灵巧手行业研究报告：传感器，灵巧手如何获得多模态“感觉”

摘要：触觉传感在灵巧手上的功能主要分为输入和输出两大类，1）输入端：识别、输入信息，如：操作对象的状态和形状、大小和刚度等特征；灵巧手和操作对象的接触状态；检测操作对象的物理性质；2）进行力的检测；3）输出端：实现力的控制。装配触觉传感器后，灵巧手可以实现更复杂的操

触觉传感器：实现灵巧手的信息识别+力检测+力控制

触觉传感在灵巧手上的功能主要分为输入和输出两大类，1）输入端：识别、输入信息，如：操作对象的状态和形状、大小和刚度等特征；灵巧手和操作对象的接触状态；检测操作对象的物理性质；2）进行力的检测；3）输出端：实现力的控制。装配触觉传感器后，灵巧手可以实现更复杂的操作任务，实现输出力（做功）+根据力的反馈做精细运动。如：“拖地”这一操作需要识别拖把本身和拖把的大小，还需要用力拖地；抓取拖把时需要判断和控制抓握力的大小，如果抓握力过小，拖把可能会滑落；如果抓握力过大，可能会损坏物体。分类：基于不同的工作原理，可以将触觉传感器分为压阻式、电容式、压电式、光学式和磁触觉感知式等。

电子皮肤：触觉传感器的柔性化

触觉传感器的柔性化：使传感器从物理特征上像皮肤一样柔软，并可以在任意载体表面进行测量，不受面积和结构影响。触觉传感器的柔性化有三种主要的途径： 1）触觉传感器中的敏感元件单元为刚性，利用柔性材料如硅橡胶作为传播媒介，接触面不携带传感功能，仅靠刚性传感器硬件获取信息。如，将六维力传感器放置在由硅橡胶组成的柔软皮肤内部，制成灵巧手的指尖； 2）敏感元件为刚性，由柔性组织结构组合而成，如使用网状设计，将各类电子线路嵌入柔软的薄膜上，如，可以形成网格状的集成阵列（如，2×3的【宇树 DEX-5】等），或集成温度和触觉等（如，一种阵列式柔性传感器，薄膜的一面是半导体温度传感器，另一面是导电聚合物触觉传感器）； 3）触觉传感器自身是柔性材料，如具有压阻特性的压力敏感导电橡胶和具有压电特性的材料（如PVDF聚偏二氟乙烯等）。

触觉传感器功能：信息识别-纹理感知和单/多维力的读取

1）信息识别-Step 1：纹理感知。通过纹理可以反映接触表面材料的属性和制造工艺，将信息反馈给算法计算层，实现对物体的识别。 2）信息识别-Step 2：力的读取。力的读取分为单维触觉传感功能（垂直于表面的接触信息）和三维触觉传感能力（精准测量xyz三个方向作用力，即法向力+切向力）。其中：单次触摸基于压力分布或接触面积来测量纹理，优点是简单直观；缺点在于测量区域局限，不利于大面积或长距离测量，以及较难获取纹理微观结构的形状特征和高度信息。滑动触摸：优点是相较单次触摸能够获取更多测量参数，可以测量的参数包括：仅测量合力（法向力和摩擦力的总和）、仅测量法向力（压力）、仅测量摩擦力（沿切线方向作用的力）、解耦的法向力+摩擦力。目前的难点在于缺乏法向力和摩擦力的解耦方法等。

触觉传感器分类：基于压阻原理的柔性触觉传感器

原理：压阻式柔性触觉传感器是一种将机械信号转换为电信号的压力传感器，工作原理主要依靠材料的压阻效应，工作机制主要有以下三种：1）材料电阻率的变化；2）接触电阻的变化；3）复合材料中的量子隧穿效应。分层构成：活性层（弹性导体/半导体层）+两个电极，因此，通过调整材料种类、用量和活性层微观结构可以实现不同性能的压阻式压力传感器。其中：每层的材料选择：金属基材料（金属纳米线）、碳纳米材料（碳纳米管、石墨烯等）和导电聚合物、水凝胶等功能材料。微观结构：可采用带状/波浪状/3D螺旋形/网格/蛇形或导电织物的独特分层纤维结构，如石墨烯纺织物等。

触觉传感器分类：基于电容原理的柔性触觉传感器

原理：将机械刺激转化为电容变化，感测性能随电介质层材料变形面积或厚度变化。分层结构：由两端的导电极板和中间的介质层组成，通过固定计算公式C=ɛr×ɛo×（A /d），其中A是电容器的极板面积，d是两个分离的电极之间的距离，向垂直于电极的方向施加力后，d变化从而导致电容变化；此外，灵敏度受接触面积限制，随器件尺寸的减小迅速下降。材料选择：碳基材料，水凝胶材料，金属基材料以及一些天然材料（花朵、叶子等植物材料）等。微型结构：开发出了不同的电介质材料，如织物，孔隙，微圆柱，金字塔，微球，珠和针等。

分层式柔性传感器应用案例：电容式三维力触觉传感器的结构和原理

电容式三维力触觉传感器结构可分为4个部分，即触头+半圆形凹槽+金属导电电极+基底，其中，基底为中空长方体结构，中空部分为空气腔，呈半椭球形，底部为4个椭球曲面激励电极，顶部（触头底部）是1个圆形公共电极，公共电极与激励电极之间的空气层作为介质层。触头是圆台结构，触头与基底之间由横截面为半圆形的凹槽结构支撑，在压力作用下半圆形的凹槽结构能够使公共电极发生偏移，导致电容值变化，实现三维力测量。测力原理：4个椭球曲面电极组成2×2的阵列且与触头底部的公共电极分别形成4个呈不同方向分布的独立电容，通过传感器触头受到法向力作用而得出的4个电容值，反推施加的三维力的大小和方向。

触觉传感器分类：搭配相机的光学传感器Gelsight方案

GelSight 传感器的方案：可以采用内置相机和外置软凝胶弹性体的方案，基于光度立体法原理，识别纹理表面对软弹性体压缩所引起的形态变化。目前采用该方案的灵巧手制造商有帕西尼感知和智元机器人等。智元机器人视触觉感知方案：采用MEMS触觉感知+视触觉感知技术，触觉感知技术可以反馈物体接触的压力、形状、纹理等信息。

触觉传感器分类：基于磁感原理的柔性触觉传感器

相较于前文所述，压电式、压阻式等平面分布式阵列传感器是由单类型或多类型的传感器组成的平面分布式阵列，存在的共同缺点为：1）可以获取的数据维度有限；2）搭载多种类型传感器容易导致结构复杂、集成度低；3）采集到的不同模态触觉信息存在时间空间不匹配的时滞性问题。搭载霍尔传感器的磁性传电子皮肤可以解决这一问题：全表面连续感知+分层式结构，在一个感知层上实现两种异质的触觉信息的同时收集，提高集成度，减少时间和空间上的时滞差。磁性电子皮肤的原理：在形变性能良好的弹性材料中混入磁性微粒，与被感知对象进行触觉接触时，弹性材料会发生形变使得磁性微粒发生位移，内部磁场发生独特变化，实现全表面连续感知，可以通过在弹性材料下方均匀排布的5个霍尔传感器，感知3个维度的磁场变化。

磁性柔性传感器：一种阵列+磁性结合的多模态传感器工艺

磁性传感器的主要缺点在于测量结果会受磁场的影响。通过多种方法，可以提高磁性触觉传感器的抗磁性干扰能力，下文将介绍一种多模态集成式磁性触觉传感器，减少磁场对测量结果的影响。制备工艺：核心在于创新的触觉传感层的制备，如，将液态硅胶和磁性颗粒（钕铁硼磁性颗粒等）充分混合和静置，在定型模具中以一半混合物-分布式柔性触觉传感阵列-另一半混合物的顺序确定各层的位置，在室温环境下完成固化，最后放入充磁机进行定向磁化。通过这种方案，将混有钕铁硼磁粉的硅胶与分布式柔性触觉传感阵列一体成型，制备一种集成式的多模态力触觉感知层，可以在时间、空间上同步收集磁性触觉信息和力触觉阵列信息，减少磁场干扰，实现识别准确率达99.4%。

灵巧手触觉应用 - 戴盟机器人：一种基于磁性原理的触觉传感器方案

戴盟机器人研发毫米级厚度视触觉传感器，将传感器厚度从厘米级缩小至毫米级，能够放置于灵巧手的手指内部。根据36氪pro公众号资讯，戴盟机器人的视触觉传感器产品触觉分辨率可达640×480和1280×960像素级，单位面积内几十万个触觉感受器。对比之下，人类手指指尖每平方厘米皮肤约有2400个触觉感受器，而传统的阵列式触觉传感器每平方厘米内分辨率通常在几乘几。目前公司提供两款通用型的触觉传感器产品，包括适用于抓夹的DMTac-W和适配灵巧手的DMTac-F，均有大中小三种型号，感知面积分别为24mm×18mm、20mm×15mm、16mm×12mm，搭载相机分辨率为640×480。

六维力矩传感器

力矩传感器：可应用于工业机器人领域，实现末端执行器的精确控制，实现机械臂的“触觉”功能，感知并测量全部的空间力学信息。根据测量力的维度，可以将力矩传感器分为单维力、三维力和六维力。其中，单维力、三维力可以通过上文所述的触觉传感器实现。六维力传感器：六维力传感器是可以测量三个方向的力和三个力矩的力矩传感器。一个完整的六维力传感器结构包括顶板、弹性体、接地板、传感器板、信号处理板和底座，其中弹性体是六维力传感器的核心部件。

六维力矩传感器的原理分类

根据感测原理的不同，可以将六维力传感器分为应变式（硅应变片/金属箔应变片）、光学式和压电式（压电/电容）。性能比较：通过对比稳定性、成本、信噪比、动态性能和刚度五个维度，硅应变和金属箔传感器相比，两者刚度类似，成本上金属箔占优，硅应变在稳定性和信噪比方面更优；电容和压电传感器相比，电容传感器成本更低；光学传感器在动态性能方面具有优势。在传感器外形尺寸不变的情况下，可以通过改变传感器的电容结构和弹性体来实现测力范围、精度和分辨率等测量指标调整，如，通过选择强度更高的弹性体材料以提高测力范围，通过软件优化弹性体结构降低降低传感器重量而提高测量精度，通过强度更高的材料+软件优化弹性体结构同时提高测力范围和精度。

弹性体：六维力矩传感器核心元件及检测原理

弹性体是六维力传感器的核心元件，其结构的设计对六维力传感器的精度、灵敏度、维间耦合、动态性能等关键性能参数起着重要作用。十字梁式的结构具有对称性，可以测量水平和竖直方向的结构应变，因此被广泛使用一直沿用至今。运作原理：通过弹性体上的应变片和应变效应原理，可以检测力或力矩引起的微小形变，从而进行电路的测量和力矩的输出。

微型六维力传感器的灵巧手应用及难点

应用于灵巧手的六维力传感器需要具有体积小，灵敏度高、力学特性好的特征，放置位置可以在指尖的内部，六维力传感器的外部封装结构为柱体，底部有四个螺纹孔，可与指尖背部连接，顶部与指尖连接，以检测外力。其设计的难点之一在于弹性体需要保证在尺寸相对较小的空间内完成对各向力/力矩的精准检测。微型六维力传感器的难度在于：1）指尖高度集成带来的小型化需求：对于常见的电阻应变片式传感器，由于检测六个维度的力/力矩，使用贴片较多，尺寸较大，而灵巧手指尖内部空间狭小，导致机械装配的难度较大，难以实现六维力传感器的小型化设计；2）依靠算法解决耦合问题：目前小型多维力传感器的弹性体多采用十字横梁结构，这种结构在机械设计层面不能消除维间耦合，需要依靠算法实现维间解耦。ATI公司提供多轴力/力矩传感器系统，其中，最小的六维力传感器产品nano17直径为17mm，高度14.5mm，最小测力值可达0.318克力，可以适用于机械手研究。