幾十年來(lái)，工業(yè)和服務(wù)機(jī)器人一直嚴(yán)重依賴視覺(jué)系統(tǒng)和慣性傳感器來(lái)感知周?chē)氖澜绮⑴c之交互。然而，這些方式缺乏關(guān)鍵的類人觸覺(jué)。

僅配備攝像頭和加速度計(jì)的機(jī)器人無(wú)法收集物體的表面紋理數(shù)據(jù)、無(wú)法檢測(cè)觸覺(jué)物理力及獲取自身運(yùn)動(dòng)及關(guān)節(jié)位置的本體感覺(jué)反饋。這種觸覺(jué)意識(shí)的缺乏極大地限制了機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中自適應(yīng)移動(dòng)、靈活處理物品以及以安全的方式對(duì)身體部位與身邊物體的接觸做出合適反應(yīng)的能力。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，壓力傳感器可用于向機(jī)器人提供關(guān)鍵的觸覺(jué)反饋，以擴(kuò)展機(jī)器人的能力。連續(xù)監(jiān)測(cè)機(jī)器人關(guān)節(jié)和執(zhí)行器內(nèi)的氣動(dòng)和液壓壓力可為機(jī)器人提供對(duì)自身運(yùn)動(dòng)和扭矩程度的本體感覺(jué)。這種反饋允許對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行高級(jí)控制以及施加有針對(duì)性的關(guān)節(jié)力。

在機(jī)器人表面包覆保形、柔韌的壓力傳感器陣列，可產(chǎn)生一種人工觸覺(jué)。類似皮膚的壓力傳感器層可以檢測(cè)和繪制來(lái)自接觸、人機(jī)互動(dòng)或碰撞的外力，使機(jī)器人能夠?qū)@些力做出反應(yīng)。有了足夠的壓力數(shù)據(jù)集成到控制回路中，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)類似人類的靈活性和適應(yīng)性。觸覺(jué)壓力反饋可使機(jī)器人在工廠環(huán)境中與人類同事安全無(wú)縫地協(xié)作。這也為醫(yī)療保健、國(guó)防、救災(zāi)和太空探索等高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境中的機(jī)器人運(yùn)作帶來(lái)了巨大的希望，在這些環(huán)境中，盲目自動(dòng)化是行不通的。

壓力傳感器在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用

壓力傳感器在當(dāng)代機(jī)器人中發(fā)揮著基礎(chǔ)性作用，但它們的價(jià)值往往被低估了。壓力傳感器提供對(duì)內(nèi)部氣動(dòng)和液壓壓力、外力和環(huán)境條件的連續(xù)監(jiān)測(cè)。這為機(jī)器人提供了關(guān)鍵的反饋，增強(qiáng)了內(nèi)部監(jiān)控、靈活的運(yùn)動(dòng)控制、環(huán)境交互和觸覺(jué)感知。一個(gè)關(guān)鍵的應(yīng)用是本體感覺(jué)傳感器，即利用關(guān)節(jié)內(nèi)的壓力測(cè)量來(lái)計(jì)算施加的扭矩和力。這些關(guān)于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和負(fù)載的信息可以實(shí)現(xiàn)更精確的控制，大大增強(qiáng)了機(jī)器人的操縱能力和穩(wěn)定性。肌腱驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人使用壓力傳感器來(lái)測(cè)量肌腱張力，這與關(guān)節(jié)處產(chǎn)生的力直接相關(guān)。更傳統(tǒng)的機(jī)器人技術(shù)是通過(guò)安裝測(cè)壓元件來(lái)測(cè)量關(guān)節(jié)壓差并推斷扭矩的。

一些先進(jìn)的系統(tǒng)將超小型的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）壓力傳感器直接應(yīng)用于機(jī)器人關(guān)節(jié)，以提供高分辨率的本體感覺(jué)反饋。這種MEMS壓力傳感器技術(shù)堪比生物本體感覺(jué)，使機(jī)器人能夠意識(shí)到自己的運(yùn)動(dòng)和負(fù)載情況。同樣，將MEMS壓力傳感器集成到機(jī)器人外部的外表皮可提供關(guān)于接觸力的觸覺(jué)反饋。帶有多個(gè)單獨(dú)壓力傳感器的大型傳感器陣列有助于繪制機(jī)器人身體上力的分布及其大小。

該大型傳感器陣列可使機(jī)器人對(duì)身體接觸做出恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，包括輕柔的觸摸或破壞性的碰撞。這類有觸覺(jué)的“皮膚”系統(tǒng)利用保形、柔韌的壓力傳感器矩陣為機(jī)器人提供復(fù)雜的環(huán)境意識(shí)和類人觸覺(jué)。而其它環(huán)境下的相互作用可利用差壓傳感器來(lái)檢測(cè)判別碰撞。通過(guò)測(cè)量充滿液體的氣囊內(nèi)的壓力波動(dòng)，傳感器可以檢測(cè)出即將發(fā)生的撞擊，幫助啟動(dòng)支撐操作。這種碰撞傳感器技術(shù)也適用于缺乏實(shí)體框架的軟體機(jī)器人。通過(guò)控制接觸力，壓力傳感器可進(jìn)一步幫助機(jī)器人在其自身間或與人類碰撞時(shí)做出安全反應(yīng)。

機(jī)器人內(nèi)部的壓力傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)液壓和氣動(dòng)系統(tǒng)，保證其能夠移動(dòng)。同時(shí)，通過(guò)壓力的異常下降可以檢測(cè)泄漏，從而保證在機(jī)器人完全故障之前對(duì)其進(jìn)行維修保養(yǎng)。利用壓差原理的流量傳感器可以監(jiān)測(cè)泵和電機(jī)的運(yùn)行情況。通過(guò)機(jī)器人上升或下降時(shí)的壓力差可檢測(cè)高度和深度的變化。這種感官反饋支持可靠、穩(wěn)定的移動(dòng)性。此外，如果機(jī)器人在戶外或苛刻的環(huán)境中工作，壓力傳感器可以使其具有耐候性。

在機(jī)器人體內(nèi)安裝帶有防水膜的MEMS壓力傳感器，可以在電氣組件損壞前快速檢測(cè)到雨水或水泛濫引起的進(jìn)水情況。隨后，機(jī)器人會(huì)采取行動(dòng)來(lái)保護(hù)內(nèi)部組件或發(fā)出援助信號(hào)。

技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)進(jìn)步

技術(shù)上的幾個(gè)重大進(jìn)展促進(jìn)了壓力傳感器在機(jī)器人領(lǐng)域更普遍、更強(qiáng)大的應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。MEMS制造允許使用高分辨率和極其緊湊的壓差傳感器，該傳感器可以將本體感覺(jué)集成到機(jī)器人關(guān)節(jié)和執(zhí)行器中。例如，Superior Sensor Technology的MEMS壓力傳感器集成了包括先進(jìn)的數(shù)字濾波、閉環(huán)控制和基于軟件的壓力開(kāi)關(guān)等先進(jìn)的功能。這些傳感器的完全集成形式，提供了精確的運(yùn)動(dòng)控制和靈活的物體操縱能力所需的基本內(nèi)部扭矩和力的反饋。

用量子隧道復(fù)合材料、石墨烯或其它納米材料印刷的柔性壓力傳感器陣列，也能使包覆著機(jī)器人的電子皮膚層保形且具有可拉伸性。注入納米管的乳膠等材料制作的傳感器皮膚可以在復(fù)雜的關(guān)節(jié)和表面上拉伸。這種使用柔性印刷傳感器的人工觸覺(jué)可以在機(jī)器人全身進(jìn)行高空間分辨率的密集壓力映射。類似皮膚的精確跟蹤允許機(jī)器人在協(xié)作工作場(chǎng)景安全地檢測(cè)、反應(yīng)以及與人類互動(dòng)。

關(guān)于數(shù)據(jù)處理，可以使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）方法，利用來(lái)自傳感器陣列的實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化控制和響應(yīng)。計(jì)算模型使用本體感覺(jué)和觸覺(jué)傳感器的壓力模式來(lái)傳遞反射反應(yīng)、指揮機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)。例如，一項(xiàng)研究利用壓力輸入的強(qiáng)化學(xué)習(xí)來(lái)訓(xùn)練具有高靈活操作技能的機(jī)械臂，例如在手掌中滾動(dòng)球的動(dòng)作。

采用流體彈性體技術(shù)的新型軟體執(zhí)行器和夾持器在很大程度上依賴于監(jiān)測(cè)整個(gè)結(jié)構(gòu)的壓力，以實(shí)現(xiàn)精確控制和反饋。這些集成了壓力傳感器的氣動(dòng)軟體機(jī)器人執(zhí)行器可以用于平穩(wěn)地適應(yīng)被抓取的物體。這項(xiàng)技術(shù)允許在共享工作場(chǎng)景中進(jìn)行更安全的物理性人機(jī)協(xié)作，而在共享工作場(chǎng)景使用傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人則會(huì)帶來(lái)很大風(fēng)險(xiǎn)。

隨著各類技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展，壓力傳感器有望成為嵌入未來(lái)機(jī)器人技術(shù)（從工業(yè)自動(dòng)化到醫(yī)療設(shè)備）的重要集成反饋模式。人們開(kāi)始了解通過(guò)人工觸摸傳感器實(shí)現(xiàn)響應(yīng)式、自適應(yīng)機(jī)器人的潛力。

未來(lái)機(jī)器人：類人觸覺(jué)傳感

隨著壓力傳感器和集成技術(shù)的不斷發(fā)展，具有人工觸摸傳感的機(jī)器人將革新許多領(lǐng)域：

類人靈活性：有了足夠的觸覺(jué)壓力數(shù)據(jù)，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)非常類人的靈活性，高精度地操縱各種重量、紋理和形狀的物體。這種靈活性將推動(dòng)制造、倉(cāng)儲(chǔ)、手術(shù)等領(lǐng)域的自動(dòng)化。

危險(xiǎn)環(huán)境中的操作：集成壓力傳感器的耐用機(jī)器人可以執(zhí)行高風(fēng)險(xiǎn)任務(wù)，例如采礦、深?？碧?、災(zāi)難應(yīng)對(duì)和人類直接參與會(huì)有極大危險(xiǎn)的太空任務(wù)。壓力數(shù)據(jù)有助于機(jī)器人針對(duì)各種復(fù)雜環(huán)境做出相應(yīng)反應(yīng)以更好的適應(yīng)該環(huán)境。

無(wú)縫人機(jī)協(xié)作：超靈敏的壓力傳感器皮膚將使未來(lái)的機(jī)器人能夠與人類同事安全無(wú)縫地協(xié)作。在物理交互過(guò)程中，壓力反饋會(huì)抑制有害的接觸力。

智能基礎(chǔ)設(shè)施：集成壓力傳感器皮膚的機(jī)器人檢查員可以用于監(jiān)測(cè)風(fēng)力渦輪機(jī)、輸油管道、橋梁和其它基礎(chǔ)設(shè)施。壓力數(shù)據(jù)可警報(bào)任何正在發(fā)展的故障。

醫(yī)學(xué)應(yīng)用：觸覺(jué)壓力傳感器將促進(jìn)機(jī)器人在手術(shù)、假肢、康復(fù)和輔助機(jī)器人等應(yīng)用上的突破，在這些領(lǐng)域，與人類的安全互動(dòng)至關(guān)重要。

隨著成本的降低和集成技術(shù)的進(jìn)步，觸覺(jué)壓力傳感器可能會(huì)與視覺(jué)、位置和慣性傳感器一起集成，進(jìn)而成為先進(jìn)機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)感知模式。壓力傳感器使未來(lái)有能力和可用的機(jī)器人能夠在動(dòng)態(tài)的現(xiàn)實(shí)世界與人類一起高效安全地運(yùn)行。

結(jié)論

壓力傳感器為機(jī)器人提供了關(guān)鍵功能，包括用于響應(yīng)交互的觸覺(jué)傳感和用于靈活操作的本體感覺(jué)。同時(shí)，壓力傳感器對(duì)內(nèi)部液壓、外部接觸力和環(huán)境條件的持續(xù)監(jiān)測(cè)提供了壓力數(shù)據(jù)，使機(jī)器人能夠以類似人類的靈敏度移動(dòng)、處理物體和對(duì)物理刺激做出反應(yīng)。

柔性印刷陣列、MEMS傳感器和機(jī)器學(xué)習(xí)集成的持續(xù)發(fā)展將促進(jìn)多模式機(jī)器人感知和無(wú)縫人機(jī)協(xié)作的突破。隨著成本的降低，壓力傳感器顯示出將標(biāo)準(zhǔn)反饋模式集成到未來(lái)機(jī)器人設(shè)計(jì)中的光明前景，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋醫(yī)療、工業(yè)、輔助、危險(xiǎn)環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)等。壓力傳感器為機(jī)器人提供了在動(dòng)態(tài)物理世界中可靠、安全和智能運(yùn)行所需的反饋，這具有巨大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿Α?/p>

編輯：黃飛

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