人形機(jī)器人之關(guān)鍵觸覺傳感器：剛性到柔性

機(jī)器人領(lǐng)域中，靈巧手的觸覺傳感器成為抓握的核心元件，感知技術(shù)演進(jìn)經(jīng)歷了數(shù)十年，從剛性感知路線逐漸發(fā)展為柔性、高靈敏、高陣列的方向。

●觸覺是人類皮膚的一項(xiàng)關(guān)鍵功能，通過物理接觸實(shí)現(xiàn)與周圍環(huán)境的互動(dòng)。觸覺感受器通?；谟|摸/壓力檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部刺激的反應(yīng)，如壓力、彎曲、拉伸和溫度變化，從而識(shí)別接觸的物體。

●觸覺傳感器是用于機(jī)器人中模仿觸覺功能的傳感器。其基本原理是通過向一個(gè)觸覺陣列施加壓力，產(chǎn)生電流，并通過更高層的算法實(shí)現(xiàn)軟硬件的協(xié)同反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)觸覺操作的反饋，以及輸入和輸出。

觸覺傳感器是機(jī)器人進(jìn)化的核心需要解決的問題，芝能科技將帶你逐步了解觸覺傳感器的技術(shù)原理、技術(shù)路線、發(fā)展趨勢(shì)，讓你更了解智能AI機(jī)器人技術(shù)迭代。

Part 1技術(shù)原理和關(guān)鍵指標(biāo)

觸覺傳感器的基本原理是將外部壓力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，以估算和測(cè)量力和剪切力。這其中，關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)包括空間分辨率、力敏感性、減少零漂和邊緣層盲區(qū)檢測(cè)，以及優(yōu)化處理數(shù)據(jù)的能力。觸覺傳感器需要考慮多個(gè)性能參數(shù)，包括靈敏度、探測(cè)范圍、線性度、響應(yīng)時(shí)間和空間分辨率。這些性能要求高度依賴于目標(biāo)應(yīng)用程序。

觸覺傳感器的傳導(dǎo)原理可以參考人體皮膚的壓力感應(yīng)特性：

●靈敏度：是觸覺傳感器的關(guān)鍵參數(shù)之一，與檢測(cè)極限和施加壓力之間的微小差異有關(guān)。提高靈敏度的策略包括微結(jié)構(gòu)工程和傳感材料接觸的顯著變化。

●探測(cè)范圍和線性度：觸覺傳感器的探測(cè)范圍依賴于應(yīng)用需求，需要在大范圍的壓力下實(shí)現(xiàn)高靈敏度。線性度表示信號(hào)相對(duì)于施加的刺激的比例，高線性度有利于信號(hào)處理和校準(zhǔn)。

●響應(yīng)時(shí)間與遲滯：響應(yīng)時(shí)間決定了傳感器響應(yīng)外部刺激獲得穩(wěn)定輸出信號(hào)的時(shí)間，而遲滯則決定了施加和釋放壓力時(shí)輸出信號(hào)的一致性。這兩者在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)應(yīng)用中至關(guān)重要。

●空間分辨率與串?dāng)_：觸覺傳感器陣列的空間分辨率決定了是否能夠識(shí)別或操縱復(fù)雜觸覺信息。挑戰(zhàn)之一是減少來自相鄰單元的信號(hào)干擾，即串?dāng)_。

Part 2技術(shù)路線：多種技術(shù)的演變

機(jī)器人觸覺傳感器的技術(shù)路線已經(jīng)衍生出多種類型，其中電阻式、電容式、壓電式、光學(xué)式、流體式等成為主流。這些傳感器在原理上各有千秋，但都致力于將外部施加的力轉(zhuǎn)化為電阻或電容的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)力和剪切力的測(cè)量。光學(xué)式傳感器具有較高的空間分辨率和較寬的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍，而流體式方案如BioTac通過柔性橡膠皮和離子導(dǎo)電流體實(shí)現(xiàn)對(duì)法向力和剪切力的測(cè)量。

Part 3 發(fā)展趨勢(shì)：多模式和新型傳感器的涌現(xiàn)

近年來，學(xué)界和業(yè)界開始探索多模式和新型觸覺傳感器，以提升感知性能并降低生產(chǎn)難度。多模式觸覺傳感器融合多種傳感技術(shù)，集成電氣接口并優(yōu)化制造流程，以實(shí)現(xiàn)多陣列單芯片。同時(shí)，新型傳感器如量子隧道效應(yīng)傳感器、有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器、結(jié)構(gòu)聲觸覺傳感器和納米觸覺傳感器等不斷涌現(xiàn)，為觸覺傳感技術(shù)的發(fā)展帶來新的可能性。

觸覺傳感器主要應(yīng)用于以下四個(gè)方面：

●讓假肢獲得接近真實(shí)的觸覺：觸覺傳感器通過模擬皮膚中的神經(jīng)元傳導(dǎo)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了假肢對(duì)觸覺的模擬，創(chuàng)造出“電子皮膚”。

●力傳感器賦予工業(yè)機(jī)器人手腕觸覺：可感知機(jī)器人和機(jī)臺(tái)的所有力，為制造業(yè)引入工業(yè)機(jī)器人提供了重要的支持。

●觸覺傳感器應(yīng)用于仿生機(jī)器人：可在嚴(yán)苛的工作環(huán)境下進(jìn)行操作，替代人類進(jìn)行危險(xiǎn)或高強(qiáng)度的工作，同時(shí)獲取相應(yīng)的感知數(shù)據(jù)。

●柔性觸覺傳感器的崛起：近年來，柔性觸覺傳感技術(shù)的發(fā)展為穿戴設(shè)備和可穿戴技術(shù)提供了新的可能性，擴(kuò)大了觸覺傳感器的應(yīng)用范圍，涉及人機(jī)交互系統(tǒng)、智能機(jī)器人、移動(dòng)醫(yī)療等領(lǐng)域。

小結(jié)

觸覺傳感器技術(shù)的進(jìn)步在機(jī)器人領(lǐng)域催生了更靈活、智能的機(jī)械手，為特定任務(wù)的執(zhí)行提供了新的可能性。特斯拉的GEN2機(jī)器人展示了令人矚目的靈敏動(dòng)作，為觸覺傳感技術(shù)的未來發(fā)展提供了新的方向。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，觸覺傳感器有望成為更多智能系統(tǒng)的重要組成部分，為人機(jī)交互提供更為自然和智能的體驗(yàn)。