假手仿生智能传感技术的研究进展

自前苏联假肢中心研制出世界上第一个肌电假手以来，经历几十年的发展，假手的仿生智能传感技术有了很大提高。目前研究的重点研发多自由度有传感智能假手，目的是提高假手的灵活性及与环境的信息交互能力，增加假手操作的自主性。　　人手是一个拥有多级控制、刺激和信息接收的输入输出通道的生物机械系统，在神经系统协调控制下完成各种精巧复杂的动作。而普通假手通常以视觉作为反馈，通过眼睛来判断物体是否握紧和有无滑落，不能像人手那样在没有视觉反馈情况下进行正常作业。因此使假手像人手一样，具有触觉、滑觉、角度以及热觉等智能传感能力，可以感知触滑、冷热及物体表面形状等外界环境变化，成为康复工程研究的一个前沿和热点，下面将对假手仿生智能感觉技术的研究进展进行系统介绍。 　　1、触滑传感　　假手的触滑感觉研究开始于60年代，在假手的手指上安装了滑觉传感器，使得在握取过程中发生滑动时增加握力。英国南安普敦大学开发出的一种假手[4]有拇指、食指和中指，后两个手指上安装传感器，传感器采用Interlink公司的压力感应电阻(force sensing resistor, FSR)传感器，发生滑动时传感器可以识别表面微振动。这种FSR传感器在假手传感系统中有很多应用。Tura[5]等人也采用此类传感器，在奥托博克公司的假手上增加了传感系统。FSR压电传感器由两个聚合体薄片组成，共0.2 mm厚，其中一个有电极网，另一个由半导体材料组成。当有压力作用时，电极间的阻抗变高，半导体材料与电极接触，组成一个回路以降低阻抗。Mingrino[6]也利用Interlink公司的FSR传感器设计了一种假手滑觉传感系统，当假手抓取物体时，由金属盘和橡胶组成的倾斜台将接触力传到传感器，从一个由4个相同传感器组成的传感阵列得到正向力和切向力。　　除此之外，还有多种得到触滑感觉反馈的方法。Yamada等人利用应变片的三维力传感器检测触滑的存在[7]。Curcie等[8]人通过假手手指中安装的气压传感器，获取压力信号并反馈到控制系统。还有一种方法是在假手上贴应变片进行测力研究的[9]，其中连接件位于拇指和其他手指之间，作用于拇指上的作用力与连接件上的应力成近似成线性关系。为了测定握取过程中拇指上的力，在连接件处贴应变片，并经过桥式连接、放大、低通滤波之后获得电压大小，以此来检测握力。Maeno等[10]人利用硅树脂制成弹性手指，将其安装在人造手指中以获取触觉反馈。这些研究都是为了增加反馈功能以获取更高的仿生性能。在国内也有将传感技术应用于灵巧手的研究[11]，清华大学已进行了在肌电假手上安装触滑觉传感器的实验研究[12]。　　与应用于假手上类似，感觉反馈技术也广泛应用于机器人手的感觉反馈中，Dario等人在机器人手的手指套上安装触觉传感器[13]，通过触觉反馈和手指关节上的电位计进行握取力量和位置的控制。贾铭新等利用基于光全反射原理的触觉传感器作为反馈系统[14]，安装在多触点机器人手，实现操作臂与外界的交互。此外还有的研究利用分布式触觉传感器提供反馈信息，控制智能手的抓取力[15]。　　2、物体表面特征传感 　　与上面提到的触觉中的接触力和滑觉反馈不同，这种接近觉主要是用于判断假手手指与目标物体接触的表面情况，判断目标物体的外部纹理和形状特点等等，包括用影像法和记忆合金法进行的表面形状检测研究。　　Angelo等人采用了基于立体影像和激光扫描的技术[16]，采用了性价比更高的图形系统来感知表面形状，避免了使用昂贵的传感器和复杂的信号处理系统。这种接近觉传感器具有简单和低成本的优势，采用8位微处理器的电路非常简单。　　Wang-tai Lo使用了光学方法进行接触表面的检测[17]，这种接触感觉的测定是基于光的全反射定理。系统由可以测量接触表面的触觉传感器和用于显示接触面信息的部分组成。触觉传感器基于全反射原理，可以提供高分辨率和高质量的触觉图像，将这种传感器安装在机械手的5个手指之中进行实验。系统由弹性薄膜、透明柔软的橡胶光波导路、有机玻璃基体、一个透镜、光纤和微小的光源组成。光源位于一个特制的管中避免分散光，并可将光导入到光波导路之中。通常状态下与导路接触的是空气，而空气的折射率比导路的折射率小，根据全反射定理导路中的光不会被折射出来，而当手指接触到物体，导路与基体接触，由于基体的折射率小，所以导路中的光会折射出来并被电荷耦合器件(charge couple device, CCD)所接，从而可以表示出已经接触的表面特点。这种方法中使用了可变形的材料，所以传感器拥有更加有高分辨率。1600个触点/cm2；可以使探测到的力小于2g。这种传感器具有高分辨率、快速响应、低功耗、结构简单等多种优点。此类传感器主要应用于接触面和纹理的判断，对于机械手夹取较大型物品非常重要，由于假手主要进行小型物体的抓取和小幅度运动，因此采用此类传感器的必要性不是很大，可以作为一种辅助的感觉反馈进行探讨。　　3、冷热传感　　除了触觉和滑觉，冷热觉对于人来说也是相当重要的。冷热觉是人体最基本的感觉之一，过热和过冷会引发人手的疼痛，同时过冷和过热也会破坏假手的表面材料。因此冷热觉反馈也是假手研究中的一个组成部分。目前大多数的热觉反馈都是使用具有珀耳贴效应的材料。Shuichi研究的反馈系统由珀耳贴模块和比例积分微分（proportional integration differential， PID）控制器组成[18]。主要是用于辨识当手指接触不同物体时，感知其温度的变化从而分辨不同的物体表面。实验中他们改变温度，对包括铝、玻璃、橡胶、聚合体、木材在内的多种材料进行了热觉判断。实验表明对于铝和木材的识别率分别达到91％和82％，玻璃、橡胶、聚合体的辨认率在40－50％左右。　　Leoni等研究的集成传感器中的热传感器由两个微型电阻嵌在热传导橡胶组成[19]，一个用于加热、一个用于检测温度变化，所以传感器需要加热和测量两个相位。在加热相位中，加热电阻加上电之后传感器的温度提升到定温，测量相位中，加热电阻断电，从而测定温度相对于时间的变化，这个功能与传感器与物体间的热传导相关。　　4、多感觉集成　　在研究各种感觉反馈的基础上，有人开始研究多种传感系统的集成。将各种感觉反馈的传感器分别安装在假手或者机械手上，分别接收感觉信号并反馈到控制系统之中。Dario研究的多传感器系统可以探测各种信息，包括接近觉、关节扭矩、触觉等等[20]。在这种集成多传感技术中使用了三种不同的材料，包括应变仪、半导体聚合体、压电聚合体等。最下层是力/扭拒传感器，所使用的256阵列的触觉阵列是基于FSR技术的。上面是用于检测动态感觉的传感器，它需要用压电聚合体材料支撑。另外还有一部分是超声传感器，可以发射和接受超声波，用于检测一定距离范围内的目标物体的几何形状。控制系统接收多传感器的信号后进行处理并发出指令。同样是Dario等人研究的多集成传感器，其动态传感器由有机压电材料聚偏氟乙稀（polyvinylidene fluoride, PVDF）组成。当被握物体有滑动时PVDF发生振动从而判断滑觉的存在，而FSR传感器作为开关传感器，设置一个接触力阈值判断物体是否被完全抓取。　　Taddeucci等人研究的集成传感器由触觉、热觉、动态三个传感器组成[21]，分别用于检测接触图像、测量物体表面的热传导性和感知滑动中的微振动。触觉感应采用阵列式传感器，可以检测每个单位面积中的接触情况。动态传感器由压电晶体元素组成，热觉传感器使用具有珀耳贴效应的单元。　　Darwin所研究的多种集成的触觉传感器[22]可以探测包括硬度、表面特性、温度、滑动、表面轮廓、热传导性在内的多种感觉。这种集成传感器包括聚合体光纤、电磁场系统、热电偶、珀耳贴效应元素等多种传感单元。其中：（1）压力/硬度/外形传感器使用塑胶光纤阵列（红外二极管源、塑胶纤维、红外感光仪）基于光在纤维内部的全反射原理制成。（2）热传导用一个简单的热电偶用于获取完全的温度测量，热传导数据由珀耳贴效应产生，珀耳贴装置获取这种温度的变化，输出为电压，并且可以快速准确的被测量，这种珀耳贴应变片贴在手指的指尖部位。（3）纹理和滑动使用了一种利用电磁场交互作用的高灵敏的装置，手指与与物体表面产生的振动被一个结合在橡胶薄膜上传感探针所传送，当物体在手指表面滑动时，探针/薄膜的运动驱使电枢运动，并改变磁场从而获取滑动感应。实验表明纹理的辨认准确度基本在90％以上，热觉反馈实验中对于铁和铝等金属的分辨率达到90％以上、泡沫达到84％。　　多传感器集成可以检测多种信号，对于控制系统正确有效地抓取物体是非常有用的。不过多传感器的复合使得安装结构变得复杂，接收系统随之也增加，而控制系统的算法和速度也需要考虑。这种复杂的反馈系统可以应用于对于反馈要求较高的机械手之中，如果能用于智能假手是比较理想的，不过还需要针对假肢的特点开战进一步的研究。最佳办法是能找到一种材料可以同时检测多种感觉，或者忽略不重要的感觉，把重点放在最基本的感觉上。　　5 、展望　　假手的研究和制作的目的是能够给失去肢体的残疾人带来便利，能够尽可能地模仿人的真实功能是研究的最终目标。然而人的上肢系统的结构相当复杂，感觉反馈系统非常丰富，完全实现人体上肢的诸多功能几乎是不可能的，需要从最基本和最简单的功能入手，进行多种探索。增加感觉反馈将提高假手的仿生性，以便有效地模仿人手在实际工作中根据反馈信号进行必要的调整。本文所综述的在仿生智能传感技术所取得的进展，均可作为进一步发展智能假手的参考，对于假肢来说，研究一种结构简单、反馈精确有效的传感系统将是今后智能假手研究中的重点之一。