人形機器人“指尖革命”：深度解析各類觸覺傳感器

近年來，材料科學(xué)與微電子技術(shù)持續(xù)突破，推動人形機器人觸覺感知技術(shù)實現(xiàn)跨越式發(fā)展。各類高性能觸覺傳感器層出不窮，憑借其多維感知特性與高分辨率數(shù)據(jù)采集能力，在賦能機器人完成精密抓取、柔性操控等復(fù)雜任務(wù)中，發(fā)揮著愈發(fā)關(guān)鍵的作用。

商業(yè)化觸覺傳感器產(chǎn)品均經(jīng)過專業(yè)校準與封裝，具有可靠性高、安裝便捷、即插即用等特點，但此類產(chǎn)品由于未開源，價格比較高昂。

BioTac傳感器

BioTac是由美國SynTouch公司推出的仿生指尖觸覺傳感器，這種傳感器外形仿生人類指尖，在柔軟硅膠皮下填充導(dǎo)電液體，內(nèi)部集成1個壓力傳感器與1圈電極，當(dāng)受到按壓時，壓力傳感器直接讀取導(dǎo)電液體的壓力數(shù)據(jù)，物體接觸引發(fā)的指尖形變會改變電極與導(dǎo)電液體間的阻抗，據(jù)此可推斷接觸位置及力度分布，另外，硅膠皮遇微滑移會產(chǎn)生振動，內(nèi)部壓電元件測量的高頻振動信號可用于紋理和滑移檢測，因此，BioTac傳感器可同步輸出壓力、接觸位置、振動頻譜及溫度等多維度觸覺信息。

BioTac傳感器來源：SynTouch

WTS-FT系列傳感器

德國WeissRobotics公司研發(fā)的WTS-FT傳感指套，核心由6×14矩陣式傳感陣列與信號處理模塊構(gòu)成。傳感陣列采用柔性壓阻材料，傳感單元間距約3.5mm，不僅能精準測量法向壓力分布，還可間接推斷剪切力數(shù)據(jù)。該系列傳感器支持高速數(shù)據(jù)讀取，刷新頻率可達1kHz量級，憑借高可靠性已廣泛應(yīng)用于工業(yè)機器人精密裝配、抓握力閉環(huán)控制等工業(yè)場景。

uSkin系列傳感器

uSkin是一類柔性薄片式觸覺傳感器，這種傳感器可直接貼附于機器人手指或手掌表面，安裝靈活性極高。其核心工作原理為電容陣列，每片傳感器內(nèi)置數(shù)十個電容傳感單元，厚度僅2~3mm，具備輕薄、柔性的顯著優(yōu)勢。以含16個傳感單元的型號為例，可在30mm2的緊湊面積內(nèi)實現(xiàn)毫米級空間分辨率，且能精準檢測高達50Hz的觸覺信號。目前，uSkin系列傳感器已成功集成于多款機器人手中，通過提升對抓取物體的觸覺感知能力，有效提高了抓取作業(yè)的成功率與穩(wěn)定性。

uSkin傳感器 來源：XELA Robotics

ITPU傳感器

深圳帕西尼（Paxini）公司推出的ITPU多維度觸覺傳感單元，以緊湊尺寸實現(xiàn)了多軸力感知功能。每個觸覺單元不僅能測量法向壓力，還可輸出三維力的方向信息。高密度排布的觸覺傳感網(wǎng)絡(luò)，使其具備接近人手的精細觸覺感知能力，適配高精度操作場景。

搭配ITPU多維觸覺傳感單元的ORA-ONE來源:Paxini

為降低觸覺感知技術(shù)的研究門檻、促進技術(shù)共享與創(chuàng)新，近些年一些開源觸覺傳感器相繼問世，可公開提供設(shè)計圖紙、固件程序及配套軟件，為科研與創(chuàng)新團隊提供了低成本解決方案。

DIGIT傳感器

DIGIT是Meta AI開源的小型視覺觸覺傳感器，其完整設(shè)計文件與軟件驅(qū)動已在GitHub平臺公開。該傳感器借鑒GelSight傳感器的核心原理，以柔軟硅膠墊搭配彩色花紋作為觸覺交互表面，內(nèi)置1個攝像頭與3個LED燈環(huán)，觸覺成像分辨率可達640×480像素。目前，DIGIT傳感器已廣泛應(yīng)用于機器人握持控制、物體邊緣檢測、三維形狀重建等研究場景。

TacTip傳感器

TacTip是一款由布里斯托爾機器人實驗室開發(fā)的3D打印光學(xué)觸覺傳感器。其設(shè)計目標是滿足對廉價、堅固、多功能觸覺傳感器的需求，可安裝在工業(yè)以及人形機器人手臂上。

TacTip傳感器結(jié)構(gòu)來源：布里斯托爾機器人實驗室

ReSkin傳感器

Meta AI與CMU團隊聯(lián)合開源的ReSkin，是一款超薄柔性觸覺電子皮膚，由含磁性微粒的硅膠薄膜與小型磁傳感PCB板組成。其可靈活貼附于機器人的手指、手臂或末端工具表面，當(dāng)發(fā)生接觸時，硅膠薄膜的形變會引發(fā)磁場變化，PCB板上的霍爾傳感器實時測量該變化，并通過板載MCU輸出力信號。ReSkin的硬件與固件完全開源，特別適用于大面積覆蓋或高損耗的觸覺應(yīng)用場景，實現(xiàn)了低成本電子皮膚的快速更換。

ReSkin大小如硬幣，易于制造 來源：PMLR

參考來源:

各企業(yè)、科研院所官網(wǎng)

胡俊.機器人操縱的觸覺感知技術(shù)綜述