幾十年來，工業(yè)和服務(wù)機(jī)器人一直嚴(yán)重依賴視覺系統(tǒng)和慣性傳感器來感知周圍的世界并與之交互。然而，這些方式缺乏關(guān)鍵的類人觸覺。

僅配備攝像頭和加速度計(jì)的機(jī)器人無法收集物體的表面紋理數(shù)據(jù)、無法檢測觸覺物理力及獲取自身運(yùn)動及關(guān)節(jié)位置的本體感覺反饋。這種觸覺意識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、靈活處理物品以及以安全的方式對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)鍵的觸覺反饋，以擴(kuò)展機(jī)器人的能力。連續(xù)監(jiān)測機(jī)器人關(guān)節(jié)和執(zhí)行器內(nèi)的氣動和液壓壓力可為機(jī)器人提供對自身運(yùn)動和扭矩程度的本體感覺。這種反饋允許對運(yùn)動進(jìn)行高級控制以及施加有針對性的關(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。類似皮膚的壓力傳感器層可以檢測和繪制來自接觸、人機(jī)互動或碰撞的外力，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縫地協(xié)作。這也為醫(yī)療保健、國防、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)作帶來了巨大的希望，在這些環(huán)境中，盲目自動化是行不通的。

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。壓力傳感器提供對內(nèi)部氣動和液壓壓力、外力和環(huán)境條件的連續(xù)監(jiān)測。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)動控制、環(huán)境交互和觸覺感知。一個(gè)關(guān)鍵的應(yīng)用是本體感覺傳感器，即利用關(guān)節(jié)內(nèi)的壓力測量來計(jì)算施加的扭矩和力。這些關(guān)于機(jī)器人運(yùn)動和負(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)動的機(jī)器人使用壓力傳感器來測量肌腱張力，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)是通過安裝測壓元件來測量關(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反饋。這種MEMS壓力傳感器技術(shù)堪比生物本體感覺，使機(jī)器人能夠意識到自己的運(yùn)動和負(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)境意識和類人觸覺。而其它環(huán)境下的相互作用可利用差壓傳感器來檢測判別碰撞。通過測量充滿液體的氣囊內(nèi)的壓力波動，傳感器可以檢測出即將發(fā)生的撞擊，幫助啟動支撐操作。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監(jiān)測液壓和氣動系統(tǒng)，保證其能夠移動。同時(shí)，通過壓力的異常下降可以檢測泄漏，從而保證在機(jī)器人完全故障之前對其進(jìn)行維修保養(yǎng)。利用壓差原理的流量傳感器可以監(jiān)測泵和電機(jī)的運(yùn)行情況。通過機(jī)器人上升或下降時(shí)的壓力差可檢測高度和深度的變化。這種感官反饋支持可靠、穩(wěn)定的移動性。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到雨水或水泛濫引起的進(jìn)水情況。隨后，機(jī)器人會采取行動來保護(hù)內(nèi)部組件或發(fā)出援助信號。

技術(shù)創(chuàng)新推動進(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)作工作場景安全地檢測、反應(yīng)以及與人類互動。

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，利用來自傳感器陣列的實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)來優(yōu)化控制和響應(yīng)。計(jì)算模型使用本體感覺和觸覺傳感器的壓力模式來傳遞反射反應(yīng)、指揮機(jī)械臂運(yùn)動。例如，一項(xiàng)研究利用壓力輸入的強(qiáng)化學(xué)習(xí)來訓(xùn)練具有高靈活操作技能的機(jī)械臂，例如在手掌中滾動球的動作。

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，而在共享工作場景使用傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人則會帶來很大風(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機(jī)器人技術(shù)（從工業(yè)自動化到醫(yī)療設(shè)備）的重要集成反饋模式。人們開始了解通過人工觸摸傳感器實(shí)現(xiàn)響應(yīng)式、自適應(yīng)機(jī)器人的潛力。

未來機(jī)器人：類人觸覺傳感

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。這種靈活性將推動制造、倉儲、手術(shù)等領(lǐng)域的自動化。

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)對和人類直接參與會有極大危險(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。

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

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，與人類的安全互動至關(guān)重要。

隨著成本的降低和集成技術(shù)的進(jìn)步，觸覺壓力傳感器可能會與視覺、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。壓力傳感器使未來有能力和可用的機(jī)器人能夠在動態(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)交互的觸覺傳感和用于靈活操作的本體感覺。同時(shí)，壓力傳感器對內(nèi)部液壓、外部接觸力和環(huán)境條件的持續(xù)監(jiān)測提供了壓力數(shù)據(jù)，使機(jī)器人能夠以類似人類的靈敏度移動、處理物體和對物理刺激做出反應(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)測等。壓力傳感器為機(jī)器人提供了在動態(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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