機(jī)器人的應(yīng)用近已經(jīng)從制造業(yè)擴(kuò)展到非結(jié)構(gòu)化和動(dòng)態(tài)的日常生活場(chǎng)景，需要類似的觸覺感知來達(dá)到人類水平的靈活性。在人類觸覺中，本體感覺(位置和運(yùn)動(dòng)的動(dòng)覺感覺)和皮膚感覺(從嵌入皮膚的感受器接收感覺輸入)在物體識(shí)別中起著至關(guān)重要的作用。如今，技術(shù)的進(jìn)步使人類感覺的重要人工元素(例如，受體、神經(jīng)和皮膚)得以創(chuàng)造，并將這些組件整合到機(jī)器人和醫(yī)療應(yīng)用中。此外，通過將多模態(tài)或分布式觸覺傳感器與機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，智能觸覺感知也取得了進(jìn)展。然而，在傳感器內(nèi)部解耦多模態(tài)信號(hào)并構(gòu)建更G層次的相關(guān)觸覺表達(dá)的能力仍然不發(fā)達(dá)。

變形相關(guān)屬性為區(qū)分和識(shí)別可變形物體以及制定適當(dāng)?shù)牟僮鞑呗蕴峁┝擞袃r(jià)值的觸覺線索。確定物體的可變形性尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗�通常受到多個(gè)與變形相關(guān)的屬性的影響，如楊氏模量、邵氏硬度、柔度、剛度和延性。楊氏模量和邵氏硬度(材料柔軟度)代表材料的固有特性，而柔度或剛度描述的是對(duì)彈性變形的整體抵抗能力，這種抵抗能力受到各種因素的影響，包括尺寸、材料柔軟度或可變形結(jié)構(gòu)。日常生活中的可變形物體通常由可變形的材料和結(jié)構(gòu)(如氣球)或不同柔軟度的不同材料(如橙子)組合而成。因此，在現(xiàn)實(shí)世界的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)可變形物體的柔軟度感知需要多種變形屬性的協(xié)同考慮。

許多基于不同轉(zhuǎn)導(dǎo)原理的人工觸覺傳感器已經(jīng)被提出來感知與變形相關(guān)的屬性。然而，這些方法大多需要預(yù)先設(shè)定凈力或位移，無法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)感知。示例包括軟壓阻/電容式傳感器陣列，通過開口結(jié)構(gòu)和保形壓電薄膜的內(nèi)窺鏡觸覺傳感器，通過應(yīng)變片的電子須，通過壓阻式位移傳感器的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)等。這些方法太局限，不能推廣到機(jī)器人非結(jié)構(gòu)化抓取和操作任務(wù)中。在自適應(yīng)方法中，楊氏模量估計(jì)可以通過單個(gè)感官信號(hào)來實(shí)現(xiàn)，例如Chen的團(tuán)隊(duì)在尖端設(shè)計(jì)了一個(gè)自鎖機(jī)械元件來量化楊氏模量，但該裝置缺乏連續(xù)的力傳感能力。該裝置隨后通過在壓力傳感器上加入一個(gè)突出物來簡(jiǎn)化，這導(dǎo)致了其定量能力和材料柔軟度測(cè)量范圍的妥協(xié)。此外，基于視覺的觸覺傳感器(如Gelsight)通過深度學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)材料柔軟度估計(jì)，而無需單d的力傳感器。然而，將光學(xué)系統(tǒng)集成到靈巧的機(jī)械臂中是具有挑戰(zhàn)性的，它嚴(yán)重依賴于復(fù)雜的深度學(xué)習(xí)算法。結(jié)合運(yùn)動(dòng)感覺和皮膚感覺的雙峰觸覺傳感器也被開發(fā)出來，用于估計(jì)在放松控制下可變形物體的順應(yīng)性。例如，通過可拉伸光波導(dǎo)的柔軟假手被用來自適應(yīng)地感受海綿和丙烯酸的順應(yīng)性。Bao的團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種雙峰膜柔韌性傳感器，該傳感器具有開口結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)以解耦的方式測(cè)量觸摸材料的表面變形和施加的壓力，但缺乏定量分配。然而，他們的傳感單元或裝置不夠小和剛性，不能將觸摸對(duì)象視為彈性半無限體。

因此，根據(jù)不完全的動(dòng)覺和皮膚線索推斷出的材料柔軟度隨著物體的大小而變化。迄今為止，人工觸覺傳感器的研究仍處于起步階段，其重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)物體可變形性的自適應(yīng)和定量感知。其中一個(gè)核心挑戰(zhàn)是缺乏能夠同時(shí)測(cè)量接觸壓力和提供材料柔軟度定量信息的觸覺傳感器，這使得傳感器能夠感知多個(gè)相關(guān)的變形屬性。

1. 本工作提出了一種觸覺傳感器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，該傳感器將兩個(gè)緩慢適應(yīng)的機(jī)械感受器的能力集成在軟介質(zhì)中，允許對(duì)接觸界面內(nèi)特定位置的局部壓力和應(yīng)變進(jìn)行自解耦傳感。

2. 通過利用這些局部皮膚線索，傳感器可以準(zhǔn)確且自適應(yīng)地測(cè)量物體的材料柔軟度，適應(yīng)厚度和施加力的變化。

3. 當(dāng)與機(jī)器人的動(dòng)覺提示相結(jié)合時(shí)，傳感器可以通過兩個(gè)相關(guān)變形屬性的協(xié)同作用來增強(qiáng)觸覺表達(dá)，包括材料柔軟度和順應(yīng)性。

仿生SA機(jī)械感受器的結(jié)構(gòu)與傳感原理。

a) (i)肖氏硬度測(cè)量方法示意圖，采用剛性小壓頭，以確保力-位移曲線能夠抵抗物體尺寸的干擾。

(ii)配有柔軟人造皮膚的機(jī)器人手指示意圖，在與物體互動(dòng)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)大的接觸面積。值得注意的是，物體的變形也受其尺寸的影響。因此，力-位移曲線表現(xiàn)出對(duì)材料柔軟度和物體尺寸的綜合依賴。

b)人體按壓可變形物體時(shí)的動(dòng)覺和皮膚信號(hào)。

c)仿生SA機(jī)械感受器的多層結(jié)構(gòu)能夠檢測(cè)皮膚信號(hào)，包括接觸壓力和側(cè)應(yīng)變。

d)測(cè)量物體材料柔軟度和柔順度的傳感原理。

e)順應(yīng)性(基于壓痕位移和接觸壓力)和f)材料柔軟度感知(基于側(cè)向應(yīng)變和接觸壓力)的示例輸出圖。

僅僅依靠柔度不足以充分理解材料柔軟度和尺寸因素(如厚度)對(duì)物體變形能力的貢獻(xiàn)。順應(yīng)性和材料柔軟性的結(jié)合提供了對(duì)材料特性和物體尺寸之間復(fù)雜相互作用的全面理解，共同塑造了可變形性特征。

BSM傳感器的有限元模型。

a) (i) BSM傳感器與可變形物體接觸的示意圖，其中施加的壓力通過剛性壓頭傳遞。(ii)有限元模擬結(jié)果顯示了典型BSM傳感器(r = 10 mm)在施加10 kPa壓力下接觸厚度為15 mm、半徑為30 mm的圓柱形硅膠樣品(Ecoflex 0010)時(shí)的變形輪廓圖。

b) (i) BSM傳感器與被測(cè)物體接觸面壓力等G線圖(Ecoflex 0010)， (ii)接觸不同厚度15mm物體時(shí)壓力沿徑向分布圖。

c) (i) SAⅡ傳感層與被測(cè)物體(Ecoflex 0010)側(cè)應(yīng)變等G線圖，(ii)接觸不同厚度15mm物體時(shí)壓力沿徑向分布圖。在感知場(chǎng)中，接觸壓力響應(yīng)與側(cè)向應(yīng)變響應(yīng)呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)(rp/r < 0.5)。