机器人与触觉传感技术的碰撞，一文初探人类与机器人的触觉传感

除了与无生命物体和地形交互外，机器人还需要与人类进行物理交互。HRI 的应用范围广泛，包括穿上衣服、移交物品、与协作机器人的安全交互等。在这些任务中，机器人需要确保相互作用的力是安全的，并且其发出的力量能够适应人体。

最新的 HRI 研究进展是探索从触觉感知的反馈中推断人类的潜在状态和意图。例如，在移交过程中，机器人可以利用视觉和触觉反馈来确定人类何时有合适的抓地力并准备好接受对象。类似的，在执行协作任务时，如搬运大型物品，机器人通过手腕上的力 / 力矩传感器测量交互力和扭矩，以执行任务并做出相应的反应。

除了执行任务外，HRI 还可以用来教机器人从演示中获得新技能。通过这种方式，机器人可以直接由人类使用力控制器引导。例如，穿衣是日常生活中的一项基本任务，开发穿衣机器人可以为运动障碍患者提供帮助。利用触觉信息，机器人可以调整以减小对人的姿态估计中的误差，并在提供穿衣辅助的同时，实时跟踪该人的轮廓和动作。

基于前面关于人类触觉和机器人触觉传感的讨论，以下准则可以作为一般机器人系统中触觉传感设计的参考[1]：

随着功能划分的多样化和分布式接收器的出现，可以向机器人中引入不同类型的小型传感器，其中每种传感器都能以最佳方式测量特定的接触参数，例如，接触力和硬度检测、测量多个接触参数的触觉和热传感器等等。

在设计机器人的过程中，可以基于身体部位将触觉传感器的空间分辨率分布或排列成一个阵列。例如，对于指尖可以设置为 1 毫米左右，相当于指尖大小区域上大约 15×10 个元素的网格；对于手掌和肩膀等不太敏感的部分，可以设置到 5 毫米。

传感器应具有高灵敏度和宽动态范围，还应该能够测量力的方向。这一点很重要，因为一般来说，机器人并不掌握真实世界物体的先验模型。

为机器人所设计的触觉传感器应该具备快速响应的功能。如果触觉反馈用于机器人控制，这一点尤为重要。在机器人应用的控制回路中引入触觉感知是很重要的，因为从人工肌肉或动觉单独获得的接触信息不足。人体皮肤中不同的机械感受器响应的信号频率范围可用于设置传感器的响应时间要求。一般来说，对于实时接触，每个触摸元件的响应速度应为 1ms。

对于人类来说，触觉数据并不是直接发送到大脑的。相反，一些处理是在不同层次上进行的，以适应人类神经系统有限的吞吐量。因此，为了减少机器人传递到中央处理器的信息量，对于大型触觉阵列或模块来说，在感觉位置进行某种程度的预处理（数据选择、局部计算等）是很重要的。这样的架构将解放 “机器人大脑” 进行更智能的工作。或者，它可以将系统扩展到几乎任何数量的传感器中。

可以将传感器的弹性覆盖层设计成在皮肤中有中间和乳头状突起的结构。通过将应力集中在传感元件上，这种结构还可以补偿弹性材料的模糊效应。弹性材料表面的乳头状脊状纹理增加了可检测性。

生物传感器可以获得像物体的详细轮廓这样的信息，因为皮肤是柔顺的，并与物体保持一致。因此，机器人支架应坚固、灵活、舒适、可伸展和柔软，从而能够承受温度、湿度、化学应力、电场、突然力等恶劣条件。当它们分布在身体上时，生物传感器不应显著增加机器人连杆 / 部件的直径 / 厚度。

三、「触觉传感」技术应用

3.1 基于粘着控制摩擦的工业夹具的改进（Improving Industrial Grippers With Adhesion-Controlled Friction）[4]

在制造业中，有效地处理精密物体是一个具有挑战性的问题。实现稳定的抓取、同时避免施加过大的抓取力是在精密仪器处理任务重引入机器人操作的重要目标。例如，在处理易碎物品时，机器人必须将施加在抓取物体上的力降到最低，以防止损坏。再比如，处理可变形物体时，要做到不挤压就可以抓取物体，以保持物体的形状或表面特性等特征。

人类在处理类似的问题时，能够根据对物体重量和初次接触时形成的摩擦特性的估计，快速调整抓地力。针对这些刺激，人类能够做到只应用最小的力加上适度的安全空隙程度来执行基本的操作而不会滑脱。这种策略使得人能够有效地与易碎和可变形的物体进行交互。相比之下，大多数机器人很难预测和维持抓住精密物体所需的最小力。

与传统的使用专门夹具或控制方案的方法不同，本文提出了一种将壁虎式定向粘合剂粘贴到工业机器人夹持器和触觉传感器上的解决方案用以完成机器人处理精密物体的任务。作者将定向的、受到壁虎特性启发的粘合剂整合到商业夹持器的钳口中，使其能够抓住非常精细的物体，并以较小的抓握面积抵抗大的发力瞬间，具体见图 5。

图 5. 工业机器人，利用壁虎启发的粘合剂排列在抓爪垫上，可以抓握和操纵腐烂的番茄。它也可以施加相当大的扭矩，仅使用其接触面的 3/4

3.1.1 方法简述

摩擦力通常有两种：一个是由于分子的吸引力和迟滞，另一个是由于分子相互碰撞造成的。前者是一种粘附控制元件，它取决于分子尺度上的实际接触面积。后者是一个负载控制部件，它依赖于法向力。对于大多数硬材料，前一部分可忽略不计，后一部分提供了最大摩擦力，该摩擦力随施加的载荷线性增长。具体见下式：

其中，f_t 表示切向力，f_n 表示法向力，μ表示摩擦系数。对于壁虎式胶粘剂，即使在正常力的作用下，面积依赖性部分通常占主导地位。在静态条件下，期望的粘接剂的切向力为正法向力是：

其中，p(x,y)表示触点给定位置处的压力，c_1 和 c_a 为常数，A 为接触面积。同样，在静态条件下，关于垂直于指尖表面的轴的力矩应为：

（编辑：应用网_阳江站长网）

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