背景介紹

滿足人類需求的快速工業(yè)化導(dǎo)致自動化在制造、包裝、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)和食品工業(yè)中被廣泛采用。配備傳感器的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了“工業(yè)4.0”技術(shù)，如物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、大數(shù)據(jù)分析和人工智能，用于監(jiān)測和控制這些機(jī)器人的功能。目前，剛性機(jī)器人被廣泛采用，具有高度可靠性、準(zhǔn)確性和耐用性。

然而，處理更精細(xì)和脆弱的物體需要具有軟接口的機(jī)器人，這導(dǎo)致了人們對軟機(jī)器人的興趣增加。顧名思義，軟機(jī)器（soft robotics）人是由軟材料制成的，或者有一個(gè)覆蓋剛性骨架/支架的軟界面。軟體機(jī)器人具有靈活性，能夠快速適應(yīng)物體的形狀。機(jī)械柔順性顯著降低了抓取物體所施加的壓力，這與剛性機(jī)器人不同，剛性機(jī)器人的接觸面積由于抓取器的剛性形式而受到限制。軟機(jī)器人也非常適合安全優(yōu)先的醫(yī)療保健等應(yīng)用。

此外，由于其柔軟且無關(guān)節(jié)的身體，軟機(jī)器人可以訪問遠(yuǎn)程區(qū)域并執(zhí)行使用硬機(jī)器人難以完成的功能。根據(jù)應(yīng)用類型，軟機(jī)器人可以有各種形狀、形式和驅(qū)動機(jī)制，如抓握、移動、水下探索、飛行等。本綜述的主要重點(diǎn)是集成到軟機(jī)器人抓取器中的傳感器，這些傳感器在農(nóng)業(yè)收割、倉庫管理和醫(yī)療保健方面越來越受歡迎。

軟機(jī)器人具有獨(dú)特的特性，如大自由度、高機(jī)械柔順性以及通過內(nèi)部驅(qū)動和外部負(fù)載進(jìn)行變形的能力。這使得在三維（3D）空間中準(zhǔn)確地檢測機(jī)器人抓取器的每個(gè)部分的形狀和位置具有挑戰(zhàn)性。與依賴關(guān)節(jié)和四肢精確控制的剛性機(jī)器人不同，軟機(jī)器人控制需要形態(tài)計(jì)算，這取決于機(jī)器人的形態(tài)和材料特性。這就需要使用具有可編程材料特性的軟材料。然而，與剛性關(guān)節(jié)的簡單運(yùn)動學(xué)相比，軟材料動力學(xué)建模要復(fù)雜得多，這使得控制和監(jiān)測軟機(jī)器人不同部件的形狀和位置具有挑戰(zhàn)性。

為了克服這一挑戰(zhàn)，將傳感器集成到軟機(jī)器人中至關(guān)重要。這些傳感器能夠監(jiān)測和控制軟機(jī)器人不同部件的形狀和位置。此外，傳感器可以增強(qiáng)軟機(jī)器人對外部刺激的感知，如溫度、pH、化學(xué)品、壓力、光和聲音，這大大拓寬了軟機(jī)器人的應(yīng)用范圍。在傳感器的幫助下，軟機(jī)器人可以在醫(yī)療保健、農(nóng)業(yè)和倉庫管理等不同領(lǐng)域執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)。將傳感器集成到軟機(jī)器人中是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)閭鞲衅鞅仨毮軌蚺c機(jī)器人一起拉伸、彎曲和變形，而不會阻礙機(jī)器人的自由運(yùn)動，同時(shí)在傳感過程中保持其柔軟性。這導(dǎo)致了與軟傳感器相關(guān)的非線性、奇異配置和非唯一映射。解決這些問題需要對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的建模和分析，以準(zhǔn)確地將環(huán)境刺激映射到傳感器數(shù)據(jù)。此外，為了增加傳感器的功能，軟機(jī)器人必須配備高時(shí)空分辨率的傳感器。

然而，這會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，必須快速處理才能進(jìn)行閉環(huán)監(jiān)測和控制。隨著對軟夾持器的需求不斷增長，人們越來越需要集成各種傳感器，如水果成熟度、溫度、接近度、食物變質(zhì)、pH值、氣體傳感器等。因此，選擇合適的傳感機(jī)制、傳感器的數(shù)量及其智能集成對于最小化微控制器上的計(jì)算負(fù)載，實(shí)現(xiàn)高效的傳感器集成至關(guān)重要。隨著傳感器成功集成到軟機(jī)器人中，它們可以在各種應(yīng)用中執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，并提高準(zhǔn)確性和效率。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，有必要對制造工藝的設(shè)計(jì)和選擇進(jìn)行適當(dāng)?shù)母淖?。一個(gè)能夠?qū)⒍嗖牧霞傻綇?fù)雜形狀中的新興領(lǐng)域是多材料增材制造。該技術(shù)有助于高效可靠地制造具有集成傳感器的軟機(jī)器人。此外，最大限度地減少智能軟機(jī)器人制造過程中涉及的步驟數(shù)量并使過程自動化對于提高致動和傳感功能的可靠性和可重復(fù)性至關(guān)重要。

本文亮點(diǎn)

1. 這篇綜述重點(diǎn)介紹了用于軟機(jī)器人的傳感技術(shù)的最新進(jìn)展。

2. 它首先介紹了軟機(jī)器人的驅(qū)動技術(shù)和材料選擇，然后深入探討了各種類型的傳感器及其集成方法，以及多模態(tài)傳感、信號處理和控制策略的好處。

3. 綜述中還簡要介紹了軟機(jī)器人領(lǐng)域的當(dāng)前市場領(lǐng)導(dǎo)者，以說明對該技術(shù)日益增長的需求。

圖文解析

圖1 構(gòu)建智能軟機(jī)器人的組件和注意事項(xiàng)。該圖強(qiáng)調(diào)了構(gòu)建智能軟機(jī)器人所必需的關(guān)鍵組件，包括驅(qū)動、傳感、操作能量/燃料，以及控制和通信電子設(shè)備。此外，還描述了制造方法、設(shè)計(jì)、控制算法和應(yīng)用方面的重要考慮因素。

圖2 軟機(jī)器人的驅(qū)動技術(shù)

圖3 軟機(jī)器人中通常使用的不同致動機(jī)構(gòu)的功耗比較

圖4 用于軟機(jī)器人的典型彈性體的材料特性。（a） 各種材料的楊氏模量。（b） 典型彈性體的斷裂伸長率和拉伸強(qiáng)度。（c） 各類彈性體肖氏硬度與抗拉強(qiáng)度的比較。（d） 傳感器和基板剛度組合的不同場景，用于軟機(jī)器人中傳感器的集成。

圖5 用于軟機(jī)器人的電阻式、壓阻式和電容式傳感器

圖6 用于軟機(jī)器人的光學(xué)傳感器

圖7 用于軟機(jī)器人的各種其他類型的傳感器

圖8 軟機(jī)器人上的集成多模式傳感器

圖9?軟機(jī)器人上的集成多模式傳感器

圖10 用于軟機(jī)器人控制的各種信號處理和控制策略

圖11 軟機(jī)器人中的一些相關(guān)信號處理技術(shù)。（a） 基于傳感器數(shù)據(jù)的信號處理和后續(xù)執(zhí)行器控制的工作流程。（b） 在機(jī)器人手指和手上集成軟電子皮膚，用于觸摸、接近、溫度和危險(xiǎn)物質(zhì)的多模式檢測（c），以及用于對從傳感器收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的相應(yīng)電子電路。（d） 用于異步編碼電子皮膚（ACES）的多陣列傳感器的數(shù)據(jù)處理的電子電路，以及（e）機(jī)械手上的壓力和溫度傳感器陣列的相應(yīng)集成。

圖12 軟機(jī)器人閉環(huán)控制的例子

圖13 具有傳感能力的軟機(jī)器人的各種應(yīng)用

圖14 假肢中集成傳感器的軟機(jī)器人示例

審核編輯：劉清