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传感器疏察,被愚钝的机器人“国产触觉”
2019-4-26  来源:-  作者:-

  
  给一个压力,还一个电信号。触觉传感器的简单转变就能让真实世界以“二进制”的方式传给机器人。
 
  “一点点压力就能产生匹配的电流。”在加了形容词后,这个转变困难了一些,西北工业大学副教授杨鹏飞解释,要灵敏地捕捉到“一点点”的输入,并给出严格匹配的输出。
 
  “需要稳定、精确的输出,并且消除不同‘维’间的耦合干扰。”东南大学教授宋爱国的进一步阐释意味着这种转变难上加难。
 
  这个信号转变的稳定实现,让巴掌大小的日本阵列式产品即便卖到10万元,也能在科研和产业市场占尽先机。“靠进口”是科技日报记者日前多方调查该产品消费者的一致答案。
 
  行业内,工艺不过关
 
  精确、稳定的严苛要求,拦住了我国大部分企业向触觉传感器迈进的步伐,目前国内传感器企业大多从事气体、温度等类型传感器的生产。在一个有着100多家企业的行业中,几乎没有传感器制造商进行触觉传感器的生产。
 
  “我们曾委托深圳的一家企业制作阵列式触觉传感器,但因为工艺不过关,产品的一致性比较差,传感器阵列中点与点的性能无法做到一样。”宋爱国的经历可能并不是个例。
 
  “我们的大部分关键零部件都是国外进口。”国内某知名机器人制造企业负责人表示,包括触觉传感器、减速器在内的国内产品,在稳定性、一致性方面不太过关。
 
  “传感器用国外进口的。”杨鹏飞所在的生命科学院,通过对骨骼等的研究进行仿生机器的生产,以用于航天或工业辅助用途。“这些仿生机器会在很严苛的环境下工作,对零部件的要求很高。”
 
  可见,对卖方而言,工艺门槛太高;对买方而言,国产货没有保障。“一个向左、一个向右”的局面,形成了依赖进口、内生乏力的恶性循环。
 
  行业外,材料不够纯
 
  除了生产工艺,材料纯度也是从实验室到工业生产的“扼咽之处”。
 
  “导电橡胶、导电塑料、碳纳米管、石墨烯等都是可用作触觉传感器的材料。”宋爱国说,国内的材料质量、生产水平并不稳定,“石墨烯的生产应该还可以,但是用石墨烯制作传感器的技术还不成熟”。
 
  为了获得高品质的材料,宋爱国实验室会自己用导电膏制作符合标准的导电橡胶。导电橡胶通过将玻璃镀银、铝镀银、银等众多导电颗粒均匀分布在硅橡胶中制成。挤压可以让导电颗粒相互连接,从而产生电流。分布越均匀,电流产生与压力的关系越有规律。
 
  技术复杂,另一道坎
 
  日渐复杂的技术也让国产产品落得越来越远。
 
  一片巴掌大小的日本阵列式传感器售价10万元,并能保持严格的均一、稳定性。而国内产品多为一点式的,一般100元一个。
 
  宋爱国介绍,日本阵列式传感器能在10厘米×10厘米大小的基质中分布100个敏感元件,由于衬底柔软,对不同方向力的计算以及力之间耦合干扰的消除使得敏感元件越多、相互之间的距离越短,越难做到准确地输出。日本在产业化方面较为领先,其他国家大多处于实验室阶段。
 
  此外,每个敏感元件的受力维度也增加了技术的复杂性,施力有六个维度(X、Y、Z轴3个方向,以及对应的力矩方向),维度之间的耦合干扰如何消除也是需要在基础研究上发力的环节。“著名的波士顿动力翻跟头机器人用的仅是三维的触觉传感器。”宋爱国说。
 
  有布局,但转化难推进
 
  我国在触觉传感器的一种——多维力传感器的研究方面,很早就进行了布局。宋爱国介绍,1987年东南大学和中国科学院合肥机械智能研究所获得863重点专项的支持,研制六维力传感器。“静态精度已经达到误差率仅为1%—2%,和世界先进水平差不多。”宋爱国坦言,但是动态精度还需进一步攻关,动态耦合误差在5%—10%左右,“例如尚未达到有高速打磨任务的工业机器人的使用要求”。
 
  但是,从成本上看,“目前的工业机器人平均造价是12万元左右,一个六维力传感器成本就要3万余元,目前的国内工业机器人市场还不具备规模化生产这一产品的条件。”宋爱国说。相较而言,美国ATI工业自动化公司的相关产品,成本已下降到每个2—3万元。
 
  不可否认的是,在原创技术的追赶中,后来者必须绕过先行者的相关专利保护,除非找到明显更优解,否则很可能会因为绕过专利而提高技术达成的门槛,大多数时候,传说中的“变道超车”要靠运气。
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