仿生SA机械感受器自适应地测量物体的材料柔软度

机器人的应用最近已经从制造业扩展到非结构化和动态的日常生活场景，需要类似的触觉感知来达到人类水平的灵活性。在人类触觉中，本体感觉(位置和运动的动觉感觉)和皮肤感觉(从嵌入皮肤的感受器接收感觉输入)在物体识别中起着至关重要的作用。如今，技术的进步使人类感觉的重要人工元素(例如，受体、神经和皮肤)得以创造，并将这些组件整合到机器人和医疗应用中。此外，通过将多模态或分布式触觉传感器与机器学习算法相结合，智能触觉感知也取得了进展。然而，在传感器内部解耦多模态信号并构建更高层次的相关触觉表达的能力仍然不发达。

变形相关属性为区分和识别可变形物体以及制定适当的操作策略提供了有价值的触觉线索。确定物体的可变形性尤其具有挑战性，因为它通常受到多个与变形相关的属性的影响，如杨氏模量、邵氏硬度、柔度、刚度和延性。杨氏模量和邵氏硬度(材料柔软度)代表材料的固有特性，而柔度或刚度描述的是对弹性变形的整体抵抗能力，这种抵抗能力受到各种因素的影响，包括尺寸、材料柔软度或可变形结构。日常生活中的可变形物体通常由可变形的材料和结构(如气球)或不同柔软度的不同材料(如橙子)组合而成。因此，在现实世界的非结构化环境中，实现机器人对可变形物体的柔软度感知需要多种变形属性的协同考虑。

许多基于不同转导原理的人工触觉传感器已经被提出来感知与变形相关的属性。然而，这些方法大多需要预先设定净力或位移，无法实现自适应感知。示例包括软压阻/电容式传感器阵列，通过开口结构和保形压电薄膜的内窥镜触觉传感器，通过应变片的电子须，通过压阻式位移传感器的气动驱动等。这些方法太局限，不能推广到机器人非结构化抓取和操作任务中。在自适应方法中，杨氏模量估计可以通过单个感官信号来实现，例如Chen的团队在尖端设计了一个自锁机械元件来量化杨氏模量，但该装置缺乏连续的力传感能力。该装置随后通过在压力传感器上加入一个突出物来简化，这导致了其定量能力和材料柔软度测量范围的妥协。此外，基于视觉的触觉传感器(如Gelsight)通过深度学习实现材料柔软度估计，而无需单独的力传感器。然而，将光学系统集成到灵巧的机械臂中是具有挑战性的，它严重依赖于复杂的深度学习算法。结合运动感觉和皮肤感觉的双峰触觉传感器也被开发出来，用于估计在放松控制下可变形物体的顺应性。例如，通过可拉伸光波导的柔软假手被用来自适应地感受海绵和丙烯酸的顺应性。Bao的团队报道了一种双峰膜柔韧性传感器，该传感器具有开口结构，可以同时以解耦的方式测量触摸材料的表面变形和施加的压力，但缺乏定量分配。然而，他们的传感单元或装置不够小和刚性，不能将触摸对象视为弹性半无限体。

因此，根据不完全的动觉和皮肤线索推断出的材料柔软度随着物体的大小而变化。迄今为止，人工触觉传感器的研究仍处于起步阶段，其重点是实现机器人对物体可变形性的自适应和定量感知。其中一个核心挑战是缺乏能够同时测量接触压力和提供材料柔软度定量信息的触觉传感器，这使得传感器能够感知多个相关的变形属性。

1. 本工作提出了一种触觉传感器的创新设计，该传感器将两个缓慢适应的机械感受器的能力集成在软介质中，允许对接触界面内特定位置的局部压力和应变进行自解耦传感。

2. 通过利用这些局部皮肤线索，传感器可以准确且自适应地测量物体的材料柔软度，适应厚度和施加力的变化。

3. 当与机器人的动觉提示相结合时，传感器可以通过两个相关变形属性的协同作用来增强触觉表达，包括材料柔软度和顺应性。

仿生SA机械感受器的结构与传感原理。

a) (i)肖氏硬度测量方法示意图，采用刚性小压头，以确保力-位移曲线能够抵抗物体尺寸的干扰。

(ii)配有柔软人造皮肤的机器人手指示意图，在与物体互动时可以实现大的接触面积。值得注意的是，物体的变形也受其尺寸的影响。因此，力-位移曲线表现出对材料柔软度和物体尺寸的综合依赖。

b)人体按压可变形物体时的动觉和皮肤信号。

c)仿生SA机械感受器的多层结构能够检测皮肤信号，包括接触压力和侧应变。

d)测量物体材料柔软度和柔顺度的传感原理。

e)顺应性(基于压痕位移和接触压力)和f)材料柔软度感知(基于侧向应变和接触压力)的示例输出图。

仅仅依靠柔度不足以充分理解材料柔软度和尺寸因素(如厚度)对物体变形能力的贡献。顺应性和材料柔软性的结合提供了对材料特性和物体尺寸之间复杂相互作用的全面理解，共同塑造了可变形性特征。

BSM传感器的有限元模型。

a) (i) BSM传感器与可变形物体接触的示意图，其中施加的压力通过刚性压头传递。(ii)有限元模拟结果显示了典型BSM传感器(r = 10 mm)在施加10 kPa压力下接触厚度为15 mm、半径为30 mm的圆柱形硅胶样品(Ecoflex 0010)时的变形轮廓图。

b) (i) BSM传感器与被测物体接触面压力等高线图(Ecoflex 0010)， (ii)接触不同厚度15mm物体时压力沿径向分布图。

c) (i) SAⅡ传感层与被测物体(Ecoflex 0010)侧应变等高线图，(ii)接触不同厚度15mm物体时压力沿径向分布图。在感知场中，接触压力响应与侧向应变响应呈现相反的变化趋势(rp/r < 0.5)。