触觉是东谈主类感知外部环境并与之交互的首要知觉阵势葡萄京娱乐网站app官网。

目下，科学家们也正在制作柔性皮肤，试图将这种智商赋予机器东谈主，使之能完成更为智谋、复杂的操作。

比如，自得当地稳稳夹紧一颗鸡蛋：

目下游行的柔性触觉传感器包括：

视触觉传感器：世俗讹诈于商讨限制，不错提供高分辨率的触觉图像。

基于压阻或电容的触觉传感器阵列，不错检测压力散布，且易于制作。

问题是，若何使用苟简的传感器结构和标定要道齐全三维力的解耦一经一个庞杂的挑战——这意味着这些传感器同样在结构和制造上仍较为复杂，需要无数的校准过程，这落幕了它们的世俗落地。

为处置这一问题，来自法国国度科学商讨中心（CNRS）和香港大学的商讨东谈主员提议了一种基于柔性磁膜的触觉传感器。

通过策画正交磁化的 Halbach 阵列，该触觉传感器不错齐全三维力的自解耦，将标定复杂度从三次方裁减到一次方，极地面简化了传感器结构以及标定历程，为低资本的三维力触觉传感提供了新念念路。

△图 1 传感器结构与旨趣

相关恶果以" A soft skin with self-decoupled three-axis force-sensing taxels "为题，已发表在 Nature 子刊《Nature Machine Intelligence》上。

如图 1 所示，该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主义也会随之发生变化，该三维磁场信息经过解耦算法不错被调换为三维力信息。

之前的商讨标明单面多极正弦磁化的 Halbach 阵列有二维自解耦的特质，即在 x-z 平面内，磁感应强度 B 只和 z 主义操办，磁场主义 RB 只和 x 主义操办，因此不错用于二维力的自解耦。

由于磁场恬逸叠加旨趣，商讨东谈主员发现，将两个正弦磁化的 Halbach 阵列磁场进行正交叠加后，二维自解耦的特质在一定条目下通过简化不错被履行到三维。

△图 2 Halbach 阵列的磁场正交叠加

即 B 只和 z 主义操办，Rxz 只和 x 主义操办，Ryz   只和 y 主义操办，其中 B，Rxz，Ryz   在简化前后的归一化富余谬误（NAE）分辩为 2.88%、3% 和 4.56%。

基于正交磁化 Halbach 阵列三维自解耦的特质，三维力 Fz、Fx、Fy 不错分辩通过 B、Rxz、Ryz   解耦出来。

为了考证上述三维力自解耦要道的可行性，商讨东谈主员策画并制作了三个具有不同体式、大小、量程及灵敏度的触觉传感器，以用于不同的内容讹诈。

东谈主工膝关节三维力散布测量

第一个讹诈是测量东谈主工膝关节处的三维力散布：

膝关节由 3D 打印而成，下半部分由触觉传感器（含 24 个传感单位）及 ATI 六维力 / 力矩传感器构成；上半部分由机械臂开头模拟东谈主类膝关节的迂回和滑动。

实验裸露，触觉传感器不错提供及时的三维力散布测量，且测得的协力与真确值（来自 ATI 传感器）谬误很小。

触觉示教机器东谈主制作咖啡

另一个讹诈是基于触觉的教机器东谈主制作咖啡。

如下图所示，商讨东谈主员将一个不错检测力和力矩的 3x3 触觉传感器阵列装配在了机械夹爪的一端（取矩点为传感器中心），当操作员轻触或滑动传感器名义的时间，传感器将检测到相应主义的力和力矩。

该力和力矩乘以一个增益矩阵（gain matrix）之后将被分辩调换为机械臂终局践诺器的通顺增量（挪动 + 动掸），并通过一个阻抗礼貌器（impedance controller）更新机械臂的终局姿态。

机械夹爪的开合可由特定的触觉信号编程礼貌，如快速凹凸滑动传感器名义礼貌"关闭夹爪"，快速凹凸摇动所夹物体礼貌"怒放夹爪"。

通过径直和传感器或所夹物体交互，机械臂及夹爪不错被精准礼貌并轮番完成夹持水杯、倒水：

以及舀取咖啡粉，搅动咖啡，放回咖啡勺等行为。

在这一过程中示教东谈主员无需按压示教按钮（即传统示教要道），不错径直和物体交互，提供了一种更直不雅苟简的示教表情。

示教扫尾后，机械臂及夹爪只需要调换示教过程中记载的通顺轨迹及开合景色即可完成咖啡的制作。商讨东谈主员示意由于未使用视觉响应，轨迹调换阶段扫数物品的位置齐需与示教阶段一致，之后可通过引入视觉响应和 AI 算法来齐全愈加智能和通用的师法学习。

另外，通过编程，不错切换机械臂示教阵势和自得当握取阵势（凭证切向力及时动态调治法向夹持力）。

商讨东谈主员还展示了柔性 PCB 基底的触觉传感器在可衣裳诞生中的讹诈。如下图所示，通过将一个具有柔性 PCB 基底的触觉传感单位搁置于膝盖支架（knee brace）内侧，咱们不错监测使用者在泛泛步履过程中膝盖支架与腿部的三维搏斗力，这展示了三维柔性触觉传感器在健康监测限制的潜在讹诈。

本文的作家包括来自法国国度科学商讨中心 CNRS-LIRMM 实验室的闫友璨（博士后商讨员），Ahmed Zermane（博士），Abderrahmane Kheddar 素质，以及香港大学的潘佳素质。

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著作承接：https://doi.org/10.1038/s42256-024-00904-9葡萄京娱乐网站app官网