基于柔性磁膜的触觉传感器

利用正交磁化的 Halbach 阵列实现三维力的自解耦

原标题：基于柔性磁膜的触觉传感器
文章来源：HyperAI超神经
内容字数：9172字

基于柔性磁膜的触觉传感器：高精度、快速响应的触觉感知新突破

本文总结了闫友璨博士在“新锐论前沿”第五期线上分享活动中关于“基于柔性磁膜的自解耦及超分辨率触觉传感”的精彩内容。该研究针对传统触觉传感器在力测量中的信号耦合和空间分辨率限制问题，提出了一种基于柔性磁膜的新型触觉传感器，实现了高精度、快速响应的触觉感知。

1. 机器人触觉感知的现状与挑战

人类精细操作能力依赖于丰富的触觉感知，而机器人触觉感知技术仍面临诸多挑战。现有触觉传感器（光学型、压阻型、电容型等）普遍存在法向力与切向力解耦困难的问题，且空间分辨率有限。

2. 基于柔性磁膜的触觉传感器设计

该研究设计了一种三层结构的柔性磁膜触觉传感器：正弦磁化柔性磁膜（PDMS与钕铁硼磁粉混合）、柔性弹性层和集成霍尔传感器的电路板。外力作用导致磁膜变形，霍尔传感器捕捉磁场变化，通过信号处理实现三维力的解耦。实验中，成功演示了基于触觉反馈的鸡蛋自适应抓取，验证了解耦外力对精准控制的重要性。

3. 正交磁化的Halbach阵列及三维力解耦

研究采用Halbach阵列磁铁，其独特的磁场增强特性，使得磁场强度B仅与z方向相关，而磁场方向参数RB仅与x方向相关，实现了x方向和z方向的天然解耦。为感知y方向力，研究叠加了两层正弦磁化磁膜，通过磁场叠加原理，实现了x、y、z三个方向的天然解耦，简化了传感器标定过程。

4. 基于三维力解耦的触觉传感器应用

该传感器可用于测量分布力。例如，一个由24个传感单元组成的膝关节触觉传感器，可实时测量膝关节转动时的力分布情况。此外，研究还设计了三种不同灵敏度和量程的传感器，分别应用于机械臂示教（咖啡制作）、护膝触觉传感等场景。

5. 触觉超分辨率的研究与应用

研究提出了一种触觉超分辨率算法，通过多个传感单元信号叠加与插值，实现高于物理分辨率的定位精度。该算法包括定性分析和定量分析（多层感知机模型），并进一步发展了基于几何模型的方法，可实现多点接触的超分辨率测量，提升了接触位置和力大小的测量精度。

6. 基于贝叶斯优化的机器人触觉诊断

结合触觉传感器和贝叶斯优化算法，研究实现了机器人快速触诊。实验中，机器人能够以最少的按压次数找到模拟肿瘤的位置，并实现肿块的精确分割。

7. 盲文识别与材质分类

该传感器系统还可用于盲文识别和布料材质分类。通过训练LSTM神经网络，实现了高准确率的盲文识别（97%）和布料材质分类（99%）。

8. 总结与展望

该研究设计了高灵敏度的触觉传感器硬件，并开发了力的解耦与超分辨率算法，将其应用于多个实际场景。未来研究将继续优化传感器仿真，开发更通用的超分辨率算法，并探索实现类似人类皮肤的全身触觉感知。

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