触觉传感器：赋予机器人灵巧感知的能力

触觉是人类感知外部环境并与之交互的重要知觉形式。
随着科技的进步，科学家们正在制作柔性皮肤，试图将这种能力赋予机器人，使之能完成更为灵巧、复杂的操作。
近日，来自法国国家科学研究中心（CNRS）和香港大学的研究团队在柔性触觉传感器领域取得了重大突破，相关成果已发表在Nature子刊《Nature Machine Intelligence》上。

一、柔性触觉传感器的挑战与突破

当前，自适应地夹紧并稳定操控物体，如一颗鸡蛋，对于机器人来说是一项重要的任务。
为了实现这一目标，柔性触觉传感器的研发显得尤为重要。
如何使用简单的传感器结构和标定方法实现三维力的解耦仍是一个巨大的挑战。
这意味着现有的传感器通常在结构和制造上较为复杂，需要大量的校准过程，限制了它们的广泛应用。

为了解决这一难题，研究团队提出了一种基于柔性磁膜的触觉传感器。
通过设计正交磁化的Halbach阵列，该触觉传感器实现了三维力的自解耦，将标定复杂度从三次方降低到一次方，极大地简化了传感器结构以及标定流程。

二、自解耦三维柔性触觉传感器的原理

自解耦三维柔性触觉传感器的主体部分从上往下分为三层：柔性磁膜，弹性硅胶，以及PCB电路板（带有霍尔传感器）。
当磁膜在外力作用下发生变形后，磁膜与霍尔传感器之间的距离将发生变化。
因此，由霍尔传感器测得的磁场大小及方向也会随之发生变化。
这些三维磁场信息经过解耦算法可以被转换为三维力信息。

研究团队发现，通过将两个正弦磁化的Halbach阵列磁场进行正交叠加，可以实现二维自解耦的特性在三维空间中的推广。
这种特性的实现基于磁场满足叠加原理。

三、应用实例

1. 人工膝关节三维力分布测量：研究团队设计了一个由触觉传感器和ATI六维力/力矩传感器组成的人工膝关节模型。
通过模拟人类膝关节的弯曲和滑动，触觉传感器可以实时提供三维力分布测量。

2. 触觉示教机器人制作咖啡：研究团队将一个可以检测力和力矩的3x3触觉传感器阵列安装在了机械夹爪上。
通过操作员与传感器的简单交互，机械臂及夹爪可以完成一系列复杂的动作，如制作咖啡等。
这种示教方式提供了一种更直观简单的示教方式，无需使用传统的示教按钮。

3. 柔性PCB基底的触觉传感器在可穿戴设备中的应用：通过将柔性触觉传感单元放置于膝盖支架内侧，可以监测使用者在日常活动过程中膝盖支架与腿部的三维接触力。
这展示了三维柔性触觉传感器在健康监测领域的潜在应用。

四、结论与展望

该研究为低成本的三维力触觉传感提供了新思路，并展示了其在人工关节力测量、机器人示教以及健康监测等领域的广泛应用前景。
未来，随着技术的不断发展，三维柔性触觉传感器有望在更多领域得到应用，并为机器人技术带来更大的突破。

最后，感谢法国国家科学研究中心CNRS-LIRMM实验室的闫友璨（博士后研究员），Ahmed Zermane（博士），Abderrahmane Kheddar教授以及香港大学的潘佳教授为本文做出的贡献。
他们的研究成果为机器人技术的进一步发展奠定了基础。

标签： 机器人、

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