軟機器人中的傳感技術綜述

背景介紹

滿足人類需求的快速工業化導致自動化在制造、包裝、醫藥、農業和食品工業中被廣泛采用。配備傳感器的機器人實現了“工業4.0”技術，如物聯網（IoT）、大數據分析和人工智能，用于監測和控制這些機器人的功能。目前，剛性機器人被廣泛采用，具有高度可靠性、準確性和耐用性。

然而，處理更精細和脆弱的物體需要具有軟接口的機器人，這導致了人們對軟機器人的興趣增加。顧名思義，軟機器（soft robotics）人是由軟材料制成的，或者有一個覆蓋剛性骨架/支架的軟界面。軟體機器人具有靈活性，能夠快速適應物體的形狀。機械柔順性顯著降低了抓取物體所施加的壓力，這與剛性機器人不同，剛性機器人的接觸面積由于抓取器的剛性形式而受到限制。軟機器人也非常適合安全優先的醫療保健等應用。

此外，由于其柔軟且無關節的身體，軟機器人可以訪問遠程區域并執行使用硬機器人難以完成的功能。根據應用類型，軟機器人可以有各種形狀、形式和驅動機制，如抓握、移動、水下探索、飛行等。本綜述的主要重點是集成到軟機器人抓取器中的傳感器，這些傳感器在農業收割、倉庫管理和醫療保健方面越來越受歡迎。

軟機器人具有獨特的特性，如大自由度、高機械柔順性以及通過內部驅動和外部負載進行變形的能力。這使得在三維（3D）空間中準確地檢測機器人抓取器的每個部分的形狀和位置具有挑戰性。與依賴關節和四肢精確控制的剛性機器人不同，軟機器人控制需要形態計算，這取決于機器人的形態和材料特性。這就需要使用具有可編程材料特性的軟材料。然而，與剛性關節的簡單運動學相比，軟材料動力學建模要復雜得多，這使得控制和監測軟機器人不同部件的形狀和位置具有挑戰性。

為了克服這一挑戰，將傳感器集成到軟機器人中至關重要。這些傳感器能夠監測和控制軟機器人不同部件的形狀和位置。此外，傳感器可以增強軟機器人對外部刺激的感知，如溫度、pH、化學品、壓力、光和聲音，這大大拓寬了軟機器人的應用范圍。在傳感器的幫助下，軟機器人可以在醫療保健、農業和倉庫管理等不同領域執行復雜任務。將傳感器集成到軟機器人中是一項挑戰，因為傳感器必須能夠與機器人一起拉伸、彎曲和變形，而不會阻礙機器人的自由運動，同時在傳感過程中保持其柔軟性。這導致了與軟傳感器相關的非線性、奇異配置和非唯一映射。解決這些問題需要對傳感器數據進行復雜的建模和分析，以準確地將環境刺激映射到傳感器數據。此外，為了增加傳感器的功能，軟機器人必須配備高時空分辨率的傳感器。

然而，這會產生大量的數據，必須快速處理才能進行閉環監測和控制。隨著對軟夾持器的需求不斷增長，人們越來越需要集成各種傳感器，如水果成熟度、溫度、接近度、食物變質、pH值、氣體傳感器等。因此，選擇合適的傳感機制、傳感器的數量及其智能集成對于最小化微控制器上的計算負載，實現高效的傳感器集成至關重要。隨著傳感器成功集成到軟機器人中，它們可以在各種應用中執行復雜的任務，并提高準確性和效率。

為了實現這一點，有必要對制造工藝的設計和選擇進行適當的改變。一個能夠將多材料集成到復雜形狀中的新興領域是多材料增材制造。該技術有助于高效可靠地制造具有集成傳感器的軟機器人。此外，最大限度地減少智能軟機器人制造過程中涉及的步驟數量并使過程自動化對于提高致動和傳感功能的可靠性和可重復性至關重要。

本文亮點

1. 這篇綜述重點介紹了用于軟機器人的傳感技術的最新進展。

2. 它首先介紹了軟機器人的驅動技術和材料選擇，然后深入探討了各種類型的傳感器及其集成方法，以及多模態傳感、信號處理和控制策略的好處。

3. 綜述中還簡要介紹了軟機器人領域的當前市場領導者，以說明對該技術日益增長的需求。

圖文解析

圖1 構建智能軟機器人的組件和注意事項。該圖強調了構建智能軟機器人所必需的關鍵組件，包括驅動、傳感、操作能量/燃料，以及控制和通信電子設備。此外，還描述了制造方法、設計、控制算法和應用方面的重要考慮因素。

圖2 軟機器人的驅動技術

圖3 軟機器人中通常使用的不同致動機構的功耗比較

圖4 用于軟機器人的典型彈性體的材料特性。（a）各種材料的楊氏模量。（b）典型彈性體的斷裂伸長率和拉伸強度。（c）各類彈性體肖氏硬度與抗拉強度的比較。（d）傳感器和基板剛度組合的不同場景，用于軟機器人中傳感器的集成。

圖5 用于軟機器人的電阻式、壓阻式和電容式傳感器

圖6 用于軟機器人的光學傳感器

圖7 用于軟機器人的各種其他類型的傳感器

圖8 軟機器人上的集成多模式傳感器

圖9?軟機器人上的集成多模式傳感器

圖10 用于軟機器人控制的各種信號處理和控制策略

圖11 軟機器人中的一些相關信號處理技術。（a）基于傳感器數據的信號處理和后續執行器控制的工作流程。（b）在機器人手指和手上集成軟電子皮膚，用于觸摸、接近、溫度和危險物質的多模式檢測（c），以及用于對從傳感器收集的數據進行數據處理的相應電子電路。（d）用于異步編碼電子皮膚（ACES）的多陣列傳感器的數據處理的電子電路，以及（e）機械手上的壓力和溫度傳感器陣列的相應集成。