1.2　智能机器人感知技术的发展

智能机器人最重要的特征之一就是其装备有能够将环境中各种有用信息及时反馈给机器人控制系统的较为齐全的感知系统，并通过多传感器融合技术有效地适应环境的变化。对机器人感知系统的研究和开发，推动了现代工业机器人技术的发展，使得机器人技术在现代工业中得以推广进而降低总体投资成本^［1，2］。

智能机器人技术涉及的传感器种类繁多。目前比较成熟的机器人传感器及检测感知技术主要包括机器人视觉、力觉、触觉、接近觉、距离觉、姿态觉、位置觉等传感器，图形/图像分析、图像重构、立体视觉、传感器动态分析和补偿、多传感器信息融合、人机交互、虚拟现实临场感技术等^［3，4］。如空间机器人系统中，由于其是在一个不断变化的三维环境中运动并自主导航，几乎不能够在空间停留，所以必须能实时确定它在空间的位置及状态，且还要能对它的垂直运动进行控制，其星际飞行预测及规划路径等都需要传感器来进行外界环境和系统内部参数的感知^［5］。又如智能机器人要在未知或非结构化环境完成作业，需要实时高精度的力和力矩信息，然而，对力/力矩信息的高质量的要求直接导致了感知系统变得高度复杂而失去稳定性。目前最常见的机器人力/力矩信息的获取途径主要通过多维腕力/力矩传感器和多维指力/力矩传感器。其中，安装在机器人的指尖传感器主要有阵列式、压电式和应变式三种。压电式指尖传感器虽然有体积小的特点，但低频性能欠佳，且测多维力很困难；阵列式有动态触觉和识别形状的特殊功能，但电路较为复杂，价格也较贵。图1-1所示为常见类型的智能机器人传感器，如常用的内部传感器有编码器、线加速度传感器、陀螺仪、GPS、激光全局定位传感器，激光雷达等；常用的外部传感器有视觉传感器、超声波传感器、红外传感器、接触和接近传感器等。

图1-1　常见的智能机器人传感器分类

传感技术是新技术革命和信息社会的重要技术基础，现代科技的开路先锋，作为信息技术中采集、处理、传播三大关键技术之一，各发达国家都将其视为现代高技术发展的关键。传感器是极端环境机器人系统的关键基础器件，其技术水平直接影响到系统的自动化技术水平，系统对传感器技术依赖程度很大。传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术之一^［6］。

智能机器人感知技术发展的总体趋势为充分利用现有成熟技术中的光敏、热敏、力敏、电压敏、磁敏、气敏、湿敏、声敏、射线敏、离子敏、生物敏以及各种传感器、变送器、二次仪表等多种类型传感技术，结合利用新材料、新工艺实现微型化、集成化，利用新原理、新方法实现极端环境中的各种信息获取，辅以先进的信息处理技术提高传感器的各项技术指标，以适应极端环境机器人的应用需求，微型化、集成化、多功能化、智能化、系统化、网络化、低功耗、无线、便携式等将成为新型机器人感知部件的显著特点^［6，7］。具体对智能机器人某种类型的信息获取而言，如何高效、低成本实现高精度信息的获取，如何解决传感器的各项性能参数之间的矛盾，如何利用新技术及相应新理论来消除或补偿传感器的各种误差如多维信息采集时的维间耦合误差等，以及如何提高信息获取的精度、速度是当前智能机器人感知技术科研工作者面临的主要挑战。

触觉是自然界多数生物从外界环境获取信息的重要形式之一，广义的触觉是指接触、压迫、滑动、温度、湿度等的综合，而狭义的触觉则单指接触面上的力觉^［8，9］，其严谨的概念包括接触觉、压觉和滑觉。对于智能机器人而言，触觉是其实现与外部环境直接作用的重要手段，特别地，相比于其他知觉形式（例如听觉、视觉），触觉能够使得机器人感知目标物体的更多物理性能，例如表面形状、物体硬度、温度、湿度以及物体材质等^{［10，11］}。因此，触觉传感器的研究及应用对于实现机器人的智能化而言是非常重要的，它可以帮助机器人特别是仿生机器人检测识别目标物体，完成多种复杂的任务。

随着智能机器人技术的进步，其应用的领域也不断扩展。当机器人与人类并肩工作时，要求其必须具备类似于人的触觉感知能力，即能够精确地获取空间的三维力信息，同时，为了确保人机交互接触时的安全性，要求用于机器人感知的触觉传感器能够具有类似于人类皮肤的柔软性，能够适应不同载体的表面形状，完成对任意复杂物体的信息检测任务^［12］，因此能够检测三维力信息的柔性触觉传感器在机器人研究领域的需求日益迫切。此外，兼有柔韧性和三维力检测功能的“类皮肤”触觉传感器在体育运动、康复医疗和人体生物力学等研究领域中也具有广泛的应用前景。

然而综观国内外的研究成果，尽管触觉传感器的研究经过几十年的发展已经取得了较大进步，但传感器不能兼有柔韧性和多维力检测功能仍然是目前亟待解决的最突出的难题。除此之外，目前多数触觉传感器还存在着后期信号处理复杂、制作成本较高、稳定性差以及实际应用和商用化滞后等问题，因此，触觉传感器的发展现状距能满足当前各个领域的实际应用需求尚有较大的距离。究其原因主要有以下几方面。

①传感机理的研究存在障碍。触觉的产生和传递是一个相当复杂的综合过程，并非简单的通过皮肤将物理特性转换为电信号，尽管研究者对人类皮肤的构造、特性以及人类触觉的产生过程等均有了较为深入的了解，但目前人们仍然无法做到精确地模仿触觉传感机理。

②受敏感材料的限制。触觉传感器敏感材料的研究基本上依赖于材料科学本身的发展，并不是触觉传感领域的研究者所能解决的问题。

③传感器工作原理的研究没有新突破。目前仍然集中于传统的种类，如压阻式、压电式等。

④传感器实体化的支撑条件不足，如传感器制作工艺等不能满足测量精度的要求。

⑤缺少有效的驱动力。

⑥传感器的多数研究成果仍停留在实验室阶段，产业化受限。

正是由于触觉传感器的研究仍然存在上述的许多困难，因此，目前国内外的研究者正在积极地通过开发新材料和发现新原理来设计高性能、高柔性、高可靠性的触觉传感器，争取使触觉传感器尽快走入实用阶段。