在哺乳動(dòng)物中，觸覺(jué)模態(tài)比其他感官發(fā)育得早，但與視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)對(duì)應(yīng)的感官模態(tài)相比，它的研究較少。它不僅允許環(huán)境互動(dòng)，而且還作為一種有效的防御機(jī)制。

圖 1：大鼠使用胡須通過(guò)觸摸與環(huán)境互動(dòng)

觸摸在移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航中的作用還沒(méi)有被詳細(xì)探討。然而，觸摸似乎在移動(dòng)機(jī)器人的避障和尋路方面發(fā)揮著重要作用。近端感應(yīng)往往是大多數(shù)長(zhǎng)距離傳感器的盲點(diǎn)，如照相機(jī)和激光雷達(dá)，觸摸傳感器可以作為一種補(bǔ)充方式。

總的來(lái)說(shuō)，觸摸似乎是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的一種有前途的方式。然而，還需要更多的研究來(lái)充分了解觸摸在移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航中的作用。

觸摸在自然界中的作用

觸摸導(dǎo)航模式對(duì)許多生物體來(lái)說(shuō)是最重要的。它在感知、探索和導(dǎo)航中發(fā)揮著重要作用。動(dòng)物廣泛地使用這種導(dǎo)航方式來(lái)探索它們的周?chē)h(huán)境。嚙齒類(lèi)動(dòng)物、羽鰓類(lèi)動(dòng)物、貓、狗和魚(yú)使用這種模式的方式與人類(lèi)不同。人類(lèi)主要使用觸覺(jué)進(jìn)行前肢操作，而哺乳動(dòng)物，如大鼠和鼩鼱，由于其視覺(jué)系統(tǒng)不佳，通過(guò)振動(dòng)尾巴機(jī)制，依靠觸覺(jué)進(jìn)行探索和導(dǎo)航。這種振動(dòng)器機(jī)制對(duì)短距離感應(yīng)至關(guān)重要，它與視覺(jué)系統(tǒng)協(xié)同工作。

機(jī)器人的人工觸摸傳感器

人工觸摸傳感器的設(shè)計(jì)在過(guò)去四十年中不斷發(fā)展。然而，這些傳感器在移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用并不像照相機(jī)和激光雷達(dá)那樣廣泛。移動(dòng)機(jī)器人通常采用這些長(zhǎng)距離的傳感器，但短距離傳感受到的關(guān)注相對(duì)較少。

在設(shè)計(jì)用于移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的人工觸摸傳感器時(shí)，我們通常從自然界中獲得靈感，即從生物晶須中獲得生物啟發(fā)的人工晶須。一個(gè)這樣的早期原型如下圖所示。

圖 2：Bioinspired 人工鼠須陣列原型 V1.0

然而，我們沒(méi)有理由將設(shè)計(jì)創(chuàng)新限制在100%準(zhǔn)確地模仿生物晶須類(lèi)觸摸傳感器。雖然一些研究人員正試圖完善晶須的漸變[1]，但我們目前正在研究抽象的數(shù)學(xué)模型，可以進(jìn)一步激發(fā)整個(gè)觸摸傳感器陣列的靈感[2]。

為機(jī)器人設(shè)計(jì)觸摸傳感器所面臨的挑戰(zhàn)

在為移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)觸摸傳感器時(shí)，有許多挑戰(zhàn)。一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是如何在重量、尺寸和功耗之間進(jìn)行權(quán)衡。傳感器的功耗可能很大，這可能限制它們?cè)谝苿?dòng)機(jī)器人應(yīng)用中的適用性。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是如何在觸摸靈敏度和穩(wěn)健性之間找到合適的平衡點(diǎn)。傳感器需要有足夠的靈敏度來(lái)檢測(cè)環(huán)境中的微小變化，但又要有足夠的堅(jiān)固性來(lái)處理大多數(shù)移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用中的動(dòng)態(tài)和惡劣條件。

未來(lái)的方向

有必要進(jìn)行更系統(tǒng)的研究，以了解觸摸在移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航中的作用。目前的研究大多局限于面向靈巧操縱和抓取的具體應(yīng)用和場(chǎng)景。我們需要了解將觸摸傳感器用于移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的挑戰(zhàn)和限制。我們還需要為移動(dòng)機(jī)器人開(kāi)發(fā)更堅(jiān)固、更省電的觸摸傳感器。

在后勤方面，限制觸摸傳感器使用的另一個(gè)因素是缺乏公開(kāi)的現(xiàn)成的觸摸傳感器。世界上很少有研究小組正在努力實(shí)現(xiàn)他們自己的觸摸傳感器原型，不管是仿生的還是其他的，但所有這些設(shè)計(jì)都是封閉的，極難復(fù)制和改進(jìn)。