21、机器人软组织操作中的挑战与问题分析

机器人软组织操作中的挑战与问题分析

1. 软传感器开发的未解决问题

在机器人操作软物体时，传感对于精确的闭环控制至关重要，但也极具挑战性。以在气球上绘图为例，为了实现机器人运动的稳定控制，需要提供笔尖与气球之间的接触力来闭合反馈回路。

与操作刚性物体相比，操作可变形物体时的力传感更为复杂，因为软物体的物理特性会使力与位置变化相互耦合。为了将刚性机器人与气球的敏感表面解耦，使用了柔性笔作为操作器，这在一定程度上确保了操作的安全性，但也给力传感带来了挑战。

在气球上绘图时，接触力高度依赖于软表面的弹性变形，可分为法向力和切向力检测两个问题。测量法向力相对直接，但检测切向力较为困难，因为接触点的剪切力非常小，现有机器人领域常用的力传感器无法直接测量。因此，采用间接测量方法，通过柔性笔的弯曲将低力信号转换为较大的偏转信号，以便用现有传感器技术更容易测量。

软传感器技术面临的一般挑战包括：设计和制造适用于高变形、低力环境且能与软物体操作应用中的软硬件工具接口的特定任务传感器。尽管与传统传感器相比，设计、制造过程和材料有很大变化，但基本工作原理大致相同，近年来软传感器常用的工作原理仍是将变形或力信息转换为电阻、电容或电压等易于测量的电信号。

此外，软机器人和可穿戴电子设备的发展推动了紧凑、集成和高效的软传感器（如可拉伸传感器）的开发，这需要将软材料与传统刚性电子设备集成。然而，由于软物体和刚性电子设备的机械性能差异，将电气部件集成到高可拉伸软材料中是一项具有挑战性的研究任务。新型制造方法，如嵌入式3D打印、光刻或平面印刷，为解决这一挑战提供了途径，但这些方法仍处于早期研究阶段，目前尚无商业解决方案，使得软物体操作任务的传感器集成本身成为一项挑战。 </