假手仿生智能傳感技術(shù)的研究進(jìn)展

　　自前蘇聯(lián)假肢中心研制出世界上第一個(gè)肌電假手以來，經(jīng)歷幾十年的發(fā)展，假手的仿生智能傳感技術(shù)有了很大提高。目前研究的重點(diǎn)研發(fā)多自由度有傳感智能假手，目的是提高假手的靈活性及與環(huán)境的信息交互能力，增加假手操作的自主性。

　　人手是一個(gè)擁有多級(jí)控制、刺激和信息接收的輸入輸出通道的生物機(jī)械系統(tǒng)，在神經(jīng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制下完成各種精巧復(fù)雜的動(dòng)作。而普通假手通常以視覺作為反饋，通過眼睛來判斷物體是否握緊和有無滑落，不能像人手那樣在沒有視覺反饋情況下進(jìn)行正常作業(yè)。因此使假手像人手一樣，具有觸覺、滑覺、角度以及熱覺等智能傳感能力，可以感知觸滑、冷熱及物體表面形狀等外界環(huán)境變化，成為康復(fù)工程研究的一個(gè)前沿和熱點(diǎn)，下面將對(duì)假手仿生智能感覺技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)介紹。

　　1、觸滑傳感

　　假手的觸滑感覺研究開始于60年代，在假手的手指上安裝了滑覺傳感器，使得在握取過程中發(fā)生滑動(dòng)時(shí)增加握力。英國南安普敦大學(xué)開發(fā)出的一種假手[4]有拇指、食指和中指，后兩個(gè)手指上安裝傳感器，傳感器采用Interlink公司的壓力感應(yīng)電阻(force sensing resistor, FSR)傳感器，發(fā)生滑動(dòng)時(shí)傳感器可以識(shí)別表面微振動(dòng)。這種FSR傳感器在假手傳感系統(tǒng)中有很多應(yīng)用。Tura[5]等人也采用此類傳感器，在奧托博克公司的假手上增加了傳感系統(tǒng)。FSR壓電傳感器由兩個(gè)聚合體薄片組成，共0.2 mm厚，其中一個(gè)有電極網(wǎng)，另一個(gè)由半導(dǎo)體材料組成。當(dāng)有壓力作用時(shí)，電極間的阻抗變高，半導(dǎo)體材料與電極接觸，組成一個(gè)回路以降低阻抗。Mingrino[6]也利用Interlink公司的FSR傳感器設(shè)計(jì)了一種假手滑覺傳感系統(tǒng)，當(dāng)假手抓取物體時(shí)，由金屬盤和橡膠組成的傾斜臺(tái)將接觸力傳到傳感器，從一個(gè)由4個(gè)相同傳感器組成的傳感陣列得到正向力和切向力。

　　除此之外，還有多種得到觸滑感覺反饋的方法。Yamada等人利用應(yīng)變片的三維力傳感器檢測觸滑的存在[7]。Curcie等[8]人通過假手手指中安裝的氣壓傳感器，獲取壓力信號(hào)并反饋到控制系統(tǒng)。還有一種方法是在假手上貼應(yīng)變片進(jìn)行測力研究的[9]，其中連接件位于拇指和其他手指之間，作用于拇指上的作用力與連接件上的應(yīng)力成近似成線性關(guān)系。為了測定握取過程中拇指上的力，在連接件處貼應(yīng)變片，并經(jīng)過橋式連接、放大、低通濾波之后獲得電壓大小，以此來檢測握力。Maeno等[10]人利用硅樹脂制成彈性手指，將其安裝在人造手指中以獲取觸覺反饋。這些研究都是為了增加反饋功能以獲取更高的仿生性能。在國內(nèi)也有將傳感技術(shù)應(yīng)用于靈巧手的研究[11]，清華大學(xué)已進(jìn)行了在肌電假手上安裝觸滑覺傳感器的實(shí)驗(yàn)研究[12]。

　　與應(yīng)用于假手上類似，感覺反饋技術(shù)也廣泛應(yīng)用于機(jī)器人手的感覺反饋中，Dario等人在機(jī)器人手的手指套上安裝觸覺傳感器[13]，通過觸覺反饋和手指關(guān)節(jié)上的電位計(jì)進(jìn)行握取力量和位置的控制。賈銘新等利用基于光全反射原理的觸覺傳感器作為反饋系統(tǒng)[14]，安裝在多觸點(diǎn)機(jī)器人手，實(shí)現(xiàn)操作臂與外界的交互。此外還有的研究利用分布式觸覺傳感器提供反饋信息，控制智能手的抓取力[15]。

　　2、物體表面特征傳感

　　與上面提到的觸覺中的接觸力和滑覺反饋不同，這種接近覺主要是用于判斷假手手指與目標(biāo)物體接觸的表面情況，判斷目標(biāo)物體的外部紋理和形狀特點(diǎn)等等，包括用影像法和記憶合金法進(jìn)行的表面形狀檢測研究。

　　Angelo等人采用了基于立體影像和激光掃描的技術(shù)[16]，采用了性價(jià)比更高的圖形系統(tǒng)來感知表面形狀，避免了使用昂貴的傳感器和復(fù)雜的信號(hào)處理系統(tǒng)。這種接近覺傳感器具有簡單和低成本的優(yōu)勢，采用8位微處理器的電路非常簡單。

　　Wang-tai Lo使用了光學(xué)方法進(jìn)行接觸表面的檢測[17]，這種接觸感覺的測定是基于光的全反射定理。系統(tǒng)由可以測量接觸表面的觸覺傳感器和用于顯示接觸面信息的部分組成。觸覺傳感器基于全反射原理，可以提供高分辨率和高質(zhì)量的觸覺圖像，將這種傳感器安裝在機(jī)械手的5個(gè)手指之中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)由彈性薄膜、透明柔軟的橡膠光波導(dǎo)路、有機(jī)玻璃基體、一個(gè)透鏡、光纖和微小的光源組成。光源位于一個(gè)特制的管中避免分散光，并可將光導(dǎo)入到光波導(dǎo)路之中。通常狀態(tài)下與導(dǎo)路接觸的是空氣，而空氣的折射率比導(dǎo)路的折射率小，根據(jù)全反射定理導(dǎo)路中的光不會(huì)被折射出來，而當(dāng)手指接觸到物體，導(dǎo)路與基體接觸，由于基體的折射率小，所以導(dǎo)路中的光會(huì)折射出來并被電荷耦合器件(charge couple device, CCD)所接，從而可以表示出已經(jīng)接觸的表面特點(diǎn)。這種方法中使用了可變形的材料，所以傳感器擁有更加有高分辨率。1600個(gè)觸點(diǎn)/cm2；可以使探測到的力小于2g。這種傳感器具有高分辨率、快速響應(yīng)、低功耗、結(jié)構(gòu)簡單等多種優(yōu)點(diǎn)。
此類傳感器主要應(yīng)用于接觸面和紋理的判斷，對(duì)于機(jī)械手夾取較大型物品非常重要，由于假手主要進(jìn)行小型物體的抓取和小幅度運(yùn)動(dòng)，因此采用此類傳感器的必要性不是很大，可以作為一種輔助的感覺反饋進(jìn)行探討。

　　3、冷熱傳感

　　除了觸覺和滑覺，冷熱覺對(duì)于人來說也是相當(dāng)重要的。冷熱覺是人體最基本的感覺之一，過熱和過冷會(huì)引發(fā)人手的疼痛，同時(shí)過冷和過熱也會(huì)破壞假手的表面材料。因此冷熱覺反饋也是假手研究中的一個(gè)組成部分。目前大多數(shù)的熱覺反饋都是使用具有珀耳貼效應(yīng)的材料。Shuichi研究的反饋系統(tǒng)由珀耳貼模塊和比例積分微分（proportional integration differential， PID）控制器組成[18]。主要是用于辨識(shí)當(dāng)手指接觸不同物體時(shí)，感知其溫度的變化從而分辨不同的物體表面。實(shí)驗(yàn)中他們改變溫度，對(duì)包括鋁、玻璃、橡膠、聚合體、木材在內(nèi)的多種材料進(jìn)行了熱覺判斷。實(shí)驗(yàn)表明對(duì)于鋁和木材的識(shí)別率分別達(dá)到91％和82％，玻璃、橡膠、聚合體的辨認(rèn)率在40－50％左右。

　　Leoni等研究的集成傳感器中的熱傳感器由兩個(gè)微型電阻嵌在熱傳導(dǎo)橡膠組成[19]，一個(gè)用于加熱、一個(gè)用于檢測溫度變化，所以傳感器需要加熱和測量兩個(gè)相位。在加熱相位中，加熱電阻加上電之后傳感器的溫度提升到定溫，測量相位中，加熱電阻斷電，從而測定溫度相對(duì)于時(shí)間的變化，這個(gè)功能與傳感器與物體間的熱傳導(dǎo)相關(guān)。

　　4、多感覺集成

　　在研究各種感覺反饋的基礎(chǔ)上，有人開始研究多種傳感系統(tǒng)的集成。將各種感覺反饋的傳感器分別安裝在假手或者機(jī)械手上，分別接收感覺信號(hào)并反饋到控制系統(tǒng)之中。
Dario研究的多傳感器系統(tǒng)可以探測各種信息，包括接近覺、關(guān)節(jié)扭矩、觸覺等等[20]。在這種集成多傳感技術(shù)中使用了三種不同的材料，包括應(yīng)變儀、半導(dǎo)體聚合體、壓電聚合體等。最下層是力/扭拒傳感器，所使用的256陣列的觸覺陣列是基于FSR技術(shù)的。上面是用于檢測動(dòng)態(tài)感覺的傳感器，它需要用壓電聚合體材料支撐。另外還有一部分是超聲傳感器，可以發(fā)射和接受超聲波，用于檢測一定距離范圍內(nèi)的目標(biāo)物體的幾何形狀。控制系統(tǒng)接收多傳感器的信號(hào)后進(jìn)行處理并發(fā)出指令。同樣是Dario等人研究的多集成傳感器，其動(dòng)態(tài)傳感器由有機(jī)壓電材料聚偏氟乙稀（polyvinylidene fluoride, PVDF）組成。當(dāng)被握物體有滑動(dòng)時(shí)PVDF發(fā)生振動(dòng)從而判斷滑覺的存在，而FSR傳感器作為開關(guān)傳感器，設(shè)置一個(gè)接觸力閾值判斷物體是否被完全抓取。

　　Taddeucci等人研究的集成傳感器由觸覺、熱覺、動(dòng)態(tài)三個(gè)傳感器組成[21]，分別用于檢測接觸圖像、測量物體表面的熱傳導(dǎo)性和感知滑動(dòng)中的微振動(dòng)。觸覺感應(yīng)采用陣列式傳感器，可以檢測每個(gè)單位面積中的接觸情況。動(dòng)態(tài)傳感器由壓電晶體元素組成，熱覺傳感器使用具有珀耳貼效應(yīng)的單元。

　　Darwin所研究的多種集成的觸覺傳感器[22]可以探測包括硬度、表面特性、溫度、滑動(dòng)、表面輪廓、熱傳導(dǎo)性在內(nèi)的多種感覺。這種集成傳感器包括聚合體光纖、電磁場系統(tǒng)、熱電偶、珀耳貼效應(yīng)元素等多種傳感單元。其中：（1）壓力/硬度/外形傳感器使用塑膠光纖陣列（紅外二極管源、塑膠纖維、紅外感光儀）基于光在纖維內(nèi)部的全反射原理制成。（2）熱傳導(dǎo)用一個(gè)簡單的熱電偶用于獲取完全的溫度測量，熱傳導(dǎo)數(shù)據(jù)由珀耳貼效應(yīng)產(chǎn)生，珀耳貼裝置獲取這種溫度的變化，輸出為電壓，并且可以快速準(zhǔn)確的被測量，這種珀耳貼應(yīng)變片貼在手指的指尖部位。（3）紋理和滑動(dòng)使用了一種利用電磁場交互作用的高靈敏的裝置，手指與與物體表面產(chǎn)生的振動(dòng)被一個(gè)結(jié)合在橡膠薄膜上傳感探針?biāo)鶄魉停?dāng)物體在手指表面滑動(dòng)時(shí)，探針/薄膜的運(yùn)動(dòng)驅(qū)使電樞運(yùn)動(dòng)，并改變磁場從而獲取滑動(dòng)感應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明紋理的辨認(rèn)準(zhǔn)確度基本在90％以上，熱覺反饋實(shí)驗(yàn)中對(duì)于鐵和鋁等金屬的分辨率達(dá)到90％以上、泡沫達(dá)到84％。

　　多傳感器集成可以檢測多種信號(hào)，對(duì)于控制系統(tǒng)正確有效地抓取物體是非常有用的。不過多傳感器的復(fù)合使得安裝結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，接收系統(tǒng)隨之也增加，而控制系統(tǒng)的算法和速度也需要考慮。這種復(fù)雜的反饋系統(tǒng)可以應(yīng)用于對(duì)于反饋要求較高的機(jī)械手之中，如果能用于智能假手是比較理想的，不過還需要針對(duì)假肢的特點(diǎn)開戰(zhàn)進(jìn)一步的研究。最佳辦法是能找到一種材料可以同時(shí)檢測多種感覺，或者忽略不重要的感覺，把重點(diǎn)放在最基本的感覺上。

　　5 、展望

　　假手的研究和制作的目的是能夠給失去肢體的殘疾人帶來便利，能夠盡可能地模仿人的真實(shí)功能是研究的最終目標(biāo)。然而人的上肢系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，感覺反饋系統(tǒng)非常豐富，完全實(shí)現(xiàn)人體上肢的諸多功能幾乎是不可能的，需要從最基本和最簡單的功能入手，進(jìn)行多種探索。增加感覺反饋將提高假手的仿生性，以便有效地模仿人手在實(shí)際工作中根據(jù)反饋信號(hào)進(jìn)行必要的調(diào)整。本文所綜述的在仿生智能傳感技術(shù)所取得的進(jìn)展，均可作為進(jìn)一步發(fā)展智能假手的參考，對(duì)于假肢來說，研究一種結(jié)構(gòu)簡單、反饋精確有效的傳感系統(tǒng)將是今后智能假手研究中的重點(diǎn)之一。