機器人觸覺感測技術之應用介紹

摘要：傳統的工業機器人在自動化中扮演一個重要角色，機器人依著事先規劃的程式，可以反覆執行所給與的工作，如焊接、裝配、搬運等。但這種控制方式的最大缺點是機器人缺乏感測外界環境的能力，無法隨環境的改變而修正自己的動作去完成工作。為克服這種困難，不論是工業型機器人或是服務型機器人，視覺感知能力是最先被導入於機器人的整合應用上。然而，為了提升機器人的智慧能力，或是克服作業的複雜性等因素，新型機器人已經開始裝配觸覺感知技術，使機器人可以進行更靈巧的作業，與其他機器人、設備和人類的互動也較安全且容易，兼具操作的靈活性。

Abstract: Traditional industrial robots play an important role in automation. Robots can perform repeated works, such as welding, assembly, handling, etc. The biggest drawback of such control approach is that a robot can't correct its own actions to complete the work following the changes of its environment. Initially, visual perception capability was introduced into industrial or service robot applications to overcome the problem of lacking the ability to sense the external environment. Furthermore, in order to enhance the intelligence or overcome the complex operations, novel robots start to equip with tactile perception to perform more dexterous works. In such a way that the robots can safely and easily collaborate with other robots, equipment, and even human beings.

關鍵詞：觸覺、自動化、機器人

Keywords：Tactile、Automation、Robot

前言
現階段的機器人已經擁有視覺和聽覺感知能力，隨著材料科學的技術進步，觸覺感知技術已經開始導入許多領域，機器人距離擁有與人類相同的感知能力，又更加進一步。表1所示為人類與機器在感知領域的相對應關係。觸覺感知其重要性僅次於視覺及聽覺，是機器人獲取環境資訊及實現與環境直接互動的必要功能，最大的好處是觸覺可以直接感知和環境的多種特性。因此，觸覺感知功能不僅僅是彌補感知功能上的不足，尚可獲取機器人與物件、環境相互作用時之資訊。簡單的說，機器人觸覺指的是機器人和物件物之間直接接觸的感覺，包括接觸覺、壓覺、力覺、冷熱覺等與接觸有關的感覺。明確的說，它是機器人與物件接觸面上的力感覺，其主要功能是檢測及識別兩項功能。檢測功能是辨識操作物件的狀態、機器人與操作物件的接觸狀態、操作物件的物理性質等。識別功能則是估測操作物件的形狀、大小、強度等特性。若沒有觸覺功能，機器人將不能穩定地抓住手中物體或工具，更無法維持與環境互動的一致性。以機器人的物件抓取為例，機器人可以藉由一個CCD camera的導引去抓取桌面上任意擺放的物件，並利用觸覺感測器修正抓取物件的姿態或動作。方法是先利用CCD camera取得影像，並計算出物體在影像上的位置，再經由座標系統轉換，使機器人可以知道物件與機器人的位置關係，進而引導機器人移到物體之上方或附近，並進行抓取工作。在抓取的過程中，藉著觸覺感測器的感測訊號，可以防止物件被夾壞或是從機械手（end-effector）上滑落下來。另外，在某些狀況下，任務的進行僅能單純的仰賴觸覺感知技術。例如，深海探勘機器人能在海底維修重要電纜或進行例行性維修。在正常情況下，操作人員對深海探勘機器人進行操控，是非常困難的，主要原因是深海一片漆黑，即使打開照明設備，能見度依然不足。因此，操作人員透過觸覺感測器所提供的環境資訊回饋，方能完成水下環境勘測工作。

以人類的感知能力為參考，機器人需要發展視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等感知能力。味覺及嗅覺基本上是相同的技術，目前仍處於研究階段，相關的產品還是很缺乏且不夠成熟。如以工業生產為範疇，機器人的視覺及聽覺感知功能是目前最完善的，已能應付大部分的需求。如以服務型機器人的應用需求為例，某些關鍵技術仍有待突破，如環境條件劇烈變動下的人臉辨識或語音辨識。至於機器人的觸覺感知能力，有賴於材料科學及半導體製程的進步，觸覺感測器的成本已大幅下降，許多新式的工業用機器人也開始裝配觸覺感測器，並應用在許多複雜作業上。例如，圖1所示為ABB於近期所開發之機器人YuMi，它為1個雙臂型式之工業用機器人，具有視覺和觸覺協作技術，外表以軟性材料包覆，並配備創新的力量感測技術，可以避免碰傷人類同事，整個機器人的各種功能中，都包含著「安全」的設計，使其可以在開放的環境中與人類一同工作，主要是為了滿足電子消費品行業對彈性和靈活製造工藝的需求，未來也將逐漸應用於更多市場領域。除此之外，觸覺感知技術的進一步，已帶動電子皮膚的廣泛研究，其所造成的效應，未來將遠大於在機器人上的應用。