低成本机器人“皮肤”登上 Nature 子刊：实现三维力的自解耦，来自法国国家科学研究中心、香港大学

触觉是人类感知外部环境并与之交互的重要知觉形式。科学家们正在研究制作柔性皮肤，以赋予机器人更灵巧、复杂的操作能力。比如，自适应地稳稳夹紧一颗鸡蛋：

现在流行的柔性触觉传感器包括：

• 视触觉传感器：广泛应用于研究领域，可以提供高分辨率的触觉图像。

• 基于压阻或电容的触觉传感器阵列，可以检测压力分布，且易于制作。

解决简单传感器结构和标定方法实现三维力解耦的挑战仍是一个难题 —— 这使得传感器通常需要复杂的结构和校准过程，从而限制了它们的广泛应用。

法国国家科学研究中心（CNRS）和香港大学的科研人员提出了一种基于柔性磁膜的触觉传感器。

通过设计正交磁化的 Halbach 阵列，该触觉传感器实现了三维力的自解耦，大大简化了传感器结构和标定流程的复杂性，为低成本的三维力触觉传感器提供了新思路。

相关成果发表在 Nature 子刊《Nature Machine Intelligence》上，题为“具有自解耦三轴力传感触觉单元的柔性皮肤”。

自解耦三维柔性触觉皮肤

如图 1 所示，该触觉传感器的主体分为三层：柔性磁膜，弹性硅胶和 PCB 电路板（含霍尔传感器）。

在外力作用下，磁膜变形，导致磁膜与霍尔传感器间距变化，霍尔传感器检测的磁场大小和方向随之变化，通过解耦算法将三维磁场信息转换为三维力信息。

之前的研究显示，单面多极正弦磁化的 Halbach 阵列具有二维自解耦特性，即在 x-z 平面内，磁感应强度 B 仅与 z 方向有关，磁场方向 R_B 仅与 x 方向有关，可用于二维力的自解耦。

通过正交叠加两个正弦磁化的 Halbach 阵列磁场，研究人员发现，在一定条件下，可将二维自解耦特性简化并推广到三维。

B 与 z 方向相关，R_xz 与 x 方向相关，R_yz 与 y 方向相关，简化前后的归一化绝对误差分别为 2.88%、3%和4.56%。

基于正交磁化 Halbach 阵列的三维自解耦特性，F_z、F_x、F_y 可分别通过 B、R_xz、R_yz 解耦。

为验证三维力自解耦方法的可行性，研究人员设计并制作了三个不同形状、大小、量程和灵敏度的触觉传感器，用于不同实际应用。

人工膝关节三维力分布测量