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

其中，r=[x,y]表示从 A 的压力中心到 A 中每个元素的向量。本文工作涉及定向粘合剂，因此常数 c_a 表示粘合剂的首选加载方向与施加切向力的角度之间的函数：c_a(φ)。具体的，图 6 示出定向粘合剂的两种可能的设置方案。

图 6. 机器人从其重心处捡起物体的图画。底部：指尖覆盖 a）均匀对齐的直楔（θ=0°）和 b）楔体旋转 ±θ度的人字形图案所产生的力和扭矩。插图 c）显示了垫上壁虎材料的细节，以匹配 b）的人字形图案排列。

如果夹持器只需要在一个方向上施加切向力，例如在通过抓住物体的质心来提升物体时，使定向粘合剂与提升方向平行是最有效的方法。然而，操纵通常涉及到围绕多个轴旋转抓取的对象。此外，这些物体可能是不均匀的，或者可能无法沿着它们的中心线抓住它们。因此，如图 6 所示，单机械手的抓取尝试通常会引入与物体接触点有关的力矩。然而，当试图最小化抓取力时，有可能发生滑动。一个力矩在旋转中心周围形成一个圆形的剪切力模式，其中只有一小部分与粘合剂的最强方向对齐。

为了补偿上述效果，可以安排具有多个取向的小面积定向粘合剂。图 7 示出了几种不同模式的预期结果，假设粘合剂在φ=0 时具有最大强度，正交方向φ=±90° 处具有最小强度。图的色标与φ呈线性分布，φ被定义为粘合剂的首选方向与实际加载方向之间的夹角[见图 7（d）]。

图 7. 当产生纯逆时针扭矩（a-c）或纯向上切向力（b-d）时，直线（a-b）和定向（c-d）壁虎粘合剂设计的效率图比较。半透明箭头指示壁虎粘合剂的首选加载方向

由图 7 中还可以看出，θ通常应根据指尖的尺寸进行调整。此外，对于矩形表面上的最佳力矩补偿，无论切向力补偿如何，都应使楔块朝向如下：

其中，h_f 和 w_f 分别表示指端接触区的高度和宽度。相应地选择θ可以确保楔型与指尖的主对角线平行。

3.1.2 实验分析

本文实验采用图 8 所示的实验装置。一个 UR-5 机器人，同时手臂配备了 Robotiq 双指 85 夹持器和 FT-300 力 / 扭矩感应手腕。每个夹持手指都有一个 7×4 的触觉传感器阵列和一个有图案的定向粘合剂皮肤。这些传感器的数据与来自机器人手臂编码器的位置和速度信息相结合，提供了机器人抓取的动态和静态的完整图像。作者在实验中，制作了一组特殊的粘合表面，以实现上文介绍的微型楔块的对角线 “人字形” 图案。

图 8. 机器人抓取实验装置

实验中制作了多个壁虎粘合剂面板，面板两半的方位角以 7.5° 增量变化，从θ=0° 到θ=45°，即从完全垂直于力线（Line of Force）到远离力线 45° 的位置。接下来，使用每套壁虎胶覆盖的面板进行各种实验。实验中设计了机器人手臂的两种运动模式。每次运行时，亚克力板上的标称接触面（Nominal Surface Contact）逐渐增加，从 25% 开始，然后到 50%、75%，直至最后 100% 覆盖（通过手动测量和预先编程的抓取点进行调节）。

实验过程从一块大约四分之一英寸厚的刚性附着的丙烯酸板开始。实验要求是，在规定的正常力水平下，用涂有粘合剂的两指夹持器捏住。在实验过程中，通过调节夹持器的闭合设定值，可以改变该夹持力。作者在实验中发现，对可用设定值的离散化处理使得在饱和致动器和传感器之前只能在四种确定的、不同的法向力之间变化，而其中只有三种可以被调节到低压范围内。在完成这种捏合之后，第一种运动模式是向上拉动刚性连接的丙烯酸板，从而在指尖的粘合表面上施加纯剪切力。第二种运动模式是围绕接触面的质心旋转，这样一个纯力矩就被施加在指尖的粘合剂上。

本文实验给出了一个法向应力和剪切应力的离散化结果，对应于触觉阵列中的单元数 N，每个区域 a_t 具有：

其中，P_i 表示每个压电传感器的压力，F_T 表示由手腕上的力 - 力矩传感器测量得到的切向力。图 9（a）给出了每一组测试的图案粘合剂的最大剪切应力和法向应力之间的关系。最大切向力支撑通常采用无角楔块（在这种情况下，θ=φ=0°）。拟合幂函数清楚地显示了如下趋势：随着θ的增大，最大容许剪切应力持续降低，逐渐改变了楔体的方向。此外，触觉图像的标准化中心力矩由以下公式给出：

其中，{x_i, y_i}表示压电传感器 i 相对于质心的坐标。上式中分子是每个压电传感器对腕部总测量力矩的贡献之和，分母是压电传感器和质心之间的平均距离。对分子进行标准化处理，以便在具有不同接触面积值的数据之间进行更好的比较。标准化力矩由下式得出：

（编辑：应用网_阳江站长网）

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