軟體機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

穆龍濤，任軍輝，鄔 凱，趙明威，周云飛

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000；2.咸陽市新能源及微電網(wǎng)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 咸陽 712000；3.西安財(cái)經(jīng)大學(xué)管理學(xué)院，陜西 西安 710100）

0 引言

人體皮膚作為生物體外部環(huán)境及其內(nèi)部成分之間的屏障，對(duì)生物系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。皮膚層內(nèi)嵌有機(jī)械、化學(xué)、振動(dòng)、溫度和疼痛受體的密集網(wǎng)絡(luò)，使皮膚能夠具有觸覺、溫覺等[1]，在很多特殊場(chǎng)景下解決很多實(shí)際問題，對(duì)于特種機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展具有重要的意義。

隨著機(jī)器人學(xué)家轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)與生物能力共同發(fā)展，傳感器和末端執(zhí)行器的集成將成為該領(lǐng)域的重要突破前沿[1]。軟體機(jī)器人的電子皮膚和感知相關(guān)研究，包括電子皮膚的設(shè)計(jì)和制造、可穿戴傳感器、交互式機(jī)器人的電子皮膚，軟體機(jī)器人的傳感和感知等。軟體機(jī)器人基于皮膚的特征進(jìn)行應(yīng)用研究，電子皮膚研究仿生生物感應(yīng)原理，仿生有助于改進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)，為了感知、規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人需要將各種傳感器嵌入其內(nèi)部，以獲取有用的外界環(huán)境信息[2-4]。

本文通過分析目前軟體機(jī)器人研發(fā)的特點(diǎn)，指出未來將在高性能可拉伸導(dǎo)體材料、傳感器、傳感模式和集成架構(gòu)等方向展開研究，在設(shè)計(jì)感官系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮數(shù)據(jù)處理的硬件和算法，并應(yīng)根據(jù)一系列實(shí)用的機(jī)器人任務(wù)評(píng)估其性能。

1 軟體機(jī)器人的研究范疇

軟體機(jī)器人領(lǐng)域研究使用靈活和符合倫理學(xué)的材料作為制造機(jī)器人的組件，而不是傳統(tǒng)的如金屬材料的剛性組件。軟體機(jī)器人通常從大自然中汲取靈感，基于仿生學(xué)研究在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中活動(dòng)的生物體，如圖1 所示。相比之下，當(dāng)前學(xué)者在研的機(jī)器人系統(tǒng)通常局限于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，然而在自然環(huán)境中，多種不同物質(zhì)特性的物體使物體相互作用和運(yùn)動(dòng)等任務(wù)更加復(fù)雜。

圖1 軟體機(jī)器人實(shí)例

電子皮膚、軟體機(jī)器人和機(jī)器學(xué)習(xí)之間的重疊在不斷增加，軟體激活在功能方面有了極大改進(jìn)，軟體傳感器和電子皮膚表現(xiàn)出廣泛的復(fù)雜性。例如，電子皮膚和軟體傳感器通過密度、分辨率和制造等指標(biāo)，融合了激活和感應(yīng)、處理傳感器信息、機(jī)器學(xué)習(xí)等方面，如圖2 所示。

圖2 電子皮膚、軟體機(jī)器人和機(jī)器學(xué)習(xí)的仿生學(xué)研究

分布式或多式聯(lián)運(yùn)傳感以激活為中心的軟體機(jī)器人[3]，顯示了越來越復(fù)雜的軟體機(jī)器人系統(tǒng)的例子，可以行走、生長(zhǎng)、游泳，在化學(xué)燃料提供動(dòng)力下完成自主運(yùn)動(dòng)操作。圖1 所示的案例中，使用觸覺傳感器安裝在軟體機(jī)器人外皮膚，進(jìn)行物體外形狀態(tài)估計(jì)或觸覺感應(yīng)。隨著這2 個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)展，可以設(shè)想進(jìn)一步融合復(fù)雜的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器，軟體機(jī)器人發(fā)展和應(yīng)用將超出人類認(rèn)識(shí)的界限。

觸覺傳感器獲取的高分辨率數(shù)據(jù)，將提高軟體機(jī)器人感知運(yùn)動(dòng)和操作過程中復(fù)雜變形的能力。當(dāng)今的離散傳感器具有高靈敏度和選擇性，可針對(duì)局部區(qū)域或已知環(huán)境中的高置信度感應(yīng)變形模式。然而，傳感器在動(dòng)態(tài)或未知環(huán)境中反饋感知信息是不夠的，因?yàn)闄C(jī)器人還沒有類似人類皮膚受體或人腦的復(fù)雜程度來收集廣泛信息的能力。許多機(jī)器人無法處理大量的信息數(shù)據(jù)，難以準(zhǔn)確確定環(huán)境或感知到的對(duì)象。從離散到連續(xù)傳感的轉(zhuǎn)變以及從結(jié)構(gòu)化環(huán)境向不受約束環(huán)境的轉(zhuǎn)變，都需要能夠快速收集和處理大量信息的電子皮膚，這2 種轉(zhuǎn)換增加的復(fù)雜性使解釋信號(hào)所需的處理復(fù)雜化。

軟體機(jī)器人中使用了類似皮膚的傳感器設(shè)計(jì)，傳感器中有許多含有可導(dǎo)電和拉伸材料，能夠根據(jù)電阻、電容、電感等電信號(hào)變化量獲取信息。其他組成部分使用光學(xué)設(shè)備，如相機(jī)和光纖來感知執(zhí)行器內(nèi)的變形。其中幾個(gè)現(xiàn)有傳感器非常適合測(cè)量應(yīng)變、壓力和彎曲等特性，但無法實(shí)現(xiàn)在電子皮膚中已證明的高傳感器密度或分辨率。軟體機(jī)器人將受益于與電子皮膚的集成，例如在醫(yī)療應(yīng)用中直接部署在皮膚上的皮膚傳感器陣列。

2 軟體機(jī)器人可應(yīng)用的領(lǐng)域

隨著智能裝備數(shù)字化和智能化的發(fā)展，機(jī)器人感知系統(tǒng)不斷迭代升級(jí)，人工智能與機(jī)器人的融合促進(jìn)機(jī)器人多元化的發(fā)展，軟體機(jī)器人在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2.1 形狀感應(yīng)

環(huán)境感應(yīng)有助于機(jī)器人了解周圍環(huán)境，而擁有機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的模型對(duì)于規(guī)劃該環(huán)境中的軌跡和運(yùn)動(dòng)非常重要[4]。對(duì)于主要由剛性組件組成的機(jī)器人，每個(gè)部分的幾何形狀在整個(gè)機(jī)器人的整個(gè)使用過程中保持不變，機(jī)器人關(guān)節(jié)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或鏈接轉(zhuǎn)換提供了矩陣變換信息，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的變化。但是對(duì)于軟體機(jī)器人，其單個(gè)段可以通過有意和無意的變形模式不斷改變其形狀，這使建模和傳感方案更加復(fù)雜化。

感應(yīng)軟體機(jī)器人形狀是將模型與傳感器進(jìn)行配對(duì)，通常與系統(tǒng)中可控自由度數(shù)量的幅度相同。通過笛卡爾空間曲線進(jìn)行參數(shù)化的建模操縱器方面取得了很大進(jìn)展。將模型與傳感機(jī)制相結(jié)合，使連續(xù)操縱器能夠閉環(huán)控制。這些方法將傳感器嵌入到其他軟體機(jī)器人組件中，如彎曲執(zhí)行器，以在低維任務(wù)空間（2D 環(huán)境）中實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制[5-6]，如圖3 所示。這種控制方式主要缺點(diǎn)是：當(dāng)引入其他計(jì)劃外變形模式時(shí)，例如通過損壞或材料老化屈曲或材料特性變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生累積誤差。目前還不清楚如何將這些研究推廣到可重新配置的軟體機(jī)器人或具有更復(fù)雜形態(tài)的機(jī)器人。例如，最近的實(shí)驗(yàn)研究表明，軟體機(jī)器人形態(tài)可以產(chǎn)生有用的運(yùn)動(dòng)，包括四足動(dòng)物的形狀和各種奇異形狀的外觀。所有軟體機(jī)器人都將受益于傳感器的感應(yīng)機(jī)制，而對(duì)機(jī)器人的機(jī)械性能的研究較少。

圖3 柔性觸覺傳感器的案例

實(shí)驗(yàn)室條件下的形狀感應(yīng)系統(tǒng)可以隨機(jī)器人表面進(jìn)行伸展，而不會(huì)影響其運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)的表現(xiàn)，觸覺傳感器沒有外部組件而且很薄。雖然不同的機(jī)器人具有不同的表面應(yīng)變，但是其專用于為可穿戴應(yīng)用設(shè)計(jì)的電子皮膚應(yīng)可容納生物皮膚，并且適用于大多數(shù)軟體機(jī)器人應(yīng)用。目前還不存在軟體機(jī)器人形狀感應(yīng)的解決方案，但柔性形狀感應(yīng)電子皮膚領(lǐng)域的最新進(jìn)展有可能提高軟體機(jī)器人的能力，如圖4 所示。

圖4 感應(yīng)物體形狀的電子皮膚

2.2 反饋和探索控制

在與非結(jié)構(gòu)化環(huán)境交互時(shí)，軟體機(jī)器人材料可以保護(hù)機(jī)器人免受外界的損害[7]。軟體機(jī)器人可用于易碎物體周圍，起到安全保護(hù)的作用。電子皮膚具有巨大的潛力，使軟體機(jī)器人能夠智能地與環(huán)境互動(dòng)，通過皮膚獲得的觸覺信息對(duì)于各種一般機(jī)器人控制任務(wù)至關(guān)重要[8]，如圖5 所示。使用的傳感器模式類型、處理算法和本體響應(yīng)都取決于當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)。

圖5 觸覺傳感的應(yīng)用實(shí)例

觸覺探索是人體根據(jù)測(cè)覺反饋確定環(huán)境特性的運(yùn)動(dòng)過程[9]。感興趣的環(huán)境屬性可能是低層特征，如表面紋理或溫度。然而要完全自主必須考慮為獲取更好的感官信息選擇最佳行動(dòng)的更高層次過程，也稱為主動(dòng)探索。主動(dòng)探索是由外在和內(nèi)在激勵(lì)變量的組合驅(qū)動(dòng)的。外在激勵(lì)的特定任務(wù)，例如對(duì)象分類、激勵(lì)任務(wù)、人的好奇心驅(qū)動(dòng)的探索方式。實(shí)驗(yàn)表明人類在探索物體時(shí)主要使用6 種類型的探索運(yùn)動(dòng)來確定其性質(zhì)。為了使軟體機(jī)器人實(shí)現(xiàn)有效的探索，觸覺和自感反饋的結(jié)合可能有助于有效實(shí)現(xiàn)此類激勵(lì)功能。

走向自主觸覺勘探控制架構(gòu)的第1 步，稱為觸覺伺服[10]。通過將控制目標(biāo)作為傳感器特征空間跟蹤軌跡的問題，出現(xiàn)了各種自主感官探索策略。緊急勘探策略包括保持與物體的接觸、邊緣跟蹤和對(duì)未知物體的形狀探索。探索還被定義為一種力，并利用觸覺傳感器對(duì)未知物體構(gòu)成控制問題，同時(shí)使用在此過程中獲得的其他觸覺信息來估計(jì)對(duì)象的符合性，近期相關(guān)研究將積極探索與對(duì)象評(píng)價(jià)的相結(jié)合。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的中層過程獨(dú)立于高層勘探戰(zhàn)略，因此建議的算法效率相對(duì)較低，速度較慢；同時(shí)運(yùn)行并受觸覺特征提取過程調(diào)節(jié)的勘探戰(zhàn)略，該算法將允許配備電子皮膚的機(jī)器人高效處理其感官信息，可以對(duì)移動(dòng)的目標(biāo)物收集信息，實(shí)現(xiàn)最佳的探索策略并做出明智的決策。

2.3 操縱與反饋機(jī)制

機(jī)器人操作涉及使用內(nèi)部執(zhí)行器將外部對(duì)象的狀態(tài)更改為所需的設(shè)定點(diǎn)[11]。觸覺傳感器的作用主要是獲取外部物體的狀態(tài)信息。隨著能量流向環(huán)境，物體的穩(wěn)定性備受關(guān)注。掌握力優(yōu)化和穩(wěn)定是涉及觸覺傳感器的最基本操作任務(wù)之一，例如通過檢測(cè)滑移并做出相應(yīng)反應(yīng)。由于這些方法能夠處理復(fù)雜的多式并聯(lián)的感官信息及多信息融合，因此最近的研究主要使用基于深度學(xué)習(xí)的方法進(jìn)行滑動(dòng)預(yù)測(cè)，并調(diào)整和把握故障檢測(cè)的方法。有學(xué)者研究使用低維傳感器空間表示軟體機(jī)械手的性能[12]，使用自動(dòng)編碼器生成和連續(xù)觸覺傳感器獲得復(fù)雜信息數(shù)據(jù)，幫助軟體機(jī)器人從環(huán)境中學(xué)習(xí)控制策略和推測(cè)，并且消除外界信息的干擾。另一項(xiàng)軟體機(jī)械手的校準(zhǔn)和建模研究表明，慣性測(cè)量單元能夠自動(dòng)適用控制信號(hào)信息和其他傳感器模式。

研究過程發(fā)現(xiàn)最復(fù)雜的操作任務(wù)是機(jī)械手握操作，軟體機(jī)器人對(duì)身體、大腦和傳感器施加了嚴(yán)格要求。目前使用觸覺傳感器進(jìn)行手動(dòng)操作的進(jìn)展主要限于滾動(dòng)圓形物體[13-14]，如圖6 所示。首先，外部視覺跟蹤系統(tǒng)在機(jī)械手內(nèi)操作方面取得了顯著進(jìn)展。然而，僅使用視覺訓(xùn)練的控制策略僅依賴于場(chǎng)景，需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，從而激勵(lì)人們進(jìn)一步研究在手動(dòng)操作過程中使用觸覺感應(yīng)。其次，全身傳感的主要挑戰(zhàn)是組織和校準(zhǔn)許多空間分布的多式聯(lián)運(yùn)觸覺傳感元件，空間校準(zhǔn)可以使用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)作推理技術(shù)手動(dòng)執(zhí)行或自動(dòng)化。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法對(duì)于沒有明確運(yùn)動(dòng)/動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的端到端模型也很有希望。最后，全面的全身觸覺感應(yīng)研究能夠自行組織和自校準(zhǔn)多種聯(lián)運(yùn)傳感單元，并實(shí)施由平衡控制器、自碰撞避免系統(tǒng)和皮膚控制器融合組成的分層任務(wù)管理器。

圖6 電子皮膚和軟體機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)的潛在能力和技術(shù)

3 研究方向

近年來，電子皮膚和軟體機(jī)器人領(lǐng)域的研究都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，結(jié)合這2 個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)步，生產(chǎn)智能、自主的軟體機(jī)器人是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，需要在幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域取得進(jìn)展才能進(jìn)一步用于生產(chǎn)實(shí)踐中。以下概述了該領(lǐng)域的主要開放問題，并提出了可行的解決方案。

3.1 設(shè)計(jì)和制造

軟體機(jī)器人開發(fā)傳感器陣列的主要挑戰(zhàn)是：設(shè)計(jì)微型尺寸、動(dòng)態(tài)范圍大、分辨率高、靈敏度強(qiáng)的可拉伸感官陣列傳感器。感應(yīng)壓力、剪切和振動(dòng)，甚至檢測(cè)環(huán)境中存在化學(xué)和生物標(biāo)記對(duì)于各種應(yīng)用都存在用處。近期將微小細(xì)胞整合到軟體機(jī)器人上，使得直接檢測(cè)和顯示軟體機(jī)器人的化學(xué)信息成為可能。其他主要的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括選擇集成到皮膚中的傳感器數(shù)量以及研究如何放置于可穿戴設(shè)備當(dāng)中。

3.2 機(jī)器學(xué)習(xí)和信息處理

提高軟體機(jī)器人的智能還需要計(jì)算模型，可以從傳感器陣列中提取有用信息。例如，確定哪些算法可以最有效地完成分類、回歸和故障檢測(cè)方面的任務(wù)，是否應(yīng)該使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，哪些架構(gòu)最容易訓(xùn)練，效率和可靠性之間是否存在權(quán)衡，都是需要解決的問題。解決這些問題需要計(jì)算機(jī)和信息科學(xué)家、材料工程師和神經(jīng)科學(xué)家之間的多學(xué)科交叉協(xié)作。其結(jié)果將是機(jī)器人更了解自己及其所處的環(huán)境，以及機(jī)器人與人類的互動(dòng)，已達(dá)到應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。情感接觸是人類日常使用的關(guān)鍵非語言交流形式，機(jī)器人不完全具備人類的情感接觸，但受益于電子皮膚、軟體機(jī)器人和機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合的應(yīng)用，機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境刺激可做出動(dòng)作反饋。目前大多數(shù)機(jī)器人無法理解手勢(shì)，例如拍拍背部等動(dòng)作，因?yàn)樗鼈儾痪邆錅y(cè)量相互作用所需的傳感器，無法理解情感接觸反饋信息。

3.3 形狀感應(yīng)

需要大力發(fā)展形狀感應(yīng)電子皮膚，探究如何將傳感器擴(kuò)展應(yīng)用到各種軟體機(jī)器人。軟體機(jī)器人經(jīng)歷大應(yīng)變和復(fù)雜變形，主要挑戰(zhàn)包括提高形狀感應(yīng)皮膚的可拉伸性，以及提高傳感器檢測(cè)小曲率的分辨率。如果該領(lǐng)域有可靠的軟體機(jī)器人自適應(yīng)解決方案，可以想象形狀反饋將實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的可控形狀變化。目前的軟體機(jī)器人無法轉(zhuǎn)換為特定的配置，但即使是簡(jiǎn)單的形狀變化也帶來了各種任務(wù)的創(chuàng)新解決方案，如障礙避險(xiǎn)、滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)、水下運(yùn)動(dòng)和偽裝。

3.4 反饋控制

軟體機(jī)器人作為可穿戴設(shè)備，能夠?qū)Νh(huán)境的反應(yīng)，運(yùn)動(dòng)、探索和操縱均通過變形做出相應(yīng)變化，使用軟觸覺傳感器進(jìn)行閉環(huán)控制仍處于低級(jí)階段，少數(shù)相關(guān)研究使用低維軟應(yīng)變傳感器進(jìn)行閉環(huán)運(yùn)動(dòng)或力控制。軟傳感器最初是為可穿戴設(shè)備開發(fā)的，但實(shí)際應(yīng)用中對(duì)軟體機(jī)器人的傳感器性能期望要求很高。開發(fā)人類觸覺傳感系統(tǒng)通過開發(fā)超冗余傳感網(wǎng)絡(luò)和智能數(shù)據(jù)處理技術(shù)，能夠較好實(shí)現(xiàn)較好的性能。因此，如果要將軟體機(jī)器人用于基于觸覺的閉環(huán)控制任務(wù)，則可能需要將剛性組件集成到柔軟的機(jī)器人本體上。

4 展望

研究人員已經(jīng)開發(fā)出許多有使用價(jià)值的軟體機(jī)器人，將自然界生物特征用于仿生實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的特定功能，該領(lǐng)域的下一步是開發(fā)生物啟發(fā)的觸覺感應(yīng)軟體機(jī)器人，可以安全地與周圍環(huán)境互動(dòng)和探索。研究方向?qū)⒓性谲涹w機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制造上，并探索如何通過機(jī)器學(xué)習(xí)提高軟體機(jī)器人感知能力。在短期內(nèi)該領(lǐng)域可以專注于可部署的高分辨率傳感器皮膚、處理密集傳感器信息的算法以及軟體機(jī)器人的可靠反饋控制。長(zhǎng)期目標(biāo)是機(jī)器人具有觸摸和感受自然系統(tǒng)敏感性的能力。相信未來的社會(huì)將迫切需要可穿戴設(shè)備并與人類生活緊密結(jié)合的機(jī)器人，軟體機(jī)器人將應(yīng)用到家庭生活、殘疾輔助機(jī)器人、可穿戴設(shè)備、協(xié)作人類工作等領(lǐng)域。