壓力傳感器在機器人領域的應用

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

僅配備攝像頭和加速度計的機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動及關節(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器人在復雜環(huán)境中自適應移動、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的能力。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，壓力傳感器可用于向機器人提供關鍵的觸覺反饋，以擴展機器人的能力。連續(xù)監(jiān)測機器人關節(jié)和執(zhí)行器內的氣動和液壓壓力可為機器人提供對自身運動和扭矩程度的本體感覺。這種反饋允許對運動進行高級控制以及施加有針對性的關節(jié)力。

在機器人表面包覆保形、柔韌的壓力傳感器陣列，可產生一種人工觸覺。類似皮膚的壓力傳感器層可以檢測和繪制來自接觸、人機互動或碰撞的外力，使機器人能夠對這些力做出反應。有了足夠的壓力數(shù)據(jù)集成到控制回路中，機器人可以實現(xiàn)類似人類的靈活性和適應性。觸覺壓力反饋可使機器人在工廠環(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、救災和太空探索等高風險環(huán)境中的機器人運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。

壓力傳感器在機器人領域的應用

壓力傳感器在當代機器人中發(fā)揮著基礎性作用，但它們的價值往往被低估了。壓力傳感器提供對內部氣動和液壓壓力、外力和環(huán)境條件的連續(xù)監(jiān)測。這為機器人提供了關鍵的反饋，增強了內部監(jiān)控、靈活的運動控制、環(huán)境交互和觸覺感知。一個關鍵的應用是本體感覺傳感器，即利用關節(jié)內的壓力測量來計算施加的扭矩和力。這些關于機器人運動和負載的信息可以實現(xiàn)更精確的控制，大大增強了機器人的操縱能力和穩(wěn)定性。肌腱驅動的機器人使用壓力傳感器來測量肌腱張力，這與關節(jié)處產生的力直接相關。更傳統(tǒng)的機器人技術是通過安裝測壓元件來測量關節(jié)壓差并推斷扭矩的。

一些先進的系統(tǒng)將超小型的微機電系統(tǒng)（MEMS）壓力傳感器直接應用于機器人關節(jié)，以提供高分辨率的本體感覺反饋。這種MEMS壓力傳感器技術堪比生物本體感覺，使機器人能夠意識到自己的運動和負載情況。同樣，將MEMS壓力傳感器集成到機器人外部的外表皮可提供關于接觸力的觸覺反饋。帶有多個單獨壓力傳感器的大型傳感器陣列有助于繪制機器人身體上力的分布及其大小。

該大型傳感器陣列可使機器人對身體接觸做出恰當?shù)姆磻?，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器人提供復雜的環(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也適用于缺乏實體框架的軟體機器人。通過控制接觸力，壓力傳感器可進一步幫助機器人在其自身間或與人類碰撞時做出安全反應。

機器人內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，通過壓力的異常下降可以檢測泄漏，從而保證在機器人完全故障之前對其進行維修保養(yǎng)。利用壓差原理的流量傳感器可以監(jiān)測泵和電機的運行情況。通過機器人上升或下降時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。

在機器人體內安裝帶有防水膜的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水情況。隨后，機器人會采取行動來保護內部組件或發(fā)出援助信號。

技術創(chuàng)新推動進步

技術上的幾個重大進展促進了壓力傳感器在機器人領域更普遍、更強大的應用的實現(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器人關節(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的數(shù)字濾波、閉環(huán)控制和基于軟件的壓力開關等先進的功能。這些傳感器的完全集成形式，提供了精確的運動控制和靈活的物體操縱能力所需的基本內部扭矩和力的反饋。

用量子隧道復合材料、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雜的關節(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器人全身進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器人在協(xié)作工作場景安全地檢測、反應以及與人類互動。

關于數(shù)據(jù)處理，可以使用深度神經網絡等先進的機器學習（ML）方法，利用來自傳感器陣列的實時壓力數(shù)據(jù)來優(yōu)化控制和響應。計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、指揮機械臂運動。例如，一項研究利用壓力輸入的強化學習來訓練具有高靈活操作技能的機械臂，例如在手掌中滾動球的動作。

采用流體彈性體技術的新型軟體執(zhí)行器和夾持器在很大程度上依賴于監(jiān)測整個結構的壓力，以實現(xiàn)精確控制和反饋。這些集成了壓力傳感器的氣動軟體機器人執(zhí)行器可以用于平穩(wěn)地適應被抓取的物體。這項技術允許在共享工作場景中進行更安全的物理性人機協(xié)作，而在共享工作場景使用傳統(tǒng)的剛性機器人則會帶來很大風險。

隨著各類技術創(chuàng)新的發(fā)展，壓力傳感器有望成為嵌入未來機器人技術（從工業(yè)自動化到醫(yī)療設備）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現(xiàn)響應式、自適應機器人的潛力。

未來機器人：類人觸覺傳感

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

類人靈活性：有了足夠的觸覺壓力數(shù)據(jù)，機器人可以實現(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、手術等領域的自動化。

危險環(huán)境中的操作：集成壓力傳感器的耐用機器人可以執(zhí)行高風險任務，例如采礦、深?？碧?、災難應對和人類直接參與會有極大危險的太空任務。壓力數(shù)據(jù)有助于機器人針對各種復雜環(huán)境做出相應反應以更好的適應該環(huán)境。

無縫人機協(xié)作：超靈敏的壓力傳感器皮膚將使未來的機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。

智能基礎設施：集成壓力傳感器皮膚的機器人檢查員可以用于監(jiān)測風力渦輪機、輸油管道、橋梁和其它基礎設施。壓力數(shù)據(jù)可警報任何正在發(fā)展的故障。

醫(yī)學應用：觸覺壓力傳感器將促進機器人在手術、假肢、康復和輔助機器人等應用上的突破，在這些領域，與人類的安全互動至關重要。

隨著成本的降低和集成技術的進步，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，進而成為先進機器人的標準感知模式。壓力傳感器使未來有能力和可用的機器人能夠在動態(tài)的現(xiàn)實世界與人類一起高效安全地運行。

結論

壓力傳感器為機器人提供了關鍵功能，包括用于響應交互的觸覺傳感和用于靈活操作的本體感覺。同時，壓力傳感器對內部液壓、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。

柔性印刷陣列、MEMS傳感器和機器學習集成的持續(xù)發(fā)展將促進多模式機器人感知和無縫人機協(xié)作的突破。隨著成本的降低，壓力傳感器顯示出將標準反饋模式集成到未來機器人設計中的光明前景，應用領域涵蓋醫(yī)療、工業(yè)、輔助、危險環(huán)境和基礎設施監(jiān)測等。壓力傳感器為機器人提供了在動態(tài)物理世界中可靠、安全和智能運行所需的反饋，這具有巨大的應用發(fā)展?jié)摿Α?/p>

編輯：黃飛

?