利用先进的压力传感器创建更具适应性的机器人
2023-09-10 11:02:58 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
压力传感器可用于向机器人提供关键的触觉反馈，以扩展机器人的能力。连续监测机器人关节和执行器内的气动和液压压力可为机器人提供对自身运动和扭矩程度的本体感觉。这种反馈允许对运动进行高级控制以及施加有针对性的关节力。
几十年来，工业和服务机器人一直严重依赖视觉系统和惯性传感器来感知周围的世界并与之交互。然而，这些方式缺乏关键的类人触觉。
仅配备摄像头和加速度计的机器人无法收集物体的表面纹理数据、无法检测触觉物理力及获取自身运动及关节位置的本体感觉反馈。这种触觉意识的缺乏极大地限制了机器人在复杂环境中自适应移动、灵活处理物品以及以安全的方式对身体部位与身边物体的接触做出合适反应的能力。
据麦姆斯咨询报道，压力传感器可用于向机器人提供关键的触觉反馈，以扩展机器人的能力。连续监测机器人关节和执行器内的气动和液压压力可为机器人提供对自身运动和扭矩程度的本体感觉。这种反馈允许对运动进行高级控制以及施加有针对性的关节力。
在机器人表面包覆保形、柔韧的压力传感器阵列，可产生一种人工触觉。类似皮肤的压力传感器层可以检测和绘制来自接触、人机互动或碰撞的外力，使机器人能够对这些力做出反应。有了足够的压力数据集成到控制回路中，机器人可以实现类似人类的灵活性和适应性。触觉压力反馈可使机器人在工厂环境中与人类同事安全无缝地协作。这也为医疗保健、国防、救灾和太空探索等高风险环境中的机器人运作带来了巨大的希望，在这些环境中，盲目自动化是行不通的。
压力传感器在机器人领域的应用
压力传感器在当代机器人中发挥着基础性作用，但它们的价值往往被低估了。压力传感器提供对内部气动和液压压力、外力和环境条件的连续监测。这为机器人提供了关键的反馈，增强了内部监控、灵活的运动控制、环境交互和触觉感知。一个关键的应用是本体感觉传感器，即利用关节内的压力测量来计算施加的扭矩和力。这些关于机器人运动和负载的信息可以实现更精确的控制，大大增强了机器人的操纵能力和稳定性。肌腱驱动的机器人使用压力传感器来测量肌腱张力，这与关节处产生的力直接相关。更传统的机器人技术是通过安装测压元件来测量关节压差并推断扭矩的。
液压机械臂的示例（图片来源：Superior Sensor Technology）
一些先进的系统将超小型的微机电系统（MEMS）压力传感器直接应用于机器人关节，以提供高分辨率的本体感觉反馈。这种MEMS压力传感器技术堪比生物本体感觉，使机器人能够意识到自己的运动和负载情况。同样，将MEMS压力传感器集成到机器人外部的外表皮可提供关于接触力的触觉反馈。带有多个单独压力传感器的大型传感器阵列有助于绘制机器人身体上力的分布及其大小。
该大型传感器阵列可使机器人对身体接触做出恰当的反应，包括轻柔的触摸或破坏性的碰撞。这类有触觉的“皮肤”系统利用保形、柔韧的压力传感器矩阵为机器人提供复杂的环境意识和类人触觉。而其它环境下的相互作用可利用差压传感器来检测判别碰撞。通过测量充满液体的气囊内的压力波动，传感器可以检测出即将发生的撞击，帮助启动支撑操作。这种碰撞传感器技术也适用于缺乏实体框架的软体机器人。通过控制接触力，压力传感器可进一步帮助机器人在其自身间或与人类碰撞时做出安全反应。
机器人内部的压力传感器用来监测液压和气动系统，保证其能够移动。同时，通过压力的异常下降可以检测泄漏，从而保证在机器人完全故障之前对其进行维修保养。利用压差原理的流量传感器可以监测泵和电机的运行情况。通过机器人上升或下降时的压力差可检测高度和深度的变化。这种感官反馈支持可靠、稳定的移动性。此外，如果机器人在户外或苛刻的环境中工作，压力传感器可以使其具有耐候性。
在机器人体内安装带有防水膜的MEMS压力传感器，可以在电气组件损坏前快速检测到雨水或水泛滥引起的进水情况。随后，机器人会采取行动来保护内部组件或发出援助信号。
技术创新推动进步
技术上的几个重大进展促进了压力传感器在机器人领域更普遍、更强大的应用的实现。MEMS制造允许使用高分辨率和极其紧凑的压差传感器，该传感器可以将本体感觉集成到机器人关节和执行器中。例如，Superior Sensor Technology的MEMS压力传感器集成了包括先进的数字滤波、闭环控制和基于软件的压力开关等先进的功能。这些传感器的完全集成形式，提供了精确的运动控制和灵活的物体操纵能力所需的基本内部扭矩和力的反馈。
用量子隧道复合材料、石墨烯或其它纳米材料印刷的柔性压力传感器阵列，也能使包覆着机器人的电子皮肤层保形且具有可拉伸性。注入纳米管的乳胶等材料制作的传感器皮肤可以在复杂的关节和表面上拉伸。这种使用柔性印刷传感器的人工触觉可以在机器人全身进行高空间分辨率的密集压力映射。类似皮肤的精确跟踪允许机器人在协作工作场景安全地检测、反应以及与人类互动。
集成柔性压力传感器阵列的机械手（图片来源：Superior Sensor Technology）
关于数据处理，可以使用深度神经网络等先进的机器学习（ML）方法，利用来自传感器阵列的实时压力数据来优化控制和响应。计算模型使用本体感觉和触觉传感器的压力模式来传递反射反应、指挥机械臂运动。例如，一项研究利用压力输入的强化学习来训练具有高灵活操作技能的机械臂，例如在手掌中滚动球的动作。
采用流体弹性体技术的新型软体执行器和夹持器在很大程度上依赖于监测整个结构的压力，以实现精确控制和反馈。这些集成了压力传感器的气动软体机器人执行器可以用于平稳地适应被抓取的物体。这项技术允许在共享工作场景中进行更安全的物理性人机协作，而在共享工作场景使用传统的刚性机器人则会带来很大风险。
随着各类技术创新的发展，压力传感器有望成为嵌入未来机器人技术（从工业自动化到医疗设备）的重要集成反馈模式。人们开始了解通过人工触摸传感器实现响应式、自适应机器人的潜力。
未来机器人：类人触觉传感
随着压力传感器和集成技术的不断发展，具有人工触摸传感的机器人将革新许多领域：
▪ 类人灵活性：有了足够的触觉压力数据，机器人可以实现非常类人的灵活性，高精度地操纵各种重量、纹理和形状的物体。这种灵活性将推动制造、仓储、手术等领域的自动化。
▪ 危险环境中的操作：集成压力传感器的耐用机器人可以执行高风险任务，例如采矿、深海勘探、灾难应对和人类直接参与会有极大危险的太空任务。压力数据有助于机器人针对各种复杂环境做出相应反应以更好的适应该环境。
▪ 无缝人机协作：超灵敏的压力传感器皮肤将使未来的机器人能够与人类同事安全无缝地协作。在物理交互过程中，压力反馈会抑制有害的接触力。
▪ 智能基础设施：集成压力传感器皮肤的机器人检查员可以用于监测风力涡轮机、输油管道、桥梁和其它基础设施。压力数据可警报任何正在发展的故障。
▪ 医学应用：触觉压力传感器将促进机器人在手术、假肢、康复和辅助机器人等应用上的突破，在这些领域，与人类的安全互动至关重要。
捏着灯泡的机械手（图片来源：Superior Sensor Technology）
随着成本的降低和集成技术的进步，触觉压力传感器可能会与视觉、位置和惯性传感器一起集成，进而成为先进机器人的标准感知模式。压力传感器使未来有能力和可用的机器人能够在动态的现实世界与人类一起高效安全地运行。
结论
压力传感器为机器人提供了关键功能，包括用于响应交互的触觉传感和用于灵活操作的本体感觉。同时，压力传感器对内部液压、外部接触力和环境条件的持续监测提供了压力数据，使机器人能够以类似人类的灵敏度移动、处理物体和对物理刺激做出反应。
柔性印刷阵列、MEMS传感器和机器学习集成的持续发展将促进多模式机器人感知和无缝人机协作的突破。随着成本的降低，压力传感器显示出将标准反馈模式集成到未来机器人设计中的光明前景，应用领域涵盖医疗、工业、辅助、危险环境和基础设施监测等。压力传感器为机器人提供了在动态物理世界中可靠、安全和智能运行所需的反馈，这具有巨大的应用发展潜力。
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