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機(jī)器人領(lǐng)域中,靈巧手的觸覺傳感器成為抓握的核心元件,感知技術(shù)演進(jìn)經(jīng)歷了數(shù)十年,從剛性感知路線逐漸發(fā)展為柔性、高靈敏、高陣列的方向。
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觸覺是人類皮膚的一項(xiàng)關(guān)鍵功能,通過物理接觸實(shí)現(xiàn)與周圍環(huán)境的互動(dòng)。
觸覺感受器通常基于觸摸/壓力檢測(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)外部刺激的反應(yīng),如壓力、彎曲、拉伸和溫度變化,從而識(shí)別接觸的物體。
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觸覺傳感器是用于機(jī)器人中模仿觸覺功能的傳感器。
其基本原理是通過向一個(gè)觸覺陣列施加壓力,產(chǎn)生電流,并通過更高層的算法實(shí)現(xiàn)軟硬件的協(xié)同反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)觸覺操作的反饋,以及輸入和輸出。
觸覺傳感器是機(jī)器人進(jìn)化的核心需要解決的問題,芝能科技將帶你逐步了解觸覺傳感器的技術(shù)原理、技術(shù)路線、發(fā)展趨勢(shì),讓你更了解智能AI機(jī)器人技術(shù)迭代。
Part 1
技術(shù)原理和關(guān)鍵指標(biāo)
觸覺傳感器的基本原理是將外部壓力轉(zhuǎn)化為電信號(hào),以估算和測(cè)量力和剪切力。這其中,關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)包括空間分辨率、力敏感性、減少零漂和邊緣層盲區(qū)檢測(cè),以及優(yōu)化處理數(shù)據(jù)的能力。觸覺傳感器需要考慮多個(gè)性能參數(shù),包括靈敏度、探測(cè)范圍、線性度、響應(yīng)時(shí)間和空間分辨率。這些性能要求高度依賴于目標(biāo)應(yīng)用程序。
觸覺傳感器的傳導(dǎo)原理可以參考人體皮膚的壓力感應(yīng)特性:
●靈敏度:是觸覺傳感器的關(guān)鍵參數(shù)之一,與檢測(cè)極限和施加壓力之間的微小差異有關(guān)。提高靈敏度的策略包括微結(jié)構(gòu)工程和傳感材料接觸的顯著變化。
●探測(cè)范圍和線性度:觸覺傳感器的探測(cè)范圍依賴于應(yīng)用需求,需要在大范圍的壓力下實(shí)現(xiàn)高靈敏度。線性度表示信號(hào)相對(duì)于施加的刺激的比例,高線性度有利于信號(hào)處理和校準(zhǔn)。
●響應(yīng)時(shí)間與遲滯:響應(yīng)時(shí)間決定了傳感器響應(yīng)外部刺激獲得穩(wěn)定輸出信號(hào)的時(shí)間,而遲滯則決定了施加和釋放壓力時(shí)輸出信號(hào)的一致性。這兩者在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)應(yīng)用中至關(guān)重要。
●空間分辨率與串?dāng)_:觸覺傳感器陣列的空間分辨率決定了是否能夠識(shí)別或操縱復(fù)雜觸覺信息。挑戰(zhàn)之一是減少來自相鄰單元的信號(hào)干擾,即串?dāng)_。
Part 2
技術(shù)路線:多種技術(shù)的演變
機(jī)器人觸覺傳感器的技術(shù)路線已經(jīng)衍生出多種類型,其中電阻式、電容式、壓電式、光學(xué)式、流體式等成為主流。這些傳感器在原理上各有千秋,但都致力于將外部施加的力轉(zhuǎn)化為電阻或電容的變化,實(shí)現(xiàn)對(duì)力和剪切力的測(cè)量。光學(xué)式傳感器具有較高的空間分辨率和較寬的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍,而流體式方案如BioTac通過柔性橡膠皮和離子導(dǎo)電流體實(shí)現(xiàn)對(duì)法向力和剪切力的測(cè)量。
Part 3
發(fā)展趨勢(shì):多模式和新型傳感器的涌現(xiàn)
近年來,學(xué)界和業(yè)界開始探索多模式和新型觸覺傳感器,以提升感知性能并降低生產(chǎn)難度。多模式觸覺傳感器融合多種傳感技術(shù),集成電氣接口并優(yōu)化制造流程,以實(shí)現(xiàn)多陣列單芯片。同時(shí),新型傳感器如量子隧道效應(yīng)傳感器、有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器、結(jié)構(gòu)聲觸覺傳感器和納米觸覺傳感器等不斷涌現(xiàn),為觸覺傳感技術(shù)的發(fā)展帶來新的可能性。
觸覺傳感器主要應(yīng)用于以下四個(gè)方面:
●讓假肢獲得接近真實(shí)的觸覺:觸覺傳感器通過模擬皮膚中的神經(jīng)元傳導(dǎo)信號(hào),實(shí)現(xiàn)了假肢對(duì)觸覺的模擬,創(chuàng)造出“電子皮膚”。
●力傳感器賦予工業(yè)機(jī)器人手腕觸覺:可感知機(jī)器人和機(jī)臺(tái)的所有力,為制造業(yè)引入工業(yè)機(jī)器人提供了重要的支持。
●觸覺傳感器應(yīng)用于仿生機(jī)器人:可在嚴(yán)苛的工作環(huán)境下進(jìn)行操作,替代人類進(jìn)行危險(xiǎn)或高強(qiáng)度的工作,同時(shí)獲取相應(yīng)的感知數(shù)據(jù)。
●柔性觸覺傳感器的崛起:近年來,柔性觸覺傳感技術(shù)的發(fā)展為穿戴設(shè)備和可穿戴技術(shù)提供了新的可能性,擴(kuò)大了觸覺傳感器的應(yīng)用范圍,涉及人機(jī)交互系統(tǒng)、智能機(jī)器人、移動(dòng)醫(yī)療等領(lǐng)域。
小結(jié)
觸覺傳感器技術(shù)的進(jìn)步在機(jī)器人領(lǐng)域催生了更靈活、智能的機(jī)械手,為特定任務(wù)的執(zhí)行提供了新的可能性。特斯拉的GEN2機(jī)器人展示了令人矚目的靈敏動(dòng)作,為觸覺傳感技術(shù)的未來發(fā)展提供了新的方向。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,觸覺傳感器有望成為更多智能系統(tǒng)的重要組成部分,為人機(jī)交互提供更為自然和智能的體驗(yàn)。