來自法國國家科學研究中心（CNRS）和香港大學的研究人員提出了一種基于柔性磁膜的觸覺傳感器。

通過設計正交磁化的Halbach陣列，該觸覺傳感器可以實現三維力的自解耦，將標定復雜度從三次方降低到一次方，極大地簡化了傳感器結構以及標定流程，為低成本的三維力觸覺傳感提供了新思路。

圖1 傳感器結構與原理

相關成果以“A soft skin with self-decoupled three-axis force-sensing taxels”為題，已發表在Nature子刊Nature Machine Intelligence上。

自解耦三維柔性觸覺皮膚

如圖1所示，該觸覺傳感器的主體部分從上往下分為三層：柔性磁膜，彈性硅膠，以及PCB電路板（帶有霍爾傳感器）。

當磁膜在外力作用下發生變形后，磁膜與霍爾傳感器之間的距離將發生變化，因此由霍爾傳感器測得的磁場大小及方向也會隨之發生變化，該三維磁場信息經過解耦算法可以被轉換為三維力信息。

之前的研究表明單面多極正弦磁化的Halbach陣列有二維自解耦的特性，即在x-z平面內，磁感應強度B只和z方向有關，磁場方向RB只和x方向有關，因此可以用于二維力的自解耦。

由于磁場滿足疊加原理，研究人員發現，將兩個正弦磁化的Halbach陣列磁場進行正交疊加后，二維自解耦的特性在一定條件下通過簡化可以被推廣到三維。

圖2 Halbach陣列的磁場正交疊加

即B只和z方向有關，Rxz只和x方向有關，Ryz只和y方向有關，其中B，Rxz，Ryz在簡化前后的歸一化絕對誤差（NAE）分別為2.88%、3%和4.56%。

基于正交磁化Halbach陣列三維自解耦的特性，三維力Fz、Fx、Fy可以分別通過B、Rxz、Ryz解耦出來。

為了驗證上述三維力自解耦方法的可行性，研究人員設計并制作了三個具有不同形狀、大小、量程及靈敏度的觸覺傳感器，以用于不同的實際應用。

人工膝關節三維力分布測量

第一個應用是測量人工膝關節處的三維力分布：

膝關節由3D打印而成，下半部分由觸覺傳感器（含24個傳感單元）及ATI六維力/力矩傳感器組成；上半部分由機械臂驅動模擬人類膝關節的彎曲和滑動。

實驗顯示，觸覺傳感器可以提供實時的三維力分布測量，且測得的合力與真實值（來自ATI傳感器）誤差很小。

觸覺示教機器人制作咖啡

另一個應用是基于觸覺的教機器人制作咖啡。

如下圖所示，研究人員將一個可以檢測力和力矩的3x3觸覺傳感器陣列安裝在了機械夾爪的一端（取矩點為傳感器中心），當操作員輕觸或滑動傳感器表面的時候，傳感器將檢測到相應方向的力和力矩。

該力和力矩乘以一個增益矩陣（gain matrix）之后將被分別轉換為機械臂末端執行器的運動增量（移動+轉動），并通過一個阻抗控制器（impedance controller）更新機械臂的末端姿態。

機械夾爪的開合可由特定的觸覺信號編程控制，如快速上下滑動傳感器表面控制“關閉夾爪”，快速上下搖動所夾物體控制“打開夾爪”。

通過直接和傳感器或所夾物體交互，機械臂及夾爪可以被精確控制并依次完成夾持水杯、倒水：