2型巡檢機器人圖1.37

新松機房巡檢機器人1.4.1機器人感知智能的發(fā)展現(xiàn)狀機器人感知智能其作用類似于人的感知器官，可以感知周圍環(huán)境的狀態(tài)，為整個機器人系統(tǒng)提供必要的信息，幫助機器人實現(xiàn)在復雜、動態(tài)及不確定性環(huán)境下的自主工作。感知類型感知原則感知到的信息該感知智能的實際應用觸覺電容式、壓電式、壓阻式、光學式接觸力、面積、位置人機協(xié)作、物體抓取、質量監(jiān)控視覺CCD或CMOS成像圖像人-機協(xié)作（HRC）、導航、機械手控制、裝配、機器人編程接近覺電容式、電感式、光電式物體接近

人-機協(xié)作（HRC）、物體抓取

聽覺電容的、超聲波傳輸時間聲音信號、距離人-機協(xié)作（HRC）、焊接、障礙物回避表1.1機器人感官示例1.4.1機器人感知智能的發(fā)展現(xiàn)狀目前我國在智能機器人研制過程中的關鍵技術：多傳感信息耦合技術：綜合多個傳感器的數(shù)據(jù)，得到更準確、更全面的信息，而經(jīng)過融合之后的傳感器系統(tǒng)，更精準的反映出檢測對象的信息，從而消除不準確信息。導航與定位技術：從自主移動機器人導航中來看，不管是躲避障礙還是規(guī)劃路線，其都是需要得到準確位置之后才能完成導航、躲避障礙等任務。路徑規(guī)劃技術：在機器人的工作空間中尋找到從開始到目標的一條最佳路線。機器人視覺技術：包含圖像處理、圖像獲取、圖像分析、輸出與顯示等，其中最關鍵的工作為特征提取與圖像辨別。智能控制技術：提高機器人的工作速度與完整度。人機接口技術：主要分析如何讓人類能更順利的與機器人進行交流。1.4.1機器人感知智能的發(fā)展現(xiàn)狀信息融合技術首先應用于軍事領域，包括航空目標的探測、識別和跟蹤，以及戰(zhàn)場監(jiān)視、戰(zhàn)術態(tài)勢估計和威脅估計等；在地質科學領域上，信息融合應用于遙感技術，包括衛(wèi)星圖像和航空拍攝圖像的研究；在機器人技術和智能航行器研究領域，信息融合主要被應用于機器人對周圍環(huán)境的識別和自動導航；信息融合技術也被應用于醫(yī)療診斷和人體模擬以及一些復雜工業(yè)過程控制領域。使用多傳感器系統(tǒng)和信息融合技術，具有以下優(yōu)點：①可提高系統(tǒng)的可靠性和魯棒性；

②可擴展空間和時間上的觀測范圍；③可提高信息的精確程度和可信度；

④可提高對目標物的檢測和識別性能；⑤可降低對系統(tǒng)的冗余投資。1.4.2機器人感知智能的發(fā)展趨勢今后多傳感器信息融合技術的主要研究和發(fā)展方向應包括以下幾個方面：確立具有普遍意義的信息融合模型標準和系統(tǒng)結構標準。將信息融合技術應用到更廣泛的新領域。改進融合算法以進一步提高融合系統(tǒng)的性能。開發(fā)相應的軟件和硬件，以滿足具有大量數(shù)據(jù)且計算復雜的多傳感器融合的要求。機器人年代感知（傳感器）智能（信息處理方式）執(zhí)行環(huán)境HILARE1979視覺、聲音、激光測距未知人造環(huán)境加權平均CROWLEY1984旋轉超聲、觸覺已知人造環(huán)境可信度系數(shù)的匹配DAPPAALV1985

彩色視覺、聲吶、激光測距未知自然環(huán)境小范圍內平均NAVLAB&Teregator1986彩色視覺、聲吶、激光測距未知公路環(huán)境多樣可能性STANFORD1987觸覺、超聲波、半導體激光未知人造環(huán)境卡爾曼濾波HERMIES1988多攝像機、聲吶陣列、激光測距未知人造環(huán)境基于規(guī)則RANGER1994觸覺、超聲波未知室外三維環(huán)境雅可比張量與卡爾曼濾波LIAS1996超聲傳感器、紅外傳感器未知人造環(huán)境多種融合方法OxfordSeries1997攝像機、聲吶、激光測距已知或未知的工廠環(huán)境卡爾曼濾波Alfred1999聲音、聲吶、彩色攝像機未知室外環(huán)境邏輯推理ANFM2001攝像機、超聲波、紅外探測器、GPS慣性導航已知或未知的自然環(huán)境模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡表1.2感知智能應用在機器人上的一些實例

本章小結產(chǎn)生與發(fā)展定義及組成結構機器人感知系統(tǒng)知識節(jié)點1.4機器人感知智能的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢發(fā)展現(xiàn)狀智能機器人技術的廣泛應用領域及其分類機器人感知智能在實際應用中的具體案例發(fā)展趨勢機器人感知智能技術的未來發(fā)展方向多傳感器信息融合技術的重要性及其

應用前景“感知智能”向“認知智能”轉化的必然趨勢及其意義1.1機器人的產(chǎn)生與發(fā)展機器人的重要性國家綜合水平解放人力機器人的發(fā)展國際上發(fā)展歷史與重要里程碑中國內發(fā)展歷史與研發(fā)計劃機器人發(fā)展三階段機器人的起源古代機器人雛形機器人技術發(fā)展歷程機器人的定義機器人形象第一臺機器人不同國家/組織的定義發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢1.2機器人感知智能定義感知智能感知智能的定義感知智能在機器人技術中的重要性1.3機器人感知系統(tǒng)的組成觸覺傳感器功能及類型滑覺傳感器的工作原理及應用壓覺傳感器的工作原理及應用視覺感知傳感器及其應用場景接近覺感知功能及用途聽覺、味覺、嗅覺、力覺傳感器特殊應用案例內部傳感器外部傳感器機器人傳感器感知傳感器類型多傳感器信息融合定義及作用四個步驟智能傳感器網(wǎng)絡化技術特點技術原理：網(wǎng)絡結構、節(jié)點技術和網(wǎng)絡協(xié)議智能傳感器智能傳感器的組成與工作原理智能傳感器的功能智能傳感器在各領域的應用智能傳感器虛擬化技術定義及來由虛擬儀器組成需要解決的關鍵問題參考書目陳黃祥.智能機器人[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012.中國電子學會.機器人簡史[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.盧金燕.機器人智能感知與控制[M].鄭州：黃河水利出版社，2020.吳振彪，王正家.工業(yè)機器人[M].2版.武漢：華中科技大學出版社，2006.張濤.機器人引論[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2016戴亞平,馬俊杰,王笑涵.多傳感器數(shù)據(jù)智能融合理論與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2021.蔡永娟.機器人感知系統(tǒng)標準化與模塊化設計[D].合肥：中國科學技術大學，2010.機器人感知智能第二章機器人觸覺感知2.1機器人觸覺感知機器人觸覺是模擬人的感覺，廣義的說它包括接觸覺、壓覺、力覺、滑覺、冷熱覺等與接觸有關的感覺，狹義的說它是機械手與對象接觸面上的力感覺。機器人假手獲取觸覺信息一般是通過觸覺傳感器實現(xiàn)的，通過加載在機器人假手上的觸覺傳感器，假手的控制單元能收到假手抓握時的觸覺信息，并根據(jù)觸覺信息來調控假手的抓握力度。隨著硅材料微加工技術和計算機技術的發(fā)展，觸覺傳感器已逐步實現(xiàn)了集成化、微型化和智能化。圖2.1配備觸覺傳感器的智能機器人手2.2機器人觸覺感知傳感器類型機器人觸覺傳感器根據(jù)應用環(huán)境可分為兩大類：應用于工業(yè)生產(chǎn)的機器人觸覺傳感器和應用于非工業(yè)生產(chǎn)的機器人觸覺傳感器。工業(yè)機器人觸覺傳感器主要用于多關節(jié)機械手或多自由度機器人的感知，而非工業(yè)生產(chǎn)中的觸覺傳感器則應用于服務機器人、軍用機器人、農(nóng)業(yè)機器人和醫(yī)療機器人等。觸覺傳感器的研究分為廣義和狹義，廣義觸覺包括觸覺、壓覺、力覺、滑覺和冷熱覺，而狹義觸覺主要指機械手與對象接觸面上的力感覺。按主要功能，觸覺傳感器可分為接觸覺傳感器、力-力矩覺傳感器、壓覺傳感器、硬度傳感器、表面粗糙度傳感器和滑覺傳感器等。隨著MEMS技術、新材料和新工藝的發(fā)展，觸覺傳感器正朝著柔性化、輕量化、高陣列和高靈敏度的方向發(fā)展，特別是在醫(yī)療、康復、假肢、人機交互和消費電子學等領域的應用中，新型柔性觸覺傳感器和陣列觸覺傳感器成為研究熱點。2.2.1機器人柔性觸覺傳感器所謂“柔性”是指觸覺傳感器的物理特性具有類似于人類皮膚一樣的特性，可以覆蓋在任意的載體表面測量受力信息，從而感知目標對象的性質特征。柔性觸覺傳感器應用廣泛，因其具有良好的柔性，在可穿戴電子領域有巨大的應用前景，在人體運動監(jiān)測、健康監(jiān)測（脈搏、血壓、體溫等）、機械結構健康監(jiān)測、人機交互等方面都有廣泛應用，既可直接貼于皮膚表面，或與衣服、鞋子、手套等相結合，又可植入人體內。從20世紀80年代開始，世界各國投入大量資源對機器人柔性觸覺傳感器進行了系統(tǒng)研究。美國微星科技公司最早研制出應用于工業(yè)機器人手臂的觸覺敏感皮膚，印度研究者則利用壓電陶瓷材料制作了壓電式觸覺傳感器。2002年，南京航空航天大學和重慶大學分別設計出三維力和四維力觸覺傳感器。2005年，美國航空航天局開發(fā)出非接觸式敏感皮膚。中國科學院合肥智能機械研究所、中國科學技術大學和合肥工業(yè)大學等機構也開展了深入研究。學術界對“觸覺和感知”的研究逐年增加，顯示出機器人柔性觸覺傳感器領域的研究趨勢不斷增長。綜上所述，柔性觸覺傳感器在機器人應用中的研究經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)取得了顯著進展。2.2.1機器人柔性觸覺傳感器-壓阻式柔性觸覺傳感器柔性觸覺傳感器的實現(xiàn)方式很多，主要分為壓阻式、壓電式和電容式。相較于壓電式和電容式，壓阻式柔性觸覺傳感器監(jiān)測范圍大、靈敏度高、成本低廉、工藝簡單，是過去和未來柔性觸覺傳感器發(fā)展的主要方向。壓阻式柔性觸覺傳感器工作原理：利用彈性材料的壓阻效應進行壓力值的測量，所謂的壓阻效應就是指當彈性材料受到應力作用，由于其載流子的遷移率變化，使材料的電阻率發(fā)生變化。對于一種電阻率為ρ，長度為l，橫截面積為S的彈性材料，其電阻為：對上式進行微分：壓阻式柔性觸覺傳感器可以通過檢測電阻的變化從而計算出所受的外界壓力。2.2.1機器人柔性觸覺傳感器-壓阻式柔性觸覺傳感器由于導電敏感材料的不同，壓阻式柔性觸覺傳感器可以分為基于導電聚合物的壓阻式柔性觸覺傳感器基于導電溶液的壓阻式柔性觸覺傳感器美國馬里蘭大學的柔性機器人方面專家將碳納米管均勻地分散到聚二甲基硅氧烷中，作為柔性觸覺傳感器的導電聚合物，制造了具有較大面積的柔性觸覺傳感器。圖2.2（a）鎳顆粒高分子聚合物混合的導電聚合物（b）一種覆蓋全手掌的柔性觸覺傳感器2.2.1機器人柔性觸覺傳感器-壓阻式柔性觸覺傳感器除導電聚合物外，導電溶液也具有壓阻效應，導電溶液在外力作用下會發(fā)生流動從而使內部電阻阻值出現(xiàn)變化，進而實現(xiàn)對外界壓力的測量。由于使用導電溶液作為觸覺傳感器的壓阻材料，使得觸覺傳感器具有具有高度靈活性和延展性。美國南加州大學的學者在手指的內側設計了一個封閉的空腔，在空腔內注入導電溶液，如圖2.3（a）所示。當手指抓取物體時，空腔受到擠壓體積發(fā)生變化，使得導電溶液的電阻發(fā)生變化，從而將力學信號轉化為電學信號。圖2.3（a）導電溶液仿生觸覺手指（b）高柔性傳感器的結構2.2.1機器人柔性觸覺傳感器-壓電式柔性觸覺傳感器壓電式柔性觸覺傳感器是基于壓電材料的壓電效應，基于壓電效應的壓電觸覺傳感器由于其結構簡單、功耗低、經(jīng)久耐用、靈敏度高、可靠性好等優(yōu)點而被廣泛使用。在作用力的推動下，壓電材料會同時在電介質的兩端表面內累積等量異號電荷，形成的電勢差值即電壓，這種由外力作用形成的電荷在電極板處積累現(xiàn)象稱為正壓電效應。壓電效應是可逆的，當在極板之間施加電場時，壓電材料會發(fā)生形變，這種現(xiàn)象稱之為逆壓電效應。常見的壓電材料有晶體、壓電陶瓷和高分子聚合物。圖2.4壓電效應原理2.2.1機器人柔性觸覺傳感器-壓電式柔性觸覺傳感器

圖2.5壓電傳感器的等效電路2.2.1機器人柔性觸覺傳感器-壓電式柔性觸覺傳感器

圖2.6電壓放大器電路原理及其等效電路圖2.2.1機器人柔性觸覺傳感器-壓電式柔性觸覺傳感器常用的壓電材料有聚偏氟乙烯高分子薄膜、壓電陶瓷以及部分金屬氧化物等?；诰燮蚁└叻肿颖∧ぴO計的仿人手指壓電式柔性觸覺傳感器，如圖2.7所示。在手指接觸物體時，由于聚偏氟乙烯高分子薄膜具有壓電效應，能夠將外界壓力轉換為電壓的變化，從而檢測接觸力的變化。壓電式柔性觸覺傳感器使用的壓電材料一般不需要外界供電，在受到外界壓力時，就能產(chǎn)生電荷，因此壓電式柔性觸覺傳感器具有較高的可靠性。圖2.7聚偏氟乙烯薄膜的仿人手指2.2.1機器人柔性觸覺傳感器-電容式柔性觸覺傳感器當受到外界壓力時，電容式柔性觸覺傳感器的電容值發(fā)生改變，將力學信號轉化為電學信號，從而起到檢測接觸力的作用。容式傳感器的設計分析設備和控制系統(tǒng)簡單，具有應變敏感性好、測量簡單、功耗低的優(yōu)點。圖2.8變極距型電容式傳感器的原理圖2.2.1機器人柔性觸覺傳感器對不同柔性觸覺傳感器的優(yōu)缺點總結如下表所示。類型優(yōu)點缺點壓阻式柔性觸覺傳感器性能穩(wěn)定，結構簡單明顯遲滯，功耗高壓電式柔性觸覺傳感器動態(tài)性能好，高靈敏度，信噪比高，工作可靠，測量范圍廣不適用于靜態(tài)測量電容式柔性觸覺傳感器靈敏度高，動態(tài)響應好易受干擾，檢測電路復雜磁電式柔性觸覺傳感器線性輸出，高功率輸出尺寸和重量都較大光學式柔性觸覺傳感器無串擾，可靠性高，高重復性彎曲或者裝配精度影響信號質量晶體管式柔性觸覺傳感器高靈敏度，高柔性結構復雜、工藝繁瑣陣列式觸覺傳感器是機器人最重要的傳感器之一，它具有強有力的感知能力，能夠實現(xiàn)很多視覺無法達到的功能，從而使機器人實現(xiàn)智能控制。國外的研究始于20世紀60年代后期，內容包含觸覺機理、結構、敏感材料、制造工藝和信息處理等方面。其中觸覺機理中包括壓阻式、電容式、電感式、壓電式以及光電式。在上世紀90年代時，陣列式觸覺傳感器的陣列數(shù)可達64*64，甚至更多，空間分辨力高至0.25μm或更高，而空間分辨率為觸覺傳感器敏感單元的尺寸大小，是評價觸覺傳感器識別目標表面形貌細節(jié)的重要指標之一，因此觸覺傳感器的陣列對未來機器人科技的發(fā)展起到十分重要的作用。但目前國內單獨對機器人陣列觸覺傳感器的研究較少，通常是與機器人觸覺傳感器的其他特性，如柔性、輕量等結合研究。下面主要介紹機器人壓阻式和電容式陣列觸覺傳感器原理及設計過程。2.2.2機器人陣列觸覺傳感器陣列的壓阻式觸覺傳感器出現(xiàn)彌補了壓阻式觸覺傳感器在更高維度的數(shù)據(jù)來判度力的大小、分布、以及接觸的部位這一方面的不足。壓阻式陣列觸覺傳感器的制作一般分為以下三步：（一）壓阻式觸覺傳感器的設計；（二）壓阻式傳感器的陣列中觸覺傳感單元排列和固定；（三）檢測信號的采集及分析。2.2.2機器人陣列觸覺傳感器-壓阻式陣列觸覺傳感器圖2.9壓阻式觸覺傳感器多層陣列機器人電容式觸覺陣列傳感器通過檢測電容變化量來測量受力的大小，此外，為了感覺更加細小單元的力，采用垂直交叉電極的形式，即陣列形式，可以減少引線的數(shù)目，通過對電容陣列傳感器的行、列掃描來確定受力點的位置。8*8電容式觸覺陣列傳感器，上層是帶有條形導電橡膠電極的硅橡膠層，中層用聚胺酯泡沫做介質，下層是帶有電容器條形下極板的印制電路板。為了從電容式觸覺陣列傳感器單元電容獲得電壓或電流的輸出，必須通過一個能夠將電容轉化為電壓信號的電路。這里采用了運算放大器測量電路，這種電路對于電容值小的電容傳感器的檢測是合適的，而且能得到較好的線性輸出。2.2.2機器人陣列觸覺傳感器-電容式陣列觸覺傳感器圖2.10電容式觸覺陣列傳感器壓覺傳感器又稱壓力覺傳感器是安裝于機器人手指上、用于感知被接觸物體壓力值大小的傳感器。壓覺傳感器常用的檢測元件種類很多，諸如電容、壓電元件，壓磁元件，應變片等，它們各自有不同的優(yōu)缺點，其中應變式壓覺傳感器最為常見。機器人硬度傳感器是能感受材料硬度并轉換成可用輸出信號的機器人觸覺傳感器。硬度是力學性能指標之一，它的重要性不僅體現(xiàn)在它的物理意義本身，還體現(xiàn)在它與抗拉強度和耐磨性等的密切關系上。大部分的接觸式機器人硬度傳感器適用于較硬生物組織硬度（彈性系數(shù)或彈性模量）的測量，在較軟生物組織硬度的測量上具有局限性，或者分辨率不夠。因此，在實際應用中使用連續(xù)的硬度標度，快速、準確地檢驗硬度十分必要。2.2.2機器人陣列觸覺傳感器-壓覺、硬度為了在抓握物體時確定一個適當?shù)奈樟χ担枰獙崟r檢測接觸表面的相對滑動，然后判斷握力，在不損傷物體的情況下逐漸增加力量，滑覺檢測功能是實現(xiàn)機器人柔性抓握的必備條件。滑覺傳感器按被測物體滑動方向可分為三類：無方向性單方向性全方向性傳感器其中無方向性傳感器只能檢測是否產(chǎn)生滑動，無法判別方向；單方向性傳感器只能檢測單一方向的滑移；全方向性傳感器可檢測個方向的滑動情況。力/力矩傳感器作為智能化空間機械臂的關鍵部件之一，可提供實時的力和力矩信息，幫助空間機械臂機器人系統(tǒng)實現(xiàn)自動反饋控制，因此越來越受到重視。2.2.2機器人陣列觸覺傳感器-滑覺、力矩2.3機器人觸覺感知的最新研究技術

20世紀90年代以來機器人觸覺感知技術的發(fā)展以向智能化方向發(fā)展為重要標志，呈現(xiàn)出一些新特點和趨勢．例如傳感型智能機器人發(fā)展加快，微型機器人的研究有所突破，新型智能機器人觸覺感知技術不斷開發(fā)，應用領域向非制造業(yè)和服務業(yè)擴展等。智能機器人觸覺感知技術的快速發(fā)展促進了機器人在制造領域的應用與發(fā)展，也使機器人開始向非制造領域擴展。這些非傳統(tǒng)領域有航天、海洋、軍事、醫(yī)療、護理、服務、農(nóng)林、采礦等。機器人在這些領域有著廣闊誘人的前景。在當今還不能或難以發(fā)展全自主智能機器人的情況下，工作于人機交互方式下的具有臨場感的遙操作機器人系統(tǒng)是完成復雜或有害以及人無法進入的環(huán)境下作業(yè)的有力手段，而微機器人在現(xiàn)代生物、醫(yī)學工程，微機械加工與裝配等工程中將大有作為，下面將重點介紹幾種機器人觸覺感知的最新研究技術。2.3.1神經(jīng)網(wǎng)絡智能算法

神經(jīng)網(wǎng)絡標志著人工智能發(fā)展的巨大飛躍，具有大規(guī)模并行處理、分布式信息存儲、良好的自組織自學習能力等特點，人工神經(jīng)網(wǎng)絡的智能算法應用于機器人智能感知，將為其注入新的血液?；谌S神經(jīng)網(wǎng)絡和高分辨率觸覺傳感器的機器人手爪主動觸覺感知方法。手爪在擠壓和釋放過程中，從觸覺傳感器讀取的壓力圖像被串聯(lián)成一個張量，其中包含了壓力矩陣隨抓握力變化的信息。這些張量被用來提供給3D卷積神經(jīng)網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡能夠通過主動交互對抓取的物體進行分類。結果表明，該方法在訓練數(shù)據(jù)較少的情況下提供了更好的識別。圖2.13由機器人操縱器形成的完整實驗系統(tǒng)2.3.2神經(jīng)元系統(tǒng)感知學習生物感官感知系統(tǒng)通過修改神經(jīng)元互連網(wǎng)絡之間的連接強度，將感知轉移到認知和意識，這使我們能夠精確地感知并對復雜的現(xiàn)實世界問題做出適當?shù)姆磻?。賦予機器人和假肢這種感知學習能力，可以潛在地擴展它們的認知和適應性。下圖為一種神經(jīng)形態(tài)觸覺處理系統(tǒng)，受體，傳遞的軸突和處理感覺神經(jīng)元中信息的突觸分別由電阻壓力傳感器，軟離子電纜和突觸晶體管，這種設計提供了一種事件驅動的方法，利用外部觸摸來激活觸覺設備。神經(jīng)形態(tài)觸覺處理系統(tǒng)的神經(jīng)元捕獲了生物感覺神經(jīng)元的基本形態(tài)，以整合和調節(jié)時空相關的觸覺刺激，從而實現(xiàn)并行的感覺信號處理。圖2.15神經(jīng)形態(tài)觸覺處理系統(tǒng)的概念設計圖2.3.3電子皮膚智能觸感隨著電子和計算機科學的快速發(fā)展，為了使人形機器人能夠提供先進的服務，使用人類皮膚啟發(fā)的人工智能皮膚來幫助它們與用戶互動并感知環(huán)境刺激，這引起越來越多的關注。為了完全模擬天然皮膚的觸感，將柔性有益水凝膠組裝到仿生皮膚中，創(chuàng)新性地將具有神經(jīng)網(wǎng)絡的原花青素/還原氧化石墨烯復合材料加入到甘油塑化聚乙烯醇-硼砂水凝膠體系中，以獲得仿生觸覺水凝膠電子皮膚。這種電子皮膚具有顯著的可穿戴性和應變敏感性，可以模擬和檢測一些真實的皮膚表皮運動，如手指彎曲、面部表情變化和喉嚨發(fā)聲。圖2.17仿生觸覺水凝膠電子皮膚實物與應用圖2.3.3電子皮膚智能觸感想要制作出能夠替代人體四肢的假肢，需要深入了解人體皮膚的組成及功能結構。解剖學告訴我們，人類的皮膚是多層結構，每一層都有其獨特的功能。具體來說，表皮形成了一層保護層；真皮層起到緩沖身體壓力和應變的作用，并能感知觸摸和熱。這種仿皮膚結構的傳感器陣列能夠實時感知和區(qū)分各種外部刺激的大小、位置和模式。同時針對這種仿生結構開發(fā)了一種簡單而有效的電極拓撲結構。為了能以高靈敏度和快速反應時間來感知溫和的滑動刺激、觸覺刺激和彎曲刺激，傳感層采用行+柱電極的雙層梳狀結構，消除了串擾，減少了連接線的數(shù)量。圖2.18受人體皮膚啟發(fā)的觸覺傳感器設計2.3.4多功能集成觸覺傳感隨著不同類型的機器人觸覺感知技術的發(fā)展，使機器人能夠感知多維物理變化成為研究主流，例如觸摸，壓力，和溫度。多個傳感器的集成仍然非常具有挑戰(zhàn)性，通常需要設計復雜的結構和制造工藝，并且可能遭受多種刺激感知的相互干擾。下圖展示的多功能觸覺傳感器集成了基于納米線的溫度傳感器和導電海綿壓力傳感器，可同時測量溫度變化率和接觸壓力。借助這款多功能觸覺傳感器，軟指可以快速識別三個接觸壓力范圍內的四種金屬和高接觸壓力范圍內的13種材料。圖2.19多功能軟機器人手指的示意圖2.4機器人觸覺感知的發(fā)展趨勢觸覺傳感技術的研究始于20世紀70年代。80年代是機器人觸覺傳感技術研究、發(fā)展的快速增長期，此期間對傳感器設計、原理和方法作了大量研究。90年代對觸覺傳感技術的研究繼續(xù)保持增長并多方向發(fā)展。在幾十年的發(fā)展歷程中，國內外的科研人員在傳感器工作機理的研究、敏感材料的開發(fā)、傳感器的結構設計、觸覺圖像的處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多種先進柔性材料的開發(fā)柔性碳材料的開發(fā)石墨烯新材料的發(fā)展，為下一代高靈敏柔性觸覺技術的發(fā)展提供了新的解決路徑。中國科學院重慶綠色智能技術研究院致力于三維共形微納石墨烯直接生長與柔性轉移技術研究。

2021年，鄭州大學劉春太教授、代坤教授和中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所潘曹峰研究員以頭足類動物皮膚的發(fā)光機制和蜘蛛狹縫器官的超靈敏反應型為靈感，開發(fā)了一種超靈敏自供電機械發(fā)光智能皮膚（SPMSS），該智能皮膚具有良好的電源供應和自供電傳感能力，2.4.1多種先進柔性材料的開發(fā)可自愈水凝膠的開發(fā)近年來，由于其柔韌性和生物相容性和可設計性，水凝膠被廣泛用于組織工程、可穿戴設備和柔性電極等各個領域。圖2.20雙網(wǎng)絡瓊脂水凝膠的制備和性能；（a）雙網(wǎng)絡瓊脂/AAC-Fe3+水凝膠的制備過程（b）兩片水凝膠的自愈過程2.4.1多種先進柔性材料的開發(fā)導電材料銀納米線（AgNW）的開發(fā)近年來，由于其柔韌性和生物相容性和可設計性，水凝膠被廣泛用于組織工程、可穿戴設備和柔性電極等各個領域。Oven:烘箱；O2plasma：氧等離子體；Hottable:加熱臺圖2.21AgNW/PDMS傳感器的制作過程2.4.2可穿戴觸覺傳感器的開發(fā)北京納米能源與系統(tǒng)研究所潘曹峰研究員團隊通過叉指微電極與納米纖維薄膜相結合設計并構筑了一種結構簡單的可穿戴高性能壓力傳感器，實現(xiàn)了高靈敏寬響應可穿戴壓力傳感。圖2.22基于新型二維材料MXene的可穿戴傳感器2.4.3植入式電子設備的研制材料科學和制造技術的快速進步極大促進了柔性可延展傳感電子器件的發(fā)展。采用柔性材料可以承受更多顯著的機械形變。當電子器件穿戴在人體皮膚或者彎曲表面時，器件和柔軟的人體組織之間的機械不匹配是該領域需要解決的關鍵科學問題