机器人与触觉传感技术的碰撞,一文初探人类与机器人的触觉传感

  发布时间: 2021年04月08日 08:27:39   作者: 广丰能源网

触摸(Touch)是人类在进行协调交互时的主要方式之一。通过触摸感知到的触觉(Sense of Touch)可以帮助人类评估物体的属性,如大小、形状、质地、温度等。此外,还可以利用触觉来检测物体的滑脱,进而发展人类对身体的认识。触觉将压力、振动、疼痛、温度等多种感觉信息传递给中枢神经系统,帮助人类感知周围环境,避免潜在的伤害。研究表明,与视觉和听觉相比,人类的触觉在处理物体的物质特征和细节形状方面更胜一筹。

与人类一样,机器人的触摸传感(Touch Sensing)能够帮助机器人理解现实世界中物体的交互行为,这些行为取决于其重量和刚度,取决于触摸时表面的感觉、接触时的变形情况以及被推动时的移动方式。只有给机器人也配备先进的触摸传感器 --- 即 “触觉传感(Tactile Sensing)” 系统,才能使其意识到周围的环境,远离潜在的破坏性影响,并为后续的手部操作等任务提供信息。然而,目前大多数机器人交互式技术系统由于缺乏对触觉传感技术的有效应用,其动作不准确、不稳定,交互过程“笨拙”,极大地限制了他们的交互和认知能力。

我们在这篇文章中重点关注人类和机器人的触觉传感问题。首先,我们讨论人类 "触觉" 的生理和编码方式,及其在传递触觉数据等任务中的重要性。然后,在分析人类触觉的基础上探讨机器人 “触觉传感” 系统的构建,特别是触摸感知(Tactile Perception)的方法和应用。最后,具体分析两篇关注在具体应用场景中向机器人引入触觉传感技术的文章。

一、人类「触觉」

首先,我们来分析人类的触觉究竟是什么。人类的 “触觉” 包括两个主要的亚型,即 “皮肤(Cutaneous)” 和“动觉(Kinesthetic)”。两者主要是基于感觉输入的部位来区分的:皮肤感觉接收来自嵌入皮肤的受体的感觉输入,而动觉感觉接收来自肌肉、肌腱和关节内的受体的感觉输入。在这两个亚型的基础上,研究人员区分定义了皮肤(Cutaneous)、动觉(Kinesthetic)和触觉(Haptic)三种感觉系统。其中,皮肤系统包括与刺激物的身体接触,并通过中枢神经系统(central nervous system,CNS)皮肤和相关体感区的受体提供对身体外表面刺激的感知;动觉系统主要来自肌肉、关节和皮肤的传入信息以及大脑可用的肌肉效能的相关联系来提供有关静态和动态身体姿势(头部、躯干、四肢和末端执行器的相对位置)的信息;触觉系统利用的则是来自皮肤和动觉系统的关于物体和事件的重要信息。

人类的触觉通过分布在全身不同密度的大量受体(如压力 / 振动的机械感受器、温度的热感受器和疼痛 / 损伤的痛觉感受器)处理对外部刺激的时空感知。对机械刺激的反应是由植入皮肤不同深度的机械感受器介导的。这些受体的分类、功能和位置如图 1 所示 [1]。这些受体具有不同的感受野(受体反应的身体区域的范围)和不同的适应率。一个快速适应(fast-adapting,FA)受体在第一次被施加刺激时就会立刻产生动作电位的爆发。相反,对于慢适应(slow-adapting,SA)受体来说,在刺激与其感受野接触的整个时期内它都是活跃的状态。对热刺激的反应被认为是由皮肤中单独的“热” 和“冷”的热受体群体介导的。此外,科学家还在体外和体内对人体皮肤样品进行了研究,发现不同受体对外界刺激的反应本质上是热电性和压电性的。

机器人与触觉传感技术的碰撞,一文初探人类与机器人的触觉传感

图 1. (a) 无毛皮肤切片,显示各种机械感受器的物理位置和分类;(b) 从指尖到大脑体感区的触觉信号传递;(c) 触觉信号从接触点传递到大脑过程中的功能事件,为了简单起见,信号流是单向的

从皮肤受到刺激的那一刻起直到产生感知,会发生各种复杂的机械、感知和认知现象。图 1 给出了一个事件序列示例。当皮肤与物体接触时,它会与物体表面保持一致,即保持相同的局部轮廓,从而将变形投射到大量的机械感受器(受体的一类)上。因此,每个机械感受器都能表征物体的一小部分,并将时空触觉信息编码为响应于刺激大于阈值时产生的动作电位电压脉冲的峰值。刺激的振幅随后被转换成一系列动作电位,这一步骤类似于用模数转换器将模拟信号数字化和编码过程。

时空限制和对机械刺激的敏感性直接影响人类的物体识别能力和方向敏感性等。皮肤感觉的模式感知能力受到其空间和时间敏感性的限制,因为它们在皮肤处理的早期阶段就通过时空过滤来量化信息的丢失或模糊程度。这种效应可以用来定义机器人触觉传感的 “串扰” 极限。

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