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1769-OA16 觸覺傳感器可以賦予機(jī)器人通過接觸來感知外部環(huán)境并與之交互的能力，在機(jī)器人靈巧操作、人機(jī)共融、模式識(shí)別等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。 人類的皮膚不僅可以感知力的大小和方向（自解耦），并且對(duì)外界刺激的定位精度可以超越觸覺感受器間的平均間距（超分辨率），因此人的雙手可以完成非常精巧和復(fù)雜的任務(wù)，比如抓取易碎物品，進(jìn)行靈巧操作，識(shí)別紋理，閱讀盲文等。 與人類皮膚相比，現(xiàn)有的機(jī)器人觸覺傳感器還存在較大差距，例如為了實(shí)現(xiàn)力的解耦，往往需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的傳感器結(jié)構(gòu)（如剛性梁）或擬合復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型；在實(shí)現(xiàn)解耦的情況下，尚無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)超分辨率檢測(cè)；等等，極大的限制了機(jī)器人在執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)上的能力。
圖1.磁性皮膚的結(jié)構(gòu)和工作原理 來自香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系申亞京教授課題組與香港大學(xué)計(jì)算機(jī)系潘佳教授課題組合作，提出了一種基于磁性薄膜的觸覺傳感器，結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人觸覺傳感器的自解耦和超分辨率，為仿人類皮膚的觸覺感知提供了新的思路。 相關(guān)成果以“Softmagneticskinforsuper-resolutiontactilesensingwithforceself-decoupling（自解耦的超分辨率柔性磁性皮膚）”為題，于近日發(fā)表在《ScienceRobotics（科學(xué)：機(jī)器人）》上。 如圖1所示，該觸覺傳感器的核心由一層經(jīng)單面多級(jí)正弦磁化的磁膜和嵌入在印刷電路板上的霍爾傳感器組成。磁膜和霍爾傳感器之間可以填充不同厚度和彈性的硅膠，用來調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度和量程。當(dāng)有外力施加于磁膜上時(shí)，霍爾傳感器將測(cè)量到由磁膜變形所引起的磁場(chǎng)變化，進(jìn)而可以測(cè)量出所施加外力的大小和方向。 “這種單面多極的正弦磁化方法在學(xué)術(shù)上被稱為HalbachArray（Halbach陣列）。其一個(gè)重要特點(diǎn)就是可以在削弱一側(cè)磁場(chǎng)的同時(shí)能夠極大的加強(qiáng)另一側(cè)磁場(chǎng)。該技術(shù)不僅在粒子加速器、磁懸浮列車、電磁炮等前沿領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，在我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫谋滟N中也采用了類似技術(shù)。”申亞京提到，“我們課題組和潘佳課題組合作，嘗試研發(fā)一種類人類皮膚功能的觸覺傳感器。因?yàn)槲覀冋n題組主要從事微型機(jī)器人研究，前期工作中在磁性薄膜方面有一些積累（NatureCommunications,9(3944),2018;AdvancedScience,7(13),2020;ScienceRobotics,5(48),2020），所以初步選定了磁性薄膜的解決方案。 在研究過程中，閆友璨（文章作者，香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系在讀博士生）發(fā)現(xiàn)HalbachArray除了單側(cè)磁場(chǎng)增強(qiáng)外的另一個(gè)很特殊的性質(zhì)：當(dāng)把磁膜按正弦磁化后，其磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)方向RB在是x-z平面內(nèi)是天然解耦的，即磁感應(yīng)強(qiáng)度B只和z方向有關(guān)，磁場(chǎng)方向RB只和x方向有關(guān)（如圖2所示）。這樣，法向力Fz的輸出只與z方向有關(guān)，切向力Fx的輸出只與x方向有關(guān)（式1），為研究自解耦功能的觸覺傳感器提供了可能。”
（式1）
圖2.磁感應(yīng)強(qiáng)度平面和磁場(chǎng)方向平面（天然解耦）示意圖 解耦后的磁性皮膚可以提供獨(dú)立的正壓力和切向力的測(cè)量（無串?dāng)_耦合），因此可以給機(jī)器人提供更精確的力反饋。視頻1展示了將磁性皮膚貼在機(jī)械手上進(jìn)行自適應(yīng)抓取雞蛋的應(yīng)用。開始時(shí)，機(jī)械手未進(jìn)行抓取，夾持力Fz和載荷引起的切向力Fx均為零，當(dāng)機(jī)械手夾住雞蛋時(shí)(t1),夾持力Fz迅速增大，直至雞蛋被提起時(shí)(t2),由于雞蛋的重力作用，切向力Fx迅速增大，此時(shí)施加一個(gè)外部干擾：用手往下拽雞蛋(t3)，切向力開始逐漸增大，為了不使雞蛋滑落，機(jī)械手自動(dòng)增大夾持力，使Fx/Fz的比值始終小于滑動(dòng)邊界（合力保持在摩擦錐以內(nèi)）。當(dāng)撤去外部干擾后(t4)，機(jī)械手開始自動(dòng)松開夾爪，以免雞蛋被夾碎，從而實(shí)現(xiàn)了在有外部干擾時(shí)，自適應(yīng)抓取（易碎）物體的安全操作。作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)，當(dāng)沒有磁性皮膚提供的力反饋時(shí)，由于夾持力不足以克服外部干擾，雞蛋被拽下(t8)。
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