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    科普(觸覺通信與遙操作)
    2015-12-21
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    基于遙操作的觸覺通信技術

    人類對于外界環境的認識主要依靠“五感”,即聽覺、視覺、嗅覺、味覺和觸覺。人類在世界中的活動主要可以分為兩種:一種是非接觸的,如觀察、避障等。對于這種方式,大部分的信息是通過視覺輔以聽覺來提供的。另一種是接觸的,如抓取、敲擊物體、挖掘等。此時,觸覺是人類判斷環境的性狀、決定操作方式和力度的最重要的參考信息。

    人類出于認識自然和改造自然的需要使各種人類感官信息的通信成為現實。如圖1所示。人類在19 世紀發明了電話,從此實現了聲音信息的通信。在20 世紀,人類使用攝像機和電視,使視覺的通信成為現實。電話和電視的問世極大地擴展了人類認識自然的活動范圍,加速了人類社會的發展。而到了21 世紀,人類還應可以利用機器人實現觸覺的傳遞,使人類對于世界的認識和改造的活動范圍不再受到地理距離的限制。

    1 人類感官通信發展歷程

     

    2 遙操作與觸覺通信

    在核工業領域,在對具有放射性的燃料棒進行移動或維護的過程中,若在燃料棒與進行作業的人員之間建立起觸覺的接口,則作業者在安全的區域內也能夠實現有如親自在燃料棒旁進行作業的感受,提高工作效率。1948 年,美國Arogonne 國家實驗室開發了用于核反應堆操作的機械式力矩反饋主-從系統(Mechanical Master-Slave Manipulators,MSM's)開創了這一研究的先河。其后,為解決機械系統傳輸距離有限,跟蹤性能差的物理限制,Arogonne 實驗室于1954 年研制了電氣式主-從機械臂(Electrical Master-Slave Manipulators,ESM's),操作性能得到很大改善。這一系統開啟了現代觸覺反饋研究的大門。特別是在2011 3 11 日的東日本大地震后,日本福島第一核電站發生嚴重的氫氣爆炸及核泄漏事故。在事故的善后處理中,遠程作業的重要性重新被人們所認識。日本東北大學等科研機構紛紛在原有的研究基礎上加強了觸覺傳遞系統的研究,以提高遠程遙控作業的工作效率。

    3 Arogonne 實驗室機械式力矩反饋系統

    在深空探測和深海開發方面,機器人工作在真空的深空環境或高壓的深海環境中,而作業的人員則工作在地面上。在作業環境與作業人員之間的觸覺傳遞有助于提高工作效率。20 世紀80-90 年代,隨著航天技術的發展,有觸覺反饋的遙操作在航天器維修、裝配方面漸露頭腳。1981 年,加拿大空間局為空間站開發了遙操作系統SSRMS Space Station Remote Manipulator System)。1993年,歐洲空間局成功應用德國的ROTEX 機器人進行了實驗,驗證了延遲條件下地面對空間遙操作的可行性。1997 年,日本在ETS-VII 型實驗技術衛星上裝載了空間機器人,進行了空間遙操作實驗。這一時期,美國的NASA 也啟動了空間遠程機器人項目,希望由遠程機器人代替宇航員完成50% 的作業任務。1989年,美國Utah 大學為美國海軍開發了具有高保真力反饋的主-從遙操作系統,用以完成多種海底精細作業任務。日本港灣空港技術研究所設計了水下作業工程機械力反饋操作系統。研究顯示,利用該技術使水下作業的效率基本達到了陸上作業的水平。

    4 面向空間探測的遙操作系統

    5 有觸覺傳遞功能的水下作業系統

    在醫療領域,微創手術(Minimally Invasive Surgery,MIS)吸引了眾多研究者的目光。因為這種手術創傷小,患者恢復快,非常有助于提高患者的生存質量。利用觸覺通信技術能夠實現醫生技能的擴展,將患者體內的狹小空間與醫生所處的開放空間聯系起來,為醫生提供有如傳統的開放式手術那樣的動作范圍和觸感,從而提高手術的精確度和成功率。2010 年,日本慶應義塾大學成功研制了觸覺鉗子手術機器人,并通過小鼠肝臟組織剝離實驗證實: 該觸覺鉗子能夠實現在醫院的樓宇范圍內高性能的觸覺傳遞,使醫生在遠離“患者”的位置也能清晰地感覺到鉗子與活體組織間微弱的觸感。

    6 日本慶應義塾大學觸覺鉗子手術機器人

    在現代微電子工業、分子生物學研究、納米材料的開發以及基礎醫學等領域,微操作任務越來越多,同樣迫切需要具有觸覺傳遞功能的微操作機器人的參與。例如在原子力顯微鏡的操作中,觸覺技術可以為操作者提供探針與試樣之間的觸感,使人們可以在數十至數百納米量級上高效地作業。

    此外,在通信網絡發達的今天,人們利用聽覺和視覺的通信技術來進行溝通和交流。觸覺通信技術將使地球上任意兩地的人們可以“握手”交互。在電子商務不斷發展的時代,觸覺通信技術可以為人們提供一個接口,使人們在聽到聲音、看到畫面的基礎上,還能摸到在另一地點的商品的質地,高效率地進行商務活動。

    我國的“國家重點基礎研究發展計劃(973 計劃)”的發展綱要中,在信息領域對數字信息理解與融合、和諧人機交互環境等問題進行了有針對性的部署。在“國家高技術研究發展計劃(863 計劃)”中,已將“臨場感遙操作”機器人技術列為關鍵技術加以研究。此外,國家自然科學基金以及其它省部級基金項目中也有若干這一領域的研究。在國家的大力支持下,東南大學、吉林大學、上海交通大學、北京航空航天大學、哈爾濱工業大學、國防科技大學、中科院沈陽自動化研究所等科研單位紛紛展開了面向觸覺的機器人研究。近年來,隨著中國空間站計劃、“嫦娥”探月計劃、“蛟龍”深海潛水器等項目的啟動實施,有觸覺傳遞功能的機械臂正逐漸獲得更密切的關注。

     

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