觸摸（touch）是人類在進(jìn)行協(xié)調(diào)交互時(shí)的主要方式之一。通過觸摸感知到的觸覺（sense of touch）可以幫助人類評(píng)估物體的屬性，如大小、形狀、質(zhì)地、溫度等。此外，還可以利用觸覺來檢測(cè)物體的滑脫，進(jìn)而發(fā)展人類對(duì)身體的認(rèn)識(shí)。觸覺將壓力、振動(dòng)、疼痛、溫度等多種感覺信息傳遞給中樞神經(jīng)系統(tǒng)，幫助人類感知周圍環(huán)境，避免潛在的傷害。研究表明，與視覺和聽覺相比，人類的觸覺在處理物體的物質(zhì)特征和細(xì)節(jié)形狀方面更勝一籌。
與人類一樣，機(jī)器人的觸摸傳感（touch sensing）能夠幫助機(jī)器人理解現(xiàn)實(shí)世界中物體的交互行為，這些行為取決于其重量和剛度，取決于觸摸時(shí)表面的感覺、接觸時(shí)的變形情況以及被推動(dòng)時(shí)的移動(dòng)方式。只有給機(jī)器人也配備先進(jìn)的觸摸傳感器 — 即 “觸覺傳感（tactile sensing）” 系統(tǒng)，才能使其意識(shí)到周圍的環(huán)境，遠(yuǎn)離潛在的破壞性影響，并為后續(xù)的手部操作等任務(wù)提供信息。然而，目前大多數(shù)機(jī)器人交互式技術(shù)系統(tǒng)由于缺乏對(duì)觸覺傳感技術(shù)的有效應(yīng)用，其動(dòng)作不準(zhǔn)確、不穩(wěn)定，交互過程“笨拙”，極大地限制了他們的交互和認(rèn)知能力。
我們?cè)谶@篇文章中重點(diǎn)關(guān)注人類和機(jī)器人的觸覺傳感問題。首先，我們討論人類 觸覺 的生理和編碼方式，及其在傳遞觸覺數(shù)據(jù)等任務(wù)中的重要性。然后，在分析人類觸覺的基礎(chǔ)上探討機(jī)器人 “觸覺傳感” 系統(tǒng)的構(gòu)建，特別是觸摸感知（tactile perception）的方法和應(yīng)用。最后，具體分析兩篇關(guān)注在具體應(yīng)用場(chǎng)景中向機(jī)器人引入觸覺傳感技術(shù)的文章。
一、人類「觸覺」
首先，我們來分析人類的觸覺究竟是什么。人類的 “觸覺” 包括兩個(gè)主要的亞型，即 “皮膚（cutaneous）” 和“動(dòng)覺（kinesthetic）”。兩者主要是基于感覺輸入的部位來區(qū)分的：皮膚感覺接收來自嵌入皮膚的受體的感覺輸入，而動(dòng)覺感覺接收來自肌肉、肌腱和關(guān)節(jié)內(nèi)的受體的感覺輸入。在這兩個(gè)亞型的基礎(chǔ)上，研究人員區(qū)分定義了皮膚（cutaneous）、動(dòng)覺（kinesthetic）和觸覺（haptic）三種感覺系統(tǒng)。其中，皮膚系統(tǒng)包括與刺激物的身體接觸，并通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)（central nervous system，cns）皮膚和相關(guān)體感區(qū)的受體提供對(duì)身體外表面刺激的感知；動(dòng)覺系統(tǒng)主要來自肌肉、關(guān)節(jié)和皮膚的傳入信息以及大腦可用的肌肉效能的相關(guān)聯(lián)系來提供有關(guān)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)身體姿勢(shì)（頭部、軀干、四肢和末端執(zhí)行器的相對(duì)位置）的信息；觸覺系統(tǒng)利用的則是來自皮膚和動(dòng)覺系統(tǒng)的關(guān)于物體和事件的重要信息。
人類的觸覺通過分布在全身不同密度的大量受體（如壓力 / 振動(dòng)的機(jī)械感受器、溫度的熱感受器和疼痛 / 損傷的痛覺感受器）處理對(duì)外部刺激的時(shí)空感知。對(duì)機(jī)械刺激的反應(yīng)是由植入皮膚不同深度的機(jī)械感受器介導(dǎo)的。這些受體的分類、功能和位置如圖 1 所示 [1]。這些受體具有不同的感受野（受體反應(yīng)的身體區(qū)域的范圍）和不同的適應(yīng)率。一個(gè)快速適應(yīng)（fast-adapting，fa）受體在第一次被施加刺激時(shí)就會(huì)立刻產(chǎn)生動(dòng)作電位的爆發(fā)。相反，對(duì)于慢適應(yīng)（slow-adapting，sa）受體來說，在刺激與其感受野接觸的整個(gè)時(shí)期內(nèi)它都是活躍的狀態(tài)。對(duì)熱刺激的反應(yīng)被認(rèn)為是由皮膚中單獨(dú)的“熱” 和“冷”的熱受體群體介導(dǎo)的。此外，科學(xué)家還在體外和體內(nèi)對(duì)人體皮膚樣品進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同受體對(duì)外界刺激的反應(yīng)本質(zhì)上是熱電性和壓電性的。
圖 1. （a） 無毛皮膚切片，顯示各種機(jī)械感受器的物理位置和分類；（b） 從指尖到大腦體感區(qū)的觸覺信號(hào)傳遞；（c） 觸覺信號(hào)從接觸點(diǎn)傳遞到大腦過程中的功能事件，為了簡(jiǎn)單起見，信號(hào)流是單向的
從皮膚受到刺激的那一刻起直到產(chǎn)生感知，會(huì)發(fā)生各種復(fù)雜的機(jī)械、感知和認(rèn)知現(xiàn)象。圖 1 給出了一個(gè)事件序列示例。當(dāng)皮膚與物體接觸時(shí)，它會(huì)與物體表面保持一致，即保持相同的局部輪廓，從而將變形投射到大量的機(jī)械感受器（受體的一類）上。因此，每個(gè)機(jī)械感受器都能表征物體的一小部分，并將時(shí)空觸覺信息編碼為響應(yīng)于刺激大于閾值時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)作電位電壓脈沖的峰值。刺激的振幅隨后被轉(zhuǎn)換成一系列動(dòng)作電位，這一步驟類似于用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)數(shù)字化和編碼過程。
時(shí)空限制和對(duì)機(jī)械刺激的敏感性直接影響人類的物體識(shí)別能力和方向敏感性等。皮膚感覺的模式感知能力受到其空間和時(shí)間敏感性的限制，因?yàn)樗鼈冊(cè)谄つw處理的早期階段就通過時(shí)空過濾來量化信息的丟失或模糊程度。這種效應(yīng)可以用來定義機(jī)器人觸覺傳感的 “串?dāng)_” 極限。
人類善于通過觸摸來識(shí)別普通物體，而物體的材料屬性、形狀等線索識(shí)別的結(jié)果都是至關(guān)重要的。皮膚、動(dòng)覺都有助于感知這些線索。不過，人類的觸覺感知更適合于感知物體的物質(zhì)屬性，而不是感知物體的形狀，特別是在當(dāng)物體較大、超過了手指接觸區(qū)域大小（7-12 mm）的情況下。不過，對(duì)手指接觸區(qū)域內(nèi)的物體進(jìn)行形狀（shape）檢測(cè)是機(jī)械感受器的一項(xiàng)重要功能。
此外，粗糙平滑（roughness-smoothness）是另一個(gè)重要的感知維度。神經(jīng)生理學(xué)研究表明，觸覺粗糙度知覺是由 sa 傳入神經(jīng)放電的空間變化準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的，因此，它是多種觸覺要素的函數(shù)。
對(duì)物體滑脫（slip）的檢測(cè)可以看作是皮膚受體對(duì)運(yùn)動(dòng)的編碼。表面和皮膚之間的滑動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)于感知粗糙度、硬度和形狀非常重要。滑脫作為一種誤差信號(hào)，在人的握力控制中起著重要作用。物體接觸表面的觸覺反饋會(huì)影響對(duì)支撐物體的力的感知。除了大小之外，力的方向?qū)τ谔幚硇螤畈灰?guī)則的物體同時(shí)保持所需的方向也是至關(guān)重要的。在運(yùn)動(dòng)控制中，觸覺信息在控制伸手抓握動(dòng)作的執(zhí)行中起著重要作用。準(zhǔn)確地抓住一個(gè)物體不僅需要精確地控制手指肌肉的活動(dòng)強(qiáng)度，而且還需要精確地控制其在不同抓取階段的時(shí)間進(jìn)程或持續(xù)時(shí)間。缺乏觸覺感知會(huì)延長(zhǎng)抓握的手指張開階段的持續(xù)時(shí)間，從而削弱抓握的控制。最后，人類通過皮膚這種介質(zhì)將接觸壓痕轉(zhuǎn)化為應(yīng)力 / 應(yīng)變。人體皮膚具有多層性、非線性、非均勻性和粘彈性，它是一個(gè)由肌肉和脂肪組成的可變形系統(tǒng)支撐的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。不同的皮膚層有不同的剛度。有了這些特性，皮膚力學(xué)就在觸覺感知中發(fā)揮重要作用。
但是，需要指出的是，人是一個(gè)完整的、多層次的、綜合的系統(tǒng)，“觸覺”并不是孤立的。人類感知一個(gè)刺激物依賴的是多個(gè)感官信息的集合，如觸覺、視覺、聽覺等。有時(shí)，不同感覺方式的輸入效果是相互矛盾的，此時(shí)，人需要判斷這些不同的感覺方式所輸入的信號(hào)的關(guān)系和正確性。而在更多其它的時(shí)候，人類的感知是由不同感官輸入信號(hào)的綜合體。即便僅涉及一個(gè)單一的輸入模態(tài)，人類對(duì)一個(gè)物體的感知也可能是由于它的子模態(tài)的綜合作用所得到的。多個(gè)來源的感官信息的組合與整合能力是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的人類感知的關(guān)鍵，因?yàn)樗畲笙薅鹊乩昧藖碜圆煌泄倌Ｊ降男畔ⅲ瑥亩岣吡烁泄俟烙?jì)的可靠性。
二、機(jī)器人「觸覺傳感」
對(duì)應(yīng)于人的觸覺，機(jī)器人的觸覺傳感（tactile sensing）系統(tǒng)就是一種可以通過接觸來測(cè)量物體給定屬性的裝置或系統(tǒng)。一般來說，機(jī)器人的觸覺感知與在預(yù)定區(qū)域內(nèi)的力的測(cè)量有關(guān)。為了改進(jìn)機(jī)器人的應(yīng)用效果，也應(yīng)當(dāng)為機(jī)器人配備先進(jìn)的觸覺感知系統(tǒng)，以使其能夠感知周圍環(huán)境，遠(yuǎn)離潛在的破壞性影響，并為后續(xù)任務(wù)（如手部操作）提供有效信息。
機(jī)器人觸覺傳感有著眾多應(yīng)用場(chǎng)景：比如在操作任務(wù)中，使用觸覺信息作為機(jī)器人的控制參數(shù)，例如，接觸點(diǎn)估計(jì)信息、表面法向和曲率等；在抓握任務(wù)中，通過測(cè)量法向靜態(tài)力來檢測(cè)物體滑動(dòng)情況，例如，將接觸力的測(cè)量值用于輔助抓握力控制，這對(duì)于機(jī)器人保持穩(wěn)定抓握至關(guān)重要；在機(jī)器人的靈巧操作任務(wù)中，判斷施加操作用力的方向也是至關(guān)重要的，例如，通過調(diào)節(jié)法向力和切向力之間的平衡，能夠保證抓握的穩(wěn)定性。
圖 2 給出了一個(gè)在指尖、指骨和手掌上配置觸覺傳感器的機(jī)器人手示例[3]。具備高空間和時(shí)間分辨率的觸覺傳感器為手部提供了豐富的觸覺信息，進(jìn)而用于輔助機(jī)器人執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)，例如，探索未知對(duì)象、工具使用和手部操作等。
圖 2. 陰影靈巧手（左）被觸覺皮膚覆蓋（中間），以便在多個(gè)位置提供觸覺信息（右側(cè)渲染圖中突出顯示的綠色區(qū)域）[3]
觸覺傳感器也可以嵌入機(jī)器人的其他身體部位，如手臂、軀干（圖 3 中 nao 機(jī)器人示例）、腿和腳。由這些部位反饋的觸覺信息與輔助機(jī)器人繞行障礙物、完成人機(jī)交互和移動(dòng)等任務(wù)密切相關(guān)[3]。
圖 3. nao 類人機(jī)器人覆蓋著一層多模人造機(jī)器人皮膚，提供振動(dòng)、溫度、力和接近信息[3]
文獻(xiàn) [2] 引入了觸覺傳感，結(jié)合傳統(tǒng)的視覺和聽覺，機(jī)器人的感知 – 控制 – 行為的架構(gòu)系統(tǒng)以圖 4 的形式展示出。其中，左側(cè)圖表示將觸覺感知過程被劃分為功能塊，在不同的層次上描述傳感過程、感知和控制行為。圖 1 的右側(cè)示出了與這些功能塊相對(duì)應(yīng)的硬件的結(jié)構(gòu)塊。傳感過程（sensing）將外界刺激（如壓力、振動(dòng)和熱刺激）轉(zhuǎn)化為觸覺傳感器傳感元件的變化。利用嵌入式數(shù)據(jù)處理單元采集、調(diào)節(jié)和處理這些數(shù)據(jù)，然后將其傳輸?shù)礁叩母兄獙樱╬erception）。感知層的任務(wù)是構(gòu)建用于生成感知交互對(duì)象特性（如形狀和材料特性）的模型。在感知階段，觸覺還可能還會(huì)與視覺和聽覺等其他感知方式相融合（fusion）。最終，在控制層（action）中機(jī)器人根據(jù)融合的知識(shí)執(zhí)行控制命令，使用控制器完成動(dòng)作。
圖 4. 機(jī)器人觸覺傳感系統(tǒng)的

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