服务机器人的触觉传感器：手脚解析

碰撞是机器人与环境相互作用的一种方式，包括轻微的触碰、一般性的敲击和有一定力度的撞击。碰撞感知技术广泛地应用于移动机器人和机器手上，以防止机器人与环境之间产生干涉或者严重的碰撞。

碰撞感知主要通过接触传感器和加速度传感器实现。一种接触传感器利用接触开关来实现简单的感知，如MobileRobots公司在先锋机器人上使用的缓冲器，每个缓冲器上带有2个0.98N的接触开关，通过接触开关的启动来感知碰撞。这种传感器虽然能够比较准确地感知碰撞的发生，但是只局限在安装碰撞器的位置。一些机械手上安装了触觉传感器来感知抓取物的接触程度和接触范围。从程度上来讲，接触要弱于碰撞，所以接触传感器主要是用来感知比较弱的干涉，是一种轻度的碰撞感知。

接触传感器只能安装在局部区域，不能适应大范围的接触感知。然而机器人可能在各个部位受到碰撞，需要比较全面的感知能力，因此出现了利用加速度计感知碰撞振动的检测模式。安装在机器人上的加速度计可以通过碰撞产生的振动来感知接触和冲击，通过信号分析判断碰撞的强度。K.Fujiwara等人研制的人形机器人就利用身体内的加速度计感知跌倒时与地面的撞击。而地面清洁机器人通过加速度计感知与障碍的碰撞，并绕开障碍。外科手术中的器械也通过加速度计区分操作中与肢体的碰撞。(www.xing528.com)

基于加速度计的碰撞感知以感知机体的振动为基础。当碰撞发生时，加速度计检测到振动信号，通过对振动信号的分析，判断碰撞的发生。简单的碰撞感知不需要判断碰撞方向。西班牙莱里达大学（Universitat de Lleida）的地面清洁机器人的前面安装了一个前向碰撞感知带，上面装有加速度计。只要加速度计感知到碰撞振动，就可以判定机器人的前面产生了碰撞。加拿大McGill大学设计了一种触觉设备，这是一种接触感知的缩放机构，用MEMS加速度计测量机器人手指运动的强度，进而实现振动感知或者感知被接触物体的纹理。Y.Koda等人研制的主从抓取力控制系统中也通过加速计感知微振动来检测机器人手指的局部滑动。更复杂的碰撞感知则需要判断碰撞的强度和方向，从而做出更合理的响应。由于振动产生了一种往复变化的加速度信号，碰撞的强度可以从最大加速度信号来判断，而碰撞的方向则需要利用二维的加速度计算获得。但是加速度的往复变化容易引起方向的错判。由于机器人的速度变化、运行过程中机体的自然振动及地形的变化都会引起加速度计信号的改变，所以机器人首先应该能够区分加速度信号中是否含有碰撞成分，从而区分是否发生了碰撞，然后再将碰撞信号从复合加速度信号中分离出来，通过分析碰撞信号的特征，利用信号分析或者神经网络方法识别出是否发生了碰撞。信号的提取则需要综合分析各种可能的加速度信号特点，通过滤波等方法去除平缓的低频部分，提取碰撞的高频振动。识别振动信号的关键是建立各种振动信号的特征量，利用这些特征量，采用神经网络或者支持向量机等非参数化建模方法建立识别模型，也可以利用分类器识别。