利用正交磁化的 Halbach 陣列實現(xiàn)三維力的自解耦

原標(biāo)題：基于柔性磁膜的觸覺傳感器
文章來源：HyperAI超神經(jīng)
內(nèi)容字?jǐn)?shù)：9172字

基于柔性磁膜的觸覺傳感器：高精度、快速響應(yīng)的觸覺感知新突破

本文總結(jié)了閆友璨博士在“新銳論前沿”第五期線上分享活動中關(guān)于“基于柔性磁膜的自解耦及超分辨率觸覺傳感”的精彩內(nèi)容。該研究針對傳統(tǒng)觸覺傳感器在力測量中的信號耦合和空間分辨率限制問題，提出了一種基于柔性磁膜的新型觸覺傳感器，實現(xiàn)了高精度、快速響應(yīng)的觸覺感知。

1. 機(jī)器人觸覺感知的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

人類精細(xì)操作能力依賴于豐富的觸覺感知，而機(jī)器人觸覺感知技術(shù)仍面臨諸多挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有觸覺傳感器（光學(xué)型、壓阻型、電容型等）普遍存在法向力與切向力解耦困難的問題，且空間分辨率有限。

2. 基于柔性磁膜的觸覺傳感器設(shè)計

該研究設(shè)計了一種三層結(jié)構(gòu)的柔性磁膜觸覺傳感器：正弦磁化柔性磁膜（PDMS與釹鐵硼磁粉混合）、柔性彈性層和集成霍爾傳感器的電路板。外力作用導(dǎo)致磁膜變形，霍爾傳感器捕捉磁場變化，通過信號處理實現(xiàn)三維力的解耦。實驗中，成功演示了基于觸覺反饋的雞蛋自適應(yīng)抓取，驗證了解耦外力對精準(zhǔn)控制的重要性。

3. 正交磁化的Halbach陣列及三維力解耦

研究采用Halbach陣列磁鐵，其獨特的磁場增強(qiáng)特性，使得磁場強(qiáng)度B僅與z方向相關(guān)，而磁場方向參數(shù)RB僅與x方向相關(guān)，實現(xiàn)了x方向和z方向的天然解耦。為感知y方向力，研究疊加了兩層正弦磁化磁膜，通過磁場疊加原理，實現(xiàn)了x、y、z三個方向的天然解耦，簡化了傳感器標(biāo)定過程。

4. 基于三維力解耦的觸覺傳感器應(yīng)用

該傳感器可用于測量分布力。例如，一個由24個傳感單元組成的膝關(guān)節(jié)觸覺傳感器，可實時測量膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動時的力分布情況。此外，研究還設(shè)計了三種不同靈敏度和量程的傳感器，分別應(yīng)用于機(jī)械臂示教（咖啡制作）、護(hù)膝觸覺傳感等場景。

5. 觸覺超分辨率的研究與應(yīng)用

研究提出了一種觸覺超分辨率算法，通過多個傳感單元信號疊加與插值，實現(xiàn)高于物理分辨率的定位精度。該算法包括定性分析和定量分析（多層感知機(jī)模型），并進(jìn)一步發(fā)展了基于幾何模型的方法，可實現(xiàn)多點接觸的超分辨率測量，提升了接觸位置和力大小的測量精度。

6. 基于貝葉斯優(yōu)化的機(jī)器人觸覺診斷

結(jié)合觸覺傳感器和貝葉斯優(yōu)化算法，研究實現(xiàn)了機(jī)器人快速觸診。實驗中，機(jī)器人能夠以最少的按壓次數(shù)找到模擬腫瘤的位置，并實現(xiàn)腫塊的精確分割。

7. 盲文識別與材質(zhì)分類

該傳感器系統(tǒng)還可用于盲文識別和布料材質(zhì)分類。通過訓(xùn)練LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了高準(zhǔn)確率的盲文識別（97%）和布料材質(zhì)分類（99%）。

8. 總結(jié)與展望

該研究設(shè)計了高靈敏度的觸覺傳感器硬件，并開發(fā)了力的解耦與超分辨率算法，將其應(yīng)用于多個實際場景。未來研究將繼續(xù)優(yōu)化傳感器仿真，開發(fā)更通用的超分辨率算法，并探索實現(xiàn)類似人類皮膚的全身觸覺感知。

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