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基于皮膚的光學(xué)傳感器
閱讀：133 發(fā)布時(shí)間：2022-10-22在CPS中要評(píng)估可以達(dá)到的人機(jī)協(xié)作的水平，有必要在給定的協(xié)作環(huán)境中計(jì)算指標(biāo)。在應(yīng)用各類傳感器，需要明確CPS中人員和機(jī)器人的位置，以及相應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景。例如，可以用于與其他人機(jī)協(xié)作機(jī)器人傳感器關(guān)聯(lián)的位置信息的視覺傳感器必須在足夠的照明條件下工作。此外，為了更快，更準(zhǔn)確地響應(yīng)機(jī)器人，通信必須更快，通過短距離，安全的無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。總體而言，系統(tǒng)必須符合相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于速度和距離監(jiān)視情況，除了基本區(qū)域和位置監(jiān)視傳感器系統(tǒng)外，還使用慣性測(cè)量單元(IMU)。同樣，對(duì)于基于力監(jiān)控的人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)，除了力傳感器之外，基本區(qū)域和位置監(jiān)控對(duì)于實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作也是必需的。在力監(jiān)控中，可以使用不同類型的幾何形狀適合的觸覺傳感器來安裝在機(jī)器人上或機(jī)器人關(guān)節(jié)中，這些傳感器具有減震特性，可以安全地進(jìn)行碰撞檢測(cè)和基于觸摸的交互。也可以使用不同區(qū)間的力傳感器來評(píng)估單獨(dú)人體部位的受力極限。
人機(jī)協(xié)作中除了特定解決方案中所采用的傳感器技術(shù)外，還可能存在多個(gè)可以建立通用解決方案或指南的工業(yè)場(chǎng)景。這些工業(yè)場(chǎng)景范圍包括從單個(gè)機(jī)器人到與多個(gè)人工一起工作的多個(gè)機(jī)器人構(gòu)成人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)。這其中可能包括使用慣性傳感器，視覺，雷達(dá)或用于人類位置監(jiān)測(cè)的任何混合方法。混合方法可以結(jié)合使用兩種及以上方法，可以高精度地執(zhí)行任務(wù)，因?yàn)閬碜远鄠€(gè)單獨(dú)的傳感器系統(tǒng)的定位信息將相互配合并補(bǔ)償錯(cuò)誤。此外，在給定的情況下，不同的傳感器在某些技術(shù)領(lǐng)域可能更實(shí)用，例如攝像機(jī)遇到視覺障礙時(shí)將無法運(yùn)行。在這種情況下，其他技術(shù)傳感器將保持系統(tǒng)功能。
隨著機(jī)器人逐漸向著開放性空間發(fā)展，越來越多的機(jī)器人采用視覺信息處理及技術(shù)。例如，相關(guān)研究人員結(jié)合多傳感器信息融合技術(shù)，基于立體攝像機(jī)采集工作單元數(shù)據(jù)，系統(tǒng)檢測(cè)環(huán)境中的人員與機(jī)器人，并根據(jù)本體位置和軌跡生成動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)區(qū)域。有研究基于深度傳感器建立深度空間方法，通過估計(jì)機(jī)器人與靜態(tài)和移動(dòng)障礙物間的距離，進(jìn)而將這種實(shí)時(shí)距離測(cè)量及障礙物速度估計(jì)信息與基于排斥力矢量的控制器一起用作防撞技術(shù)。此外，也有研究基于行為預(yù)測(cè)和圖像數(shù)據(jù)信息，通過RGB輸入的數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)描述矢量來消除對(duì)定時(shí)或時(shí)間序列信息的需要，進(jìn)而預(yù)測(cè)人體活動(dòng)行為，避免碰撞。針對(duì)視覺采集過程中可能存在的物體遮掩問題，有研究人員基于機(jī)載傳感方法，開發(fā)了一種分布式距離傳感器，并優(yōu)化了機(jī)器人本體傳感器較佳裝配位置，一定程度上降低了非結(jié)構(gòu)環(huán)境下碰撞事件的發(fā)生。
機(jī)器人皮膚是基于傳感原理和設(shè)計(jì)技術(shù)(如電阻，電容，壓電，聲學(xué)等)對(duì)傳感技術(shù)進(jìn)行不同的分類，可以通過關(guān)注觸覺信息處理來進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)。一個(gè)有趣且有用的發(fā)展方向是機(jī)器人的皮膚，可以提供豐富而直接的反饋，使機(jī)器人系統(tǒng)能夠通過多個(gè)接觸點(diǎn)識(shí)別物體。
1）基于皮膚的光學(xué)傳感器：基于皮膚的光學(xué)傳感器的總體思路是開發(fā)一種能夠提供觸覺和視覺信息的多模式傳感器。有鑒于此，一些研究人員提議用不透明的材料覆蓋傳感器的皮膚表面，以阻止外界光線進(jìn)入傳感器。但是，使用不透明的材料會(huì)限制視覺傳感器提供的信息，因此使他們只專注于觸覺信息。為了解決這個(gè)問題，有研究人員提出了一個(gè)由透明皮膚，照相機(jī)和彩色標(biāo)記組成的原型，可提供高分辨率的接觸力和近距離視覺。
2）基于皮膚的軟傳感器：各種常規(guī)的柔性傳感器都面臨著降低傳感器靈敏度的技術(shù)問題。例如，
老化和機(jī)械應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致磁滯現(xiàn)象并降低傳感器的靈敏度。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，有人提出了一種磁流變觸覺傳感器，該傳感器由柔性的上層和下層彈性體組成。彈性片上的變形會(huì)引起磁通量的變化，從而影響傳感器的空間響應(yīng)。
安全交互問題作為機(jī)器人交互融入大眾日常生活的基本要求，而傳感技術(shù)作為人機(jī)協(xié)作研究中的一部分，其研究和應(yīng)用意義重大，為實(shí)現(xiàn)“中國制造2025"，構(gòu)建新型工業(yè)體系和智能家園藍(lán)圖，人機(jī)協(xié)作安全和傳感器技術(shù)的研究需要進(jìn)一步完善相關(guān)的學(xué)科研究和產(chǎn)業(yè)技術(shù)。