机器人感知智能 教案-第2章 机器人触觉感知

PAGEPAGE27授课周次第周授课时间2024年月日至2024年月日课程章节第二章机器人触觉感知2.1机器人触觉感知概述2.2机器人触觉感知传感器类型1、机器人柔性触觉传感器2、机器人阵列触觉传感器3、机器人压觉传感器4、机器人硬度传感器5、机器人滑觉传感器6、机器人空间机械臂力/力矩传感器教学目的1、理解机器人触觉感知概念2、理解机器人触觉感知类型内容提要及板书设计第二章机器人触觉感知2.1机器人触觉感知概述2.2机器人触觉感知传感器类型1、机器人柔性触觉传感器2、机器人阵列触觉传感器3、机器人压觉传感器4、机器人硬度传感器5、机器人滑觉传感器6、机器人空间机械臂力/力矩传感器重点、难点及解决方案重点：机器人触觉感知概念难点：机器人柔性和阵列触觉感知原理教学内容时间分配序号教学内容1机器人触觉感知概念102机器人触觉感知类型203机器人柔性和阵列触觉感知204机器人压觉、硬度、滑觉感知205机器人空间机械臂力/力矩传感器20教学手段讲解教学形式（在右栏勾选）理实一体（）理论教学（）实验（）实训（）上机（）作业作业完成方式书面（）电子（）教学后记注：教案按周次填写，课堂组织和教学过程设计填写在附页中。附页：第周序号具体内容（课堂组织和教学过程设计）授课改进意见及实时教学效果记录第2章机器人触觉感知2.1机器人触觉感知概述机器人触觉是模拟人的感觉，广义的说它包括接触觉、压觉、力觉、滑觉、冷热觉等与接触有关的感觉，狭义的说它是机械手与对象接触面上的力感觉机器人假手获取触觉信息一般是通过触觉传感器实现的，通过加载在机器人假手上的触觉传感器，假手的控制单元能收到假手抓握时的触觉信息，并根据触觉信息来调控假手的抓握力度。图2.1配备触觉传感器的智能机器人手随着硅材料微加工技术和计算机技术的发展，触觉传感器已逐步实现了集成化、微型化和智能化。2.2机器人触觉感知传感器类型按照所实现的功能，触觉传感器可分为接触觉传感器、力-力矩觉传感器、压觉传感器、硬度传感器、表面粗糙度传感器和滑觉传感器等。针对接触觉传感器还可分为柔性触觉传感器和阵列触觉传感器。2.2.1机器人柔性触觉传感器一、压阻式柔性触觉传感器柔性触觉传感器的实现方式很多，主要分为压阻式、压电式和电容式。相较于压电式和电容式，压阻式柔性触觉传感器监测范围大、灵敏度高、成本低廉、工艺简单，是过去和未来柔性触觉传感器发展的主要方向。图2.2压阻式柔性触觉传感器由于导电敏感材料的不同，压阻式柔性触觉传感器可以分为基于导电聚合物的压阻式柔性触觉传感器和基于导电溶液的压阻式柔性触觉传感器。二、压电式柔性触觉传感器压电式柔性触觉传感器是基于压电材料的压电效应，基于压电效应的压电触觉传感器由于其结构简单、功耗低、经久耐用、灵敏度高、可靠性好等优点而被广泛使用。图2.4压电效应原理常用的压电材料有聚偏氟乙烯高分子薄膜、压电陶瓷以及部分金属氧化物等。基于聚偏氟乙烯高分子薄膜设计的仿人手指压电式柔性触觉传感器。图2.7聚偏氟乙烯薄膜设计的仿人手指对不同柔性触觉传感器的优缺点总结如下表所示。2.2.2机器人阵列触觉传感器阵列式触觉传感器是机器人最重要的传感器之一，它具有强有力的感知能力，能够实现很多视觉无法达到的功能，从而使机器人实现智能控制。一、压阻式阵列触觉传感器阵列的压阻式触觉传感器出现弥补了压阻式触觉传感器在更高维度的数据来判度力的大小、分布、以及接触的部位这一方面的不足。压阻式阵列触觉传感器的制作一般分为以下三步：（一）压阻式触觉传感器的设计；（二）压阻式传感器的阵列中触觉传感单元排列和固定；（三）检测信号的采集及分析。图2.9传感器多层阵列二、电容式阵列触觉传感器机器人电容式触觉阵列传感器通过检测电容变化量来测量受力的大小，此外，为了感觉更加细小单元的力，采用垂直交叉电极的形式，即阵列形式，可以减少引线的数目，通过对电容阵列传感器的行、列扫描来确定受力点的位置。图2.10电容式阵列触觉传感器2.2.3机器人压觉传感器压觉传感器又称压力觉传感器，是安装于机器人手指上、用于感知被接触物体压力值大小的传感器。压觉传感器常用的检测元件种类很多，诸如电容、压电元件，压磁元件，应变片等，它们各自有不同的优缺点，其中应变式压觉传感器最为常见。2.2.4机器人硬度传感器机器人硬度传感器是能感受材料硬度并转换成可用输出信号的机器人触觉传感器。硬度是力学性能指标之一，它的重要性不仅体现在它的物理意义本身，还体现在它与抗拉强度和耐磨性等的密切关系上。2.2.5机器人滑觉传感器为了在抓握物体时确定一个适当的握力值，需要实时检测接触表面的相对滑动，然后判断握力，在不损伤物体的情况下逐渐增加力量，滑觉检测功能是实现机器人柔性抓握的必备条件。滑觉传感器按被测物体滑动方向可分为三类：无方向性、单方向性和全方向性传感器。其中无方向性传感器只能检测是否产生滑动，无法判别方向；单方向性传感器只能检测单一方向的滑移；全方向性传感器可检测个方向的滑动情况。2.2.6机器人空间机械臂力/力矩传感器随着我国空间站建设和深空探测等空间技术的迅速发展，对空间机械臂技术的需求越来越迫切，而智能化的空间机械臂可以更好地完成作业任务。力/力矩传感器作为智能化空间机械臂的关键部件之一，可提供实时的力和力矩信息，帮助空间机械臂机器人系统实现自动反馈控制，因此越来越受到重视。图2.12空间机械臂的模型授课周次第周授课时间2024年3月13日至2024年3月17日课程章节第2章机器人触觉感知2.3机器人触觉感知的最新研究技术1、神经网络智能算法2、神经元系统感知学习3、电子皮肤智能触感4、多功能集成触觉传感2.4机器人触觉感知的发展趋势 1、多种先进柔性材料的开发2、可穿戴触觉传感器的研发3、植入式电子设备的研制4、触觉传感器阵列技术5、其他与触觉相关的技术发展趋势2.5机器人触觉感知的实际应用教学目的1、理解机器人触觉感知最新技术和发展趋势2、了解机器人触觉感知实际应用内容提要及板书设计第2章机器人触觉感知2.3机器人触觉感知的最新研究技术1、神经网络智能算法2、神经元系统感知学习3、电子皮肤智能触感4、多功能集成触觉传感2.4机器人触觉感知的发展趋势 1、多种先进柔性材料的开发2、可穿戴触觉传感器的研发3、植入式电子设备的研制4、触觉传感器阵列技术2.5机器人触觉感知的实际应用重点、难点及解决方案重点：机器人触觉感知实际应用难点：机器人触觉感知最新技术和发展趋势教学内容时间分配序号教学内容1机器人触觉感知的最新研究技术302机器人触觉感知的发展趋势 303机器人触觉感知的实际应用30教学手段讲解教学形式（在右栏勾选）理实一体（0）理论教学（）实验（）实训（）上机（）作业作业完成方式书面（）电子（）教学后记

附页：第周序号具体内容（课堂组织和教学过程设计）授课改进意见及实时教学效果记录2.3机器人触觉感知的最新研究技术2.3.1神经网络智能算法神经网络标志着人工智能发展的巨大飞跃，具有大规模并行处理、分布式信息存储、良好的自组织自学习能力等特点，人工神经网络的智能算法应用于机器人智能感知，将为其注入新的血液。图2.13由机器人操纵器形成的完整实验系统2.3.2神经元系统感知学习生物感官感知系统通过修改神经元互连网络之间的连接强度，将感知转移到认知和意识，这使我们能够精确地感知并对复杂的现实世界问题做出适当的反应。赋予机器人和假肢这种感知学习能力，可以潜在地扩展它们的认知和适应性。图2.14用于验证广义重建能力的不同触觉刺激的测量结果对比2.3.3电子皮肤智能触感随着电子和计算机科学的快速发展，为了使人形机器人能够提供先进的服务，使用人类皮肤启发的人工智能皮肤来帮助它们与用户互动并感知环境刺激，这引起越来越多的关注。图2.17仿生触觉水凝胶电子皮肤实物与应用2.3.3电子皮肤智能触感想要制作出能够替代人体四肢的假肢，需要深入了解人体皮肤的组成及功能结构。解剖学告诉我们，人类的皮肤是多层结构，每一层都有其独特的功能。具体来说，表皮形成了一层保护层；真皮层起到缓冲身体压力和应变的作用，并能感知触摸和热。图2.18受人体皮肤启发的触觉传感器设计2.3.4多功能集成触觉传感随着不同类型的机器人触觉感知技术的发展，使机器人能够感知多维物理变化成为研究主流，例如触摸，压力，和温度。多个传感器的集成仍然非常具有挑战性，通常需要设计复杂的结构和制造工艺，并且可能遭受多种刺激感知的相互干扰。图2.19多功能软机器人手指的示意图2.4机器人触觉感知的发展趋势触觉传感技术的研究始于20世纪70年代。80年代是机器人触觉传感技术研究、发展的快速增长期，此期间对传感器设计、原理和方法作了大量研究。90年代对触觉传感技术的研究继续保持增长并多方向发展。在几十年的发展历程中，国内外的科研人员在传感器工作机理的研究、敏感材料的开发、传感器的结构设计、触觉图像的处理等多方面都做了大量的工作，并取得了巨大的成就。2.4.1多种先进柔性材料的开发近年来，由于其柔韧性和生物相容性和可设计性，水凝胶被广泛用于组织工程、可穿戴设备和柔性电极等各个领域。图2.20双网络琼脂水凝胶的制备和性能当前，还有一种导电性能比较出色的材料-银纳米线（AgNW）能够作为触觉传感器的材料。图2.21AgNW/PDMS传感器的制作过程2.4.2可穿戴触觉传感器的研发北京纳米能源与系统研究所潘曹峰研究员团队通过叉指微电极与纳米纤维薄膜相结合设计并构筑了一种结构简单的可穿戴高性能压力传感器，实现了高灵敏宽响应可穿戴压力传感。图2.22基于新型二维材料MXene的可穿戴传感器2.4.3植入式电子设备的研制材料科学和制造技术的快速进步极大促进了柔性可延展传感电子器件的发展。采用柔性材料可以承受更多显著的机械形变。当电子器件穿戴在人体皮肤或者弯曲表面时，器件和柔软的人体组织之间的机械不匹配是该领域需要解决的关键科学问题之一。2.4.4触觉传感器阵列技术触觉传感阵列通常是由多个触觉传感单元构成的触觉传感器。触觉传感单元能够测量单点的接触力，而触觉传感阵列由于集成了多个传感单元，因此具备分布式接触力的检测。图2.23触觉传感阵列的应用2.5机器人触觉感知的实际应用2.5.1机器人触觉感知产品松果体机器人深圳市松果体机器人科技有限公司研制的松果体机器人，其机器触觉传感器与物理界面接触之后，可以将物理界面上的变形、纹理等物理信息直接映射到传感器中，并利用后方的光学捕捉技术对界面变形完成捕捉，最后利用算法重建表面精确的触觉信息。图2.24松果体机器人Finger系列产品材料搬运机器人触觉———微型手和柔性夹爪柔性夹爪（见图２２６）主要由柔性手指模块、支架、机械臂连接件构成。其中，柔性手指模块由特殊的硅橡胶材料浇筑成型，具有柔韧性好、寿命长、可靠性高等特点。支架及机械臂连接件部分由航空级高强度铝合金制作而成，重量轻、强度高，可轻松应对各种工业场合。不同于传统手爪的刚性结构，此夹爪依靠柔软的气动“手指”，能够完美模拟人手抓取动作，自适应地包裹住目标物体，无须根据物体的精确尺寸、形状和硬度进行预先设置，摆脱了传统生产线对来料的种种束缚，尤其适用于异形、易损的各类产品。图2.26柔性夹爪示意图范德华力吸盘范德华力吸盘灵感来自于对壁虎脚掌微观特征的观测和模仿，通过特殊的聚合物材料和微米级的表面微观成型工艺，使吸盘能够与各种物体表面产生强烈的分子间作用力，吸附力度可达0.5kg/cm3。得益于其特殊的吸附机理，无需供电、供气或编程，简单可靠，能够吸附多孔工件，甚至在真空环境下正常使用，极大地拓展了自动化设备的应用范畴。图2.30范德华力吸盘的抓取过程智能化焊接机器人智能化焊接机器人工作站是一种具备较高自动化程度的焊接设施，繁琐重复的人工焊接作业可以被机器人手臂代替，智能化焊接机器人不单具备了自动寻位、自动焊接、自动清枪等功能，同时也是提升焊接质量、改善人员工作环境的一个重要手段。图2.31焊接机器人工作站示意图反馈手套Meta公司（原Facebook）发布的一款硬件产品——触觉手套，把虚拟世界的触感带到了我们的指尖。手套通过搭载大量的追踪和反馈部件，比如微流体触觉反馈层压板、气动控制架构，它可以复制手指抓住物体或者沿着物体表面运动的感觉，让人在虚拟现实世界中，清晰地感受到与虚拟物体交互时的触觉。图2.33Meta公司制作的触觉手套电子皮肤电子皮肤，又名新型可穿戴柔性仿生触觉传感器，是贴在“皮肤”上的电子设备，因而习惯性的被称为电子皮肤。相较于传统的刚性触觉传感器，电子皮肤更加轻薄柔软，可被加工成各种形状，像衣服一样附着在人体或者是机器人的身体表面，使其具备感觉和触觉。目前，电子皮肤主要应用于人体生理参数检测和机器人柔性触觉传感器两大领域。通过将电子皮肤安装到人体对应的关键部位，从而实现人体心率、血压、肌肉张力等生理参数的检测。通过将电子皮肤贴附在机器人手指、手臂上，使得机器人获得了感受外界触摸力的能力。作为一种新兴的智能传感器，电子皮肤被大量用于制造各种智能产品，例如用于生理参数检测的智能服装以及具有触觉感知的智能机器人。图2.35机械刺激触觉感受器分类与物理位置及手腕部位的皮肤拉伸2.5.2机器人触觉在医疗领域的应用20世纪80年代，机器人被首次引入医疗行业，经过40余年的发展，机器人被广泛应用于危重患者转运、外科手术及术前模拟、微损伤精确定位操作、内镜检查、临床康复与护理等多个领域。医疗机器人已经成为一个新型的、前沿性的学术领域，不仅促进了传统医学的革新，也带动了新技术、新理论的发展。康复机器人和辅助机械臂机器人产品服务与残疾人始于20世纪60年代，由于技术水平的限制和价格太高的影响，直到20世纪80年代才真正步入产品研究阶段。康复机器人主要分为上肢康复机器人和下肢康复机器人。第一台商业化的上肢康复机器人是1987年英国MikeTopping公司研制的Handy。瑞士的Hocoma公司研制的Lokomat机器人也可以用于下肢恢复图2.37康复机器人（a）MyoPro康复机器人（b）Lokomat下肢恢复机器人机械手搬运式自动化药房机械手搬运式自动化药房主要是依靠一个机械手来完成包装盒类药物的出库及人库，其主要工作原理是利用真空吸附和机械加持相互配合协调动作的机械手，完成药品在特定空间内的转移。药品密集存储在水平的储药架上，每种药品都有自己特定的位置。该种形式的药房自动化设备能够实现药品的密集存储和智能管理。机械手搬运式自动化药房的典型代表是德国ROWA公司的自动化药房。2.5.3机器人触觉在水下机器人领域的应用水下的环境恶劣且复杂，人的潜水深度有限，所以开发海洋资源行业对水下机器人的需求也越来越大，而目前水下机器人主要运用在海上救援、石油开发、地貌勘察、科研、水产养殖、水下船体检修与清洁、潜水娱乐、城市管道检测等领域。其中，水下机器人手爪水下自主作业是非常重要的关键技术之一。当前国内外水下机器人都没有比较完善的信息感知系统，极大地制约了水下机器人手爪的作业能力。与陆地上使用的机器人触觉技术不同，水下机器人手爪感知系统还应该考虑一些特殊需求。北京理工大学郭书祥教授提出了母子机器人系统，其中多个微型机器人作为子机器人，以及一个两栖球形机器人作为母机器人。图2.39母子机器人的水平推力实验一、水下液压机械手中国科学院