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  觸覺傳感器可以賦予機(jī)器人通過接觸來感知外部環(huán)境并與之交互的能力，在機(jī)器人靈巧操作、人機(jī)共融、模式識(shí)別等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。人類的皮膚不僅可以感知力的大小和方向（自解耦），并且對(duì)外界刺激的定位精度可以超越觸覺感受器間的平均間距（超分辨率），因此人的雙手可以完成非常精巧和復(fù)雜的任務(wù)，比如抓取易碎物品，進(jìn)行靈巧操作，識(shí)別紋理，閱讀盲文等。與人類皮膚相比，現(xiàn)有的機(jī)器人觸覺傳感器還存在較大差距，例如為了實(shí)現(xiàn)力的解耦，往往需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的傳感器結(jié)構(gòu)（如剛性梁）或擬合復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型；在實(shí)現(xiàn)解耦的情況下，尚無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)超分辨率檢測(cè)；等等，極大的限制了機(jī)器人在執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)上的能力。

圖1. 磁性皮膚的結(jié)構(gòu)和工作原理

  來自香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系申亞京教授課題組與香港大學(xué)計(jì)算機(jī)系潘佳教授課題組合作，提出了一種基于磁性薄膜的觸覺傳感器，結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人觸覺傳感器的自解耦和超分辨率，為仿人類皮膚的觸覺感知提供了新的思路。相關(guān)成果以“Soft magnetic skin for super-resolution tactile sensing with force self-decoupling（自解耦的超分辨率柔性磁性皮膚）”為題，于近日發(fā)表在《Science Robotics（科學(xué)：機(jī)器人）》上。

  如圖1所示，該觸覺傳感器的核心由一層經(jīng)單面多級(jí)正弦磁化的磁膜和嵌入在印刷電路板上的霍爾傳感器組成。磁膜和霍爾傳感器之間可以填充不同厚度和彈性的硅膠，用來調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度和量程。當(dāng)有外力施加于磁膜上時(shí)，霍爾傳感器將測(cè)量到由磁膜變形所引起的磁場(chǎng)變化，進(jìn)而可以測(cè)量出所施加外力的大小和方向。

  “這種單面多極的正弦磁化方法在學(xué)術(shù)上被稱為Halbach Array（Halbach陣列）。其一個(gè)重要特點(diǎn)就是可以在削弱一側(cè)磁場(chǎng)的同時(shí)能夠極大的加強(qiáng)另一側(cè)磁場(chǎng)。該技術(shù)不僅在粒子加速器、磁懸浮列車、電磁炮等前沿領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，在我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫谋滟N中也采用了類似技術(shù)�！鄙陙喚┨岬�，“我們課題組和潘佳課題組合作，嘗試研發(fā)一種類人類皮膚功能的觸覺傳感器。因?yàn)槲覀冋n題組主要從事微型機(jī)器人研究，前期工作中在磁性薄膜方面有一些積累（Nature Communications, 9(3944), 2018;Advanced Science, 7(13), 2020; Science Robotics, 5(48), 2020），所以初步選定了磁性薄膜的解決方案。在研究過程中，閆友璨（文章第一作者，香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系在讀博士生）發(fā)現(xiàn)Halbach Array除了單側(cè)磁場(chǎng)增強(qiáng)外的另一個(gè)很特殊的性質(zhì)：當(dāng)把磁膜按正弦磁化后，其磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)方向R_B在是x-z平面內(nèi)是天然解耦的，即磁感應(yīng)強(qiáng)度B只和z方向有關(guān)，磁場(chǎng)方向R_B只和x方向有關(guān)（如圖2所示）。這樣，法向力F_z的輸出只與z方向有關(guān)，切向力F_x的輸出只與x方向有關(guān)（式1），為研究自解耦功能的觸覺傳感器提供了可能。”

（式1）

圖2.磁感應(yīng)強(qiáng)度平面和磁場(chǎng)方向平面（天然解耦）示意圖

  解耦后的磁性皮膚可以提供獨(dú)立的正壓力和切向力的測(cè)量（無串?dāng)_耦合），因此可以給機(jī)器人提供更精確的力反饋。視頻1展示了將磁性皮膚貼在機(jī)械手上進(jìn)行自適應(yīng)抓取雞蛋的應(yīng)用。開始時(shí)，機(jī)械手未進(jìn)行抓取，夾持力F_z和載荷引起的切向力F_x均為零，當(dāng)機(jī)械手夾住雞蛋時(shí)(t₁),夾持力F_z迅速增大，直至雞蛋被提起時(shí)(t₂),由于雞蛋的重力作用，切向力F_x迅速增大，此時(shí)施加一個(gè)外部干擾：用手往下拽雞蛋(t₃)，切向力開始逐漸增大，為了不使雞蛋滑落，機(jī)械手自動(dòng)增大夾持力，使F_x/F_z的比值始終小于滑動(dòng)邊界（合力保持在摩擦錐以內(nèi)）。當(dāng)撤去外部干擾后(t₄)，機(jī)械手開始自動(dòng)松開夾爪，以免雞蛋被夾碎，從而實(shí)現(xiàn)了在有外部干擾時(shí)，自適應(yīng)抓�。ㄒ姿椋┪矬w的安全操作。作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)，當(dāng)沒有磁性皮膚提供的力反饋時(shí)，由于夾持力不足以克服外部干擾，雞蛋被拽下(t₈)。

動(dòng)圖1. 基于力反饋的自適應(yīng)雞蛋夾持

圖3. 基于力反饋的自適應(yīng)雞蛋抓取

  類似地，展示了如何利用磁性皮膚的力反饋進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)械手的夾緊力，以穩(wěn)定的夾持一個(gè)正在注水的水瓶。當(dāng)往水瓶中不斷注入液體時(shí)，切向力F_x逐漸增大，水瓶有從機(jī)械手中滑落的趨勢(shì)（F_x/F_z的比值接近滑動(dòng)邊界），此時(shí)機(jī)械手自動(dòng)增大了夾持力F_z，從而避免了水瓶的滑落，任務(wù)成功。作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)，當(dāng)沒有磁性皮膚提供的力反饋時(shí)，水瓶在注水的過程中從手中滑落，任務(wù)失敗。

圖4. 基于力反饋的自適應(yīng)水瓶抓取

  除了能精確的解耦外力的大小和方向，該磁性皮膚還具有觸覺超分辨率，即對(duì)外界刺激的定位精度可以超越傳感器的物理分辨率（兩個(gè)傳感單元之間的距離）。如圖5所示，一個(gè)小球壓在磁性皮膚（具有3x3傳感單元整列）的傳感單元S5上，通過定性分析霍爾傳感器x,y,z方向上磁通量密度的變化，可以確定該小球與皮膚的接觸位置在S5的右上角；進(jìn)一步，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的定量計(jì)算，小球的接觸位置可以被精確定位到S5右上角的（X,Y）處，該定位精度(0.1mm)可以達(dá)到磁性皮膚物理分辨率(相鄰傳感單元的距離6mm)的60倍。

圖5. 磁性皮膚的觸覺超分辨率原理示意

  研究團(tuán)隊(duì)用兩個(gè)不同的場(chǎng)景展示了觸覺超分辨在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用前景：在第一個(gè)展示中（視頻3），研究人員利用超分辨率實(shí)時(shí)追蹤了在磁性皮膚上滾動(dòng)的小球的接觸位置和接觸力大��；在第二個(gè)展示中（圖6及視頻4），研究人員只使用了一個(gè)傳感單元便控制了機(jī)械臂的六個(gè)運(yùn)動(dòng)方向（上、下、前、后、左，右），在研究人員的遠(yuǎn)程操控下，機(jī)械臂可以完成穿針的精細(xì)操作。

  “深度學(xué)習(xí)在機(jī)器人領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用，如在我們的前期工作中，我們利用深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了多機(jī)器人的碰撞檢測(cè)與防止（International Journal of Robotics Research, 39 (7), 2020）。針對(duì)特定硬件設(shè)計(jì)協(xié)同的智能算法，能夠進(jìn)一步突破硬件本身的瓶頸，獲得更好的效果�！迸思阎v到，“我們針對(duì)磁膜的特性設(shè)計(jì)了深度學(xué)習(xí)方法，將其超分辨率提高到了60倍，達(dá)到了與人類皮膚的超分辨率（約40倍）可比的程度。如此以來，我們可以在實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)，極大的減少機(jī)器人皮膚中的傳感單元與布線，從而提高智能皮膚的易用性。這對(duì)未來把人工皮膚覆蓋于機(jī)器人全身，使機(jī)器人擁有和人類一樣的全身觸覺感知能力至關(guān)重要�！�

圖6. 基于觸覺超分辨率的遙控穿針

  研究人員最后展望道：“具有自解耦功能的超分辨觸覺感知在機(jī)器人領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力，可以賦予機(jī)器人靈巧操作日常物品的能力，提高人機(jī)交互的安全性，或許在不遠(yuǎn)的將來，覆蓋有人工皮膚的家庭機(jī)器人將成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚囊徊糠�。在今后的工作中，我們希望能夠開發(fā)出在更多維度上解耦的磁性皮膚，并針對(duì)不同的場(chǎng)景設(shè)計(jì)特定的超分辨率算法，實(shí)現(xiàn)硬件和軟件的深度融合，從而使磁性皮膚的應(yīng)用場(chǎng)景可以更加廣泛”。

  申亞京和潘佳為該工作的共同通訊作者，閆友璨為論文第一作者，合作團(tuán)隊(duì)其他成員來自香港城市大學(xué)、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和南方科技大學(xué)。

  該項(xiàng)目研究得到了NSFC優(yōu)青項(xiàng)目（港澳地區(qū)）61922093,NSFC-深圳聯(lián)合重點(diǎn)項(xiàng)目U1813211,香港UGC項(xiàng)目11211720 、11207818和11202119，NSFC/RGC聯(lián)合研究項(xiàng)目N_HKU103/16以及深圳市學(xué)科布局項(xiàng)目JCYJ20200109114827177的共同資助。

  文章鏈接：Y. Yan, Z. Hu, Z. Yang, W. Yuan, C. Song, J. Pan*, Y. Shen*, Soft magnetic skin for super-resolution tactile sensing with force self-decoupling. Sci. Robot. 6, eabc8801 (2021). DOI: 10.1126/scirobotics.abc8801

  https://doi.org/10.1126/scirobotics.abc8801