國際仿生工程學會 - 浙江工業大學吳化平團隊《NPJ Flexible Electronics》：柔性觸覺傳感器使仿生機械手實現軟硬感知－鑽石舞台

研究背景

隨着人工智能技術的發展，基於機器視覺的物體目標的識別、檢測與定位技術已經成功應用於工業領域，然而視覺技術很難實現對物體軟硬屬性的識別，在易碎物體的無損抓取領域很難發揮作用。以柔性觸覺傳感器為媒介，賦予機器人精密的觸覺感知能力，實現對外部複雜刺激的精確解耦與動態反饋交互，是實現機器人精細化操作的關鍵技術。作為聯結機器人與外界環境信息的重要紐帶，具有觸覺反饋功能的仿生機械手在工業自動化、軍事安防和醫療復健等領域都具有深遠的科學意義。

創新點

近期，浙江工業大學吳化平教授團隊設計並開發了一款具有軟硬感知反饋功能的仿生機械手。通過整體構型優化設計與運動學分析，搭建了多自由度欠驅動仿生機械手。利用雙模式傳感模塊對於動靜態刺激響應的協同作用，構建了一種集合了壓電傳感器和壓阻傳感器的柔性觸覺傳感系統，可採用輕敲和按壓兩種模式完成對物體軟硬屬性的識別。此外，進一步將柔性軟硬識別傳感系統與仿生機械手結合，能通過軟硬觸覺識別與滑動感知反饋控制機械手實現對易損壞物體的無損自適應抓取和智能分揀，在智能機器人、人機交互、虛擬現實等領域都有着巨大的應用價值。該研究成果以題為「Nondestructive identification of softness via bioinspired multisensory electronic skins integrated on a robotic hand」的研究論文（NPJ Flexible Electronics. 2022, 6, 45）發表在Nature出版社旗下的NPJ Flexible Electronics（影響因子12.74）上。

文章解析

本文受人體皮膚結構及感知功能的啟發，結合壓電和壓阻傳感的動靜態力敏傳感特性，設計的觸覺感知系統在機械手抓取過程中包含敲擊和擠壓兩部分。在敲擊過程中利用壓電傳感器初步獲取物體的柔軟度，以此調整擠壓階段中的驅動力，再結合應變傳感器獲取機械手擠壓狀態，完成對物體軟硬屬性的定量感知，並實現機械手自適應穩定抓取功能（圖1）。

圖1 集成有雙模式傳感器的仿生機械手結構設計

首先結合數值分析和實驗測試系統地分析了壓電及應變傳感器的力敏傳感機理及性能調控作用（圖2），並將壓電傳感器嵌入指尖皮膚中並與機械手食指指尖相集成，用於感知指尖碰觸物體的瞬態壓力。同時，將應變傳感器裝配在食指的近指端和遠指端兩關節處，能夠實現對機械手彎曲應變的實時感知。其中，機械手指尖皮膚通過3D打印倒模而具有指紋狀的微結構，來有效地增大傳感器的靈敏度。

圖2 壓電和應變傳感器的傳感性能調控

基於上述傳感性能，探究觸覺機械手在抓取日常易損較軟物體時，如易損的物體如豆腐、成熟番茄等的抓取能力。當通過雙模式傳感的協同作用對該物體進行軟硬識別後，機械手會分配合適大小的力去抓取物體，並在抓取過程中採集滑動信號，保證對豆腐、番茄等易損物體進行自適應安全無損地抓取（圖3）。作為對比，如果不在抓取前進行軟硬分析判斷，則往往會導致物體的損壞。這進一步表明了物體的基本軟硬屬性判斷對機械手安全無損抓取的重要性，也證明了對不同硬度物體採取合適的抓取力控制的必要性。

圖3.有無觸覺的仿生機械手抓取物體的對比

將仿生機械手進一步與智能機械臂相連接，結合驅動控制反饋系統軟硬件，包括機械手元器件、驅動程序編寫、信號採集通道建立以及與上位機的連接反饋，構建傳感-驅動一體化的閉環反饋系統。利用集成在機械手上的雙模式傳感器實時感知水果的軟硬屬性，進而通過傳感信息反饋控制機械手實現水果的智能分揀和無損穩定抓取（圖4），對進一步拓展智能可穿戴器件在人機交互、神經假肢與虛擬現實等領域的應用產生現實意義。