智能機器人觸覺傳感專利技術綜述

崔芳婷 李歡歡

摘要：觸覺是機器人實現(xiàn)與外部環(huán)境直接作用的必須媒介。本文針對機器人觸覺傳感技術的全球專利申請概況、專利分布和重要申請人專利布局進行分析，梳理機器人觸覺傳感技術的發(fā)展脈絡和趨勢，指明了該領域的研究熱點、重點，最后從現(xiàn)有技術角度分析未來技術的發(fā)展方向。

關鍵詞：智能機器人;觸覺;傳感

中圖分類號：TP24文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）03-0140-07

1 概述

觸覺是機器人獲取環(huán)境信息的一種重要知覺形式，是機器人實現(xiàn)與環(huán)境直接作用的一種必要方式。與視覺不同，觸覺本身有很強的敏感能力可直接測量對象和環(huán)境的多種性質特征。

觸覺的主要任務是為獲取對象與環(huán)境信息和為完成某種作業(yè)任務而對機器人與對象、環(huán)境相互作用時的一系列物理特征量（接觸力的大小、柔軟性、硬度、彈性、粗糙度、形狀等）進行檢測或傳感。機器人觸覺與視覺一樣基本上是模擬人的感覺，廣義的說它包括接觸覺、壓覺、力覺、滑覺、冷熱覺等與接觸有關的感覺，狹義的說它是機械手與對象接觸面上的力感覺。機器人觸覺傳感器主要有檢測和識別功能：檢測功能包括對操作對象的狀態(tài)、機械手與操作對象的接觸狀態(tài)、操作對象的物理性質進行檢測;識別功能是在檢測的基礎上提取操作對象的形狀、大小、剛度等特征，以進行分類和目標識別。

現(xiàn)今國內外關于機器人觸覺傳感的研究朝著大面積化、集成化、柔性化發(fā)展，具體體現(xiàn)在對于機器人觸覺皮膚的研究愈來愈廣泛深入。類似于人類皮膚，機器人皮膚不僅可以像人類皮膚那樣傳感外部環(huán)境信息，還可通過傳感器實現(xiàn)信息的定量檢測。而國內外機器人觸覺系統(tǒng)則朝向多元化、智能化、擬人化方向發(fā)展，具體體現(xiàn)在機器人使用觸覺進行類似于人的情感交互，如日本的“妻子”機器人，遠程陪護等。

因此，本文針對國內外專利數(shù)據(jù)進行分析，尋找機器人觸覺傳感技術的發(fā)展脈絡和專利布局情況，為機器人觸覺交互技術領域提供技術發(fā)展方向和專利布局指導。

2 全球專利申請概況

2.1 數(shù)據(jù)來源及檢索要素

本文采用中國專利文摘數(shù)據(jù)庫（CNABS）、德溫特世界專利索引數(shù)據(jù)庫（DWPI）和世界專利文摘數(shù)據(jù)庫（SIPOABS）。其中，CNABS用于中文專利檢索;利用DWPI以及SIPOABS兩者的結合完成英文庫專利的檢索。檢索的截止日期為2019年06月31日。而部分發(fā)明專利申請存在公開的延時，由此導致部分的專利申請由于未公開而不在本次文獻采集之列。接下來主要以關鍵詞和分類號檢索獲得的2424篇專利申請為基礎對專利申請進行分析。

2.2 全球專利申請量分析

最早的機器人傳感技術出現(xiàn)自1974年，是由日立提出了一種自動焊接機器人，自動焊接機器人通過手臂上安裝的觸覺裝置來感測工件的姿態(tài)。機器人的出現(xiàn)極大地提高了生產效率，因此，最早對于機器人傳感技術的研究集中于工業(yè)機器人的觸覺（力覺、滑動覺），用于為機器人提供觸覺傳感，輔助機器人完成工業(yè)任務。并且專利申請量在1983年達到一波小高峰。然而，受限于觸覺傳感器技術的發(fā)展，將觸覺傳感器應用于工業(yè)機器人的研究也在經(jīng)歷了80年代的小高峰后進入低迷時期，1990-2000年間，申請量均未超過20件。而在2000-2010年間，伴隨著智能機器人相關技術的發(fā)展，使得觸覺傳感技術的年專利申請量迅速增長了3倍，進入快速增長階段。而從2010年至今，觸覺傳感技術進入了急速增長階段，伴隨著智能機器人的廣泛應用和精密加工技術的快速發(fā)展，各國各類企業(yè)開始在該領域開展研發(fā)并著手進行專利布局[1]。

由圖1可以看出，智能機器人觸覺傳感技術中國專利申請量基本與全球申請量趨勢保持一致，基本上保持逐步增長的態(tài)勢，其中在2001年加入WTO之后開始快速增長，并且在2010年之后與全球申請量一樣進入急速增長階段。中國的智能機器人觸覺傳感技術專利申請相比于全球起步較晚，第一件專利申請出現(xiàn)在80年代，這主要是由于國內申請人技術起步較晚，并且早期國內機器人市場較小，國外申請人對中國市場不夠重視。2005年之后，隨著國內技術的發(fā)展和中國經(jīng)濟的增長，國內申請人的專利申請量開始快速增長，并在2011年超過了國外來華以及中國臺灣中國香港申請人的申請量，而在2014年之后，國內申請人專利的申請量占據(jù)了絕對數(shù)量優(yōu)勢。

2.3 各國家/地區(qū)/組織專利申請分析

由圖2可以看出，美國、中國、日本、歐洲、韓國關于智能機器人觸覺傳感技術的申請量位居前五位，其中美國、中國、日本的專利申請量占了總申請量的近60%。其中美國和中國并居第一，均占申請總量的28%;其次歐洲和日本的申請，分別占申請總量的16%和15%。可見，美國、中國和日本在智能機器人觸覺傳感領域投入的研究較多。

2.4 五局申請流向分析

進一步地，機器人觸覺傳感技術的主要首次申請國和目的地國的五局流向（中國、日本、韓國、美國、歐洲）進行分析發(fā)現(xiàn)，每個首次申請國的主要申請目的地是自己本國（如圖2所示）。其次可以發(fā)現(xiàn)，日本、歐洲、韓國除了重視本國專利布局外還特別重視對美國專利布局，美國在中國、日本、歐洲和韓國的申請量較平均，注重全球布局;日本在中國、美國、歐洲和韓國的申請量較平均，同樣注重全球布局。相比于美國、日本、韓國、歐局對其他國家的專利布局比較重視，中國目前還主要是針對本國進行布局，對其他國家布局較少。

2.5 全球重要申請人分析

從全球專利申請量排名前20位的申請人來看，主要來自日本、中國和美國。其中日本占據(jù)7個席位，中國占據(jù)5個席位，美國占據(jù)3個席位。其中，日本申請人主要為電子企業(yè)，包括精工愛普生、發(fā)那科、松下電器、佳能、川崎重工業(yè)、索尼等，并且精工愛普生的全球的申請量位列第一，發(fā)那科緊隨其后，位居第二。

中國申請人中主要為高校和科研機構，如東南大學、哈爾濱工業(yè)大學、浙江大學、清華大學等，而企業(yè)僅占據(jù)1個席位，為鴻富錦精密;美國申請人企業(yè)包括伊西康內外科、直觀外科手術、柯惠LP，其主要涉及為醫(yī)療器械為主的制造企業(yè)。

圖5示出了國內申請人在智能機器人觸覺傳感領域專利申請的情況。與全球主要申請人相比，國內主要申請人在申請量上具有一定的差距，申請量相對較少。其排名前10的中國申請人中，高校和科研機構占據(jù)7個席位，且申請量占比具有絕對優(yōu)勢，而企業(yè)僅占3個席位，申請量占比較低。值得注意的是，東南大學在智能機器人觸覺傳感領域申請量位居第一，其是位列第二的哈爾濱工業(yè)大學的申請的兩倍之多;東南大學的申請多來自于發(fā)明人為宋愛國的團隊，其在科研學術的成果也主要集中在智能機器人觸覺傳感技術。

3 專利技術發(fā)展路線

3.1 單一觸覺傳感器

機器人研究起源于人類希望機器人能夠代替人類完成某些重復性、危險性或者不希望從事的工作。如，車間中的焊接工人由于在進行焊接時產生的氣體而對健康有害的條件下工作，通過使用工業(yè)機器人將自動操作引入焊接領域。然而，機器人由于沒有傳感系統(tǒng)，在焊接變形使得焊縫發(fā)生偏轉的情況下，機器人無法傳感焊接位置的改變，從而造成事故。如何為機器人提供觸覺信號成為了制約機器人性能的關鍵技術。日立在JP9453075A中提出了將觸覺裝置安裝在焊接機器人的臂上來檢測相對位置的改變，從而實現(xiàn)自動焊接，提高了機器人的效率。

由于機器人觸覺傳感器不可能實現(xiàn)人體全部的觸覺功能，人類對機器人觸覺的研究只能集中在擴展機器人能力所必須的觸覺功能，從而研究出了多種觸覺傳感器，這些傳感器功能單一，僅能完成一種觸覺信號的檢測，如接觸、壓力、滑覺、力覺、滑動覺、接近覺等。越多的觸覺傳感器，就能獲得更多的觸覺傳感信號，為了獲取更多的觸覺信號，研究者將多種觸覺傳感器組合來提供多種觸覺信號。CN89109336中提供了一種三感覺機械手，具有接觸覺、接近覺、滑動覺三種傳感器，能夠以最小的夾緊力穩(wěn)定地抓取物體，能成功地抓取能承受的重物。

3.2 綜合觸覺傳感器

觸覺傳感器的出現(xiàn)給機器人增加了傳感系統(tǒng)，提高了機器人的智能性，然而，多種觸覺傳感器的組合的方式，不僅使得機器人的體積增大，也增加了機器人觸覺傳感系統(tǒng)的算法實現(xiàn)難度，同時也增加了機器人觸覺系統(tǒng)故障的概率。因此，研究者們期望集成了多種觸覺信號的傳感器。

中國科學院合肥智能機械研究所在CN98111392中提出了一種用于測量機械手手爪接觸面上受力情況的多功能類膚型傳感器，類皮膚型傳感器將觸覺、壓覺、力覺、滑覺等多種感覺集于一身，可以獲取綜合的觸覺信息， 其功能超過目前大量研究的單一功能的觸覺傳感器，可望廣泛用于空間機器人，精密裝配機器人。

3.3 柔性觸覺傳感器

由于傳感器的材料一般都是剛性材料，使得機械手抓取物體時有可能對物體的表面產生破壞，如抓取雞蛋、玻璃瓶等不具有彈性表面的物體。因此，人們也希望機器人的觸覺傳感器具有一定的柔性，藉此通過變形自適應目標物體的表面形狀，增大接觸面，這樣一方面有利于更加牢固可靠地抓握目標物體，另一方面還可以獲取較多的觸覺信息。

中國科學院合肥智能機械研究所CN200310106202提出了一種柔性觸覺傳感器及觸覺信息檢測方法，通過神經(jīng)網(wǎng)絡技術標定出磁敏陣列中各磁敏單元的輸出電流與磁性橡膠變形量之間的定量關系，可以獲取傳感器與未知物體發(fā)生“軟接觸”時的接觸位置、接觸力的空間分布以及目標物體的局部形狀等觸覺信息。該傳感器研制成功后可直接用于機器人技術領域，能安裝在機器人手指的指面或機械手夾持器表面，提高抓取和傳送等過程的可靠性，也可安裝在移動式機器人的身體周圍用于避障。

3.4 觸覺反饋與再現(xiàn)

隨著虛擬現(xiàn)實技術在外科手術仿真、遙操作機器人控制、虛擬制造等領域的應用，力觸覺信息的反饋對于虛擬操作的重要性日益顯著。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，通過力觸覺再現(xiàn)裝置，將物體表面的紋理特性反饋給操作者，能增強操作者的沉浸感，有助于提高對虛擬對象的傳感和操縱能力。

CN200910033323 針對圖像紋理的力觸覺再現(xiàn)問題，提出了一種基于從圖像灰度恢復形狀技術的紋理力觸覺再現(xiàn)方法，能較為真實的恢復紋理表面的微觀輪廓，使操作者得到對紋理圖像較為真實的觸感;利用通用的力反饋裝置即能模擬虛擬手滑過紋理表面所表達的觸感。

US201113137777A提出了一種手術機器人，能夠通過手術工具和觸覺傳感器產生和再現(xiàn)的接觸信號，提供觸覺反饋，可以防止組織損傷，并且可以由用戶容易地控制施加到手術區(qū)域組織的力，因此可以檢測到肉眼不可見的異常組織。

3.5 情感交流

隨著智能機器人的智能化程度的不斷提高，智能機器人開始應用于家庭領域，例如給人帶來歡笑的寵物機器人，照顧家庭成員的護理機器人，這些都要求智能機器人不僅能接收到外部信息，還能夠進行一定的處理，給予反饋。上述智能機器人雖然帶有觸覺感應系統(tǒng)，但信息處理能力不足，從而智能化程度不高。

CN201610178342提出了用在智能機器人上的觸覺傳感方法以及觸覺傳感裝置，將外部壓力信號轉換為數(shù)字信號;計算外部壓力信號持續(xù)的時間值，計算出數(shù)字信號變化率;將數(shù)字信號變化率與預設的變化閾值進行比較，從而確定外部壓力信號的類型;確定壓力產生位置，生成與壓力產生位置及外部壓力信號的類型相對應的情緒表達控制信號，從而觸發(fā)相應的情緒表達。使智能機器人具有根據(jù)受力部位和受力大小表達不同情緒的能力，使智能機器人更加擬人化。

4 重點申請人分析

4.1 精工愛普生

精工愛普生公司（Seiko Epson Corporation）成立于1942年，總部位于日本，主要致力于資訊設備、電子設備和緊密儀器，其中愛普生還提供機器人和集成選件，愛普生工業(yè)機器人易于使用、可靠、性能較高并具有較高的整體價值。

4.1.1 專利數(shù)據(jù)分析。圖7可以看出，精工愛普生于2009年開始申請機器人觸覺傳感方面的專利申請，在2010年和2011年專利申請量逐年攀升，然而，在2012-2015年的申請量有所下降，從2016年開始又迅速回升。精工愛普生在對外專利申請的初期就重視海外布局，尤其是重視在中國、美國的布局;歐洲和韓國不是精工愛普生的理想國，專利布局重視程度較低[2]。

4.1.2 專利技術分析。精工愛普生在機器人觸覺方面主要致力于力覺傳感技術和利用力覺反饋對機器人進行控制的研究，其通過對力覺檢測裝置的改進，從不同方面提高了力覺傳感的精度，從而應用到機器人中通過壓力傳感器去傳感力的反饋，根據(jù)力的反饋來調整機器人的姿態(tài)或位置。

針對用于檢測剪切力的結構體與用于檢測按壓力的結構體形成在不同的區(qū)域內，則存在導致傳感器的尺寸比較大，不適合小型觸覺傳感器的問題。如精工愛普生在2010年JP2010027325A中提出一種包括觸覺傳感器的機械手，其通過觸覺傳感器能夠快速精確的檢測外壓的有無，并通過應力檢測元件排列成陣列狀，并將其設置在傳感器表面從而達到同時檢測剪切力和按壓力的效果，從而準確判斷對象是出于抓持滑落狀態(tài)或抓持狀態(tài)。

針對無法對元件施加充分的增壓，存在力檢測的精度降低之類的問題。JP2013-124419 2013提供了一種用于機械手的力學檢測裝置，其電路基板設置于第一和第二基板之間，并通過在第一和第二基板上設置凸部，從而使得能夠通過凸部與第一/第二基板不經(jīng)由電路基板而夾持元件， 從而能夠防止電路基板成為緩沖部件而使施加于基板上元件的力分散的情況，因此能夠對元件充分地施加增壓，同時能夠使力檢測的精度提高。

針對由于從力覺傳感器的外周部引出布線，所以在臂動作時，在布線產生拽拉、撓曲、扭曲等，從而對力覺傳感器施加多余的力，存在相對于本來想要檢測的力產生誤差從而檢測精度降低這一問題。JP2015-022921提供了一種應用于機器人的力學檢測裝置，其通過設置指定部件的熱膨脹比的大小關系，來縮小部件由膨脹引起的變形量，從而能夠抑制不需要的力施加于壓電元件;同時通過設置指定部件的耐力比大小，提高部件的強度抑制部件變形，從而能夠提高力檢測裝置的檢測精度。

針對從第二振子輸出的信號中，難以表現(xiàn)出對應于按壓力的微小變化的微小的振幅的變化，難以發(fā)揮高的力檢測特性的問題。JP2016-211178提供了一種應用于機器人的力學檢測傳感器，其通過在集體上不同的面上設置梳齒電極，來檢測基體表面彈性表面波的頻率變化，通過根據(jù)頻率變化來檢測受到的力，能夠以高的精度檢測微小的力變化，從而提供能夠發(fā)揮高的力檢測特性的力檢測傳感器。

4.2 發(fā)那科公司

發(fā)那科公司（FANUC）成立于1956年，是一家日本企業(yè)，是專門致力于研究數(shù)控系統(tǒng)的公司。1974年，F(xiàn)ANUC的首臺機器人問世，自此后發(fā)那科公司致力于機器人技術上的領先與創(chuàng)新，其機器人主要應用在裝配、搬運、焊接、鑄造、噴涂、碼垛等生產環(huán)節(jié)。

4.2.1 專利數(shù)據(jù)分析。圖8可以看出，發(fā)那科公司涉及機器人觸覺傳感最早于1994年開始申請，其在2013年前申請量較少，在2014年后申請量迅速上升。發(fā)那科在對外專利申請的初期就重視海外布局，其在日本、歐洲、美國和中國的布局比較平均;韓國不是發(fā)那科的理想國，專利布局重視程度較低。

4.2.2 專利技術分析。發(fā)那科在機器人觸覺方面主要致力于利用力覺傳感技術對機器人進行控制的研究，根據(jù)力的反饋控制機器人的姿勢或動作。

為了進行生產中的部件或產品的次品檢查，進行使用具備力測定部的機器人測定工件的質量的工作。CN201210328610A提供了工件質量測定功能的機器人，其通過質量推斷部根據(jù)機器人移動時由力傳感器測定的一方向以上的力和由姿勢獲取部獲取的姿勢，推斷機器人把持的工件的質量。

機器人的各個關節(jié)的角度不同，機器人的姿勢不同。機器人臂拉伸線條體的力的大小、這些力的方向相互不同。在這種情況下，若僅對應機器人臂的前端部的位置來決定力修正量，則不能對上述的力的大小的差異以及力的方向的差異進行修正。JP2014048971A提供了機器人控制裝置，通過力修正量決定部根據(jù)存儲部來決定力修正量，接觸力算出部從力傳感器當前的輸出減去由內力推定部推定的內力和力修正量，算出接觸力，從而控制機器人臂與外部環(huán)境接觸的接觸力。

金屬制的力傳感器主體的體積有因機器人周圍的溫度變化而變化的情況。該情況下，因溫度變化而引起的力傳感器主體的體積變化量被追加至因作用于機器人臂的力而引起的力傳感器主體的形變量。從而，有力傳感器無法檢測人與機器人已接觸的情況的擔憂，產生機器人對人產生危害的危險變高的問題。CN201610210539提供了一種人機協(xié)作機器人系統(tǒng)，其通過負載檢測裝置內置有檢測溫度的至少一個溫度檢測元件，機器人控制裝置基于從溫度檢測元件輸出的檢測溫度是否超過閾值來判定是否使機器人的動作停止，從而確保機器人對人產生危害的危險抑制為最小限度，保證人的安全。

4.3 東南大學

國內申請人關于機器人觸覺交互主要集中于高校和科研機構，其中代表性的東南大學在智能機器人觸覺交互領域申請量位居第一，其主要是以宋愛國為代表的團隊，主要致力于觸覺傳感、觸覺再現(xiàn)方面的研究。但是東南大學申請主要是集中在中國的申請，并未重視專利的布局，在專利布局方面較國外申請人還存在較大差距。

東南大學在機器人觸覺方面的第一件專利申請為CN03131767，使得操作者通過該裝置可以觸摸虛擬環(huán)境中的虛擬物體，真實地傳感虛擬物體的柔性、剛度、表面紋理等觸覺特性。

隨著虛擬現(xiàn)實技術在外科手術仿真、遙操作機器人控制、虛擬制造等領域的應用，力觸覺信息的反饋對于虛擬操作的重要性日益顯著。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，通過力觸覺再現(xiàn)裝置，將物體表面的紋理特性反饋給操作者，能增強操作者的沉浸感，有助于提高對虛擬對象的傳感和操縱能力。因此，CN200910033323提供了一種紋理力觸覺再現(xiàn)的方法，通過從圖像灰度信息中提取真實紋理的微觀三維輪廓信息，繪制成虛擬表面;對虛擬表面的紋理通過力觸覺模型進行渲染，計算出的力由通用手控器輸出到操作者，其可以應用于機器人控制、外科人手術仿真或提供給盲人操作等[3]。

對觸覺的研究都集中于力觸覺，也有力觸覺再現(xiàn)裝置的出現(xiàn)，但是，觸覺是人類傳感外部世界的重要手段，溫度觸覺作為觸覺的一種在人的整個傳感系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，人手觸摸不同熱屬性的物體時有著不同的溫度感覺，據(jù)此人可以判斷出物體的熱屬性。在虛擬現(xiàn)實技術中加入溫度觸覺可以增強人的臨場感和沉浸感。CN201010104011提供了一種溫度觸覺再現(xiàn)裝置，能對遠程或虛擬環(huán)境傳感手所接觸到的熱容量進行溫度觸覺再現(xiàn)。

5 結論

在機器人觸覺研究方面，目前專利申請都集中在日本等半導體芯片技術發(fā)達的國家，如日本的精工愛普生和發(fā)那科。且精工愛普生和發(fā)那科都非常重視專利布局，基本所有的專利申請都在多個國家和地區(qū)進行專利申請。精工愛普生和發(fā)那科的專利技術路線不同，精工愛普生主要涉及醫(yī)療機器人的觸覺技術進行改進，注重對微小機器人的觸覺進行精準的力觸覺傳感;而發(fā)那科則主要針對工業(yè)機器人的觸覺技術進行改進，以提高工業(yè)機器人在工業(yè)生產中的力觸覺的精準輸出。

中國的機器人觸覺研究起步晚于全球的機器人觸覺研究，且國內申請人的專利申請普遍沒有進行海外專利布局，東南大學在機器人觸覺傳感方面進行了較多了研究，主要涉及觸覺的反饋與再現(xiàn)。

機器人觸覺的發(fā)展明顯滯后于視覺和聽覺，這是由于觸覺本身較復雜，具有多種不同的觸覺信號，把這么多種信號綜合在一起來模擬類似于人類皮膚的觸覺信號，受現(xiàn)有材料科學、制造加工技術、工藝等限制。目前發(fā)展較成熟的是機器人觸覺中的力覺，感覺力和進行力的反饋已經(jīng)能夠較好地應用于醫(yī)療機器人和工業(yè)生產機器人。新研究出來的類似人皮膚的柔性觸覺傳感器已經(jīng)可以為機器人提供皮膚，基于這種柔性觸覺傳感器的應用，引起了基于情感交流的專利申請熱潮，如親子互動、陪護等。

未來的觸覺傳感技術發(fā)展趨勢主要包括：新材料，新技術的觸覺傳感器的集成與多功能化;多信息融合。在多功能傳感器集成中，涉及觸覺的多種不同功能，未來可選擇合適的途徑將多功能的觸覺傳感信息進行融合;微觸覺傳感器，現(xiàn)有的傳感器尺寸較大，未來針對應用場景的變化，觸覺傳感器將向微型化、量子化發(fā)展。

參考文獻：

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[2] 馬天旗.專利分析方法、圖表解讀與情報挖掘[M].北京：知識產權出版社，2015.

[3] 楊鐵軍.專利分析實務手冊[M].北京：知識產權出版社，2015.