探讨视觉传感器和触觉传感器在智能机器人抓取系统中的应用

王华荣1,严其艳2林幸珺3

广东科技学院 广东东莞 523083

摘要：智能机器人是人工智能的重要载体，在工业、服务业等领域有着广泛应用。智能机器人目标抓取技术是是智能机器人完成任务所必需的技能之一，也是待解决的难题。本文主要从视觉传感器和触觉传感器两个角度来分析讨论智能机器人的抓取规划，并总结智能机器人目标抓取中的一些重要问题。

关键词：智能机器人 目标抓取 视觉传感器 触觉传感器

引言

随着社会发展和科技进步，机器人在工业生产和人类生活中有着广泛的应用。机器人是由机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成的一种能仿人操作、可自动控制、重复编程、并能在三维空间完成各种作业任务的机电一体化设备。ABB或FANUC等工业机器人的工作主要包括工业机器人抛光、打磨与去毛刺工作，工业机器人包装、搬运与物流工作，工业机器人自动装配与视觉检测工作，工业机器人分拣、插件、上下料与视觉检测工作等，目标抓取是工作中重要的环节。随着机器人技术的不断发展，智能自主的机器人目标抓取操作提出了更高的要求。

1、工业智能机器人

传统工业机器人基于成本与技术考虑，没有集成额外的传感器及智能控制系统，因此只能在结构化环境下作为自动化设备，完成程序规定的作业任务。当今工业机器人技术正在逐渐向着具有行走能力、多种感知能力、较强的对作业环境适应能力的智能化方向发展，从而形成了工业智能机器人。

工业智能机器人集现代制造技术、新型材料技术、智能控制技术和人工智能信息技术为一体，一般都安装有用于获取外部信息的各种传感器，如力矩传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、触觉传感器等，因此具有很强的环境适应能力。同时其还具有行为记忆、语言理解、图像识别、推理判断、自动规划、自主控制和人机协同等能力。

2、工业机器人的抓取规划

抓取操作是机器人操作中最重要的功能之一。机器人的抓取规划是从无限个可能的抓取位姿中找到合适的抓取位姿，以实现稳定有效的抓取。

2.1 基于视觉传感器的抓取规划

视觉是机器人感知外部环境的最重要的方式之一，相机作为视觉传感器几乎成为机器人的标配，在机器人抓取操作中，视觉信息对于感知与理解外部环境及抓取物体特征。从视觉信息中提取目标抓取所需要的信息，引导机器人在真实的环境中完成目标抓取操作任务。

已知物体的抓取规划方法，一般分为数据库建立和抓取位姿估计两个步骤：首先根据物体的3D模型生成抓取位姿，建立抓取数据库；然后在抓取物体时利用图像特征提取算法将场景中的物体与物体模型进行匹配与识别，从数据库中检索出当前机器人可达的候选抓取位姿。

在未知物体的抓取规划方面，随着深度学习在图像处理领域取得的突破式进展，一些研究者将深度学习应用于机器人的抓取规划中，深度网络可以从大量的图像数据中自动学习高质量的抓取图像特征，与人为设计抓取特征的方法相比，性能得到了很大提升，使未知物体的抓取规划方法取得了很大的进展。

基于深度学习的抓取规划方法通过神经网络在传感器采集的图像中预测出可行的抓取位姿，然后利用评价指标对候选抓取位姿进行排序，确定最佳的抓取位姿。对于进行候选抓取位姿采样的抓取规划方法，候选抓取位姿生成和最佳抓取位姿选择是其中两个关键的步骤，直接影响抓取效率和成功率。

2.2 基于触觉传感器的抓取规划

人类能够安全稳定地抓起具有不同形状、尺寸和硬度的物体，如此强大的抓取能力得益于人手的结构、皮肤的感知能力和人类灵活高级的控制能力。在人类进行抓取操作时，手上的皮肤对物体的特征信息进行实时感知，如柔性、温度、质量等，触觉感知与反馈在抓取中具有非常重要的作用，通过根据触觉反馈制定实时抓取策略，从而实现对不同类型物体的安全抓取操作。

应用于机器人的触觉传感器可以进行操作、环境探索及响应等不同的任务，在机器人抓取操作中，对机械手手指与物体之间的接触力进行精确的感知是实现安全抓取操作的前提，可以使用力/触觉传感器进行感知与测量。触觉传感器的传感方式包括压阻、压电、电容、光学、超声、磁性等，不同传感方式的优缺点总结见表1。

表1 不同传感方式的优缺点

传感方式	原理	优点	缺点
压阻式	导电材料的电阻值与施加的力/压力成比例	(1) 适合大批量生产 (2) 设计简单	(1) 脆弱性 (2) 信号漂移滞后
压电式	压电材料生成的电荷与施加的力/压力成比例	(1) 灵活性强 (2) 适用于动态触觉	感知对温度敏感
电容式	压力使电容极板间电介质压紧，导致电容变化	(1) 灵敏度非常好 (2) 可以设计为非常轻薄小巧	信号滞后，电路复杂
光学式	利用不同折射率介质的光强变化来测量压力	(1) 不受电磁干扰 (2) 灵活、灵敏、快速	(1) 体积较大 (2) 微弯曲造成信号失真
超声式	通过超声波检测表面的运动和滑动	(1) 动态响应快 (2) 分辨率高	传感器材料造成电路小型化困难
磁式	施加的力会引起磁通量密度的变化	(1) 灵敏度高 (2) 动态范围好 (3) 无机械滞后性	使用仅限于非磁性介质

3、智能机器人目标抓取中的重要问题

目前的智能机器人目标抓取操作主要存在以下几个方面的重要问题： （1）在智能机器人的目标抓取操作中，机械臂的定位误差对抓取结果的影响，在进行机械臂的运动学标定时需要昂贵或特殊定制的设备，使标定算法的实现具有一定的困难。 （2）已知物体或未知物体的抓取规划，在真实的抓取场景中既需要机器人能够对指定的目标物体进行搜索与抓取，同时对未知物体进行抓取或移除。 （3）集成力/触觉传感器的灵巧手售价十分昂贵，自主设计的内部力传感器一般难以集成，成本低且容易使用的皮肤式触觉传感器的发展不成熟，对于抓取柔软或脆性物体的微小接触力不敏感。 （4）在机器人抓取操作中，不仅考虑刚性物体的抓取，也要考虑对柔软物体或脆性物体安全的抓取。

4、总结

综上所述，智能机器人的目标抓取系统，应该将基于视觉感知的智能机器人目标检测及抓取方法，和基于触觉感知的机械手柔顺抓取控制方法相结合，可以实现机器人目标抓取智能化。

基金项目：2021年广东科技学院科研项目：基于神经网络的自适应学习在智能机器人的应用研究（编号：GKY-2021KYYBK-11）；2021年广东科技学院教学质量与教学改革工程：传感器与检测技术一流课程

参考文献

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