利用正交磁化的 Halbach 陣列實現三維力的自解耦

原標題：基于柔性磁膜的觸覺傳感器
文章來源：HyperAI超神經
內容字數：9172字

基于柔性磁膜的觸覺傳感器：高精度、快速響應的觸覺感知新突破

本文總結了閆友璨博士在“新銳論前沿”第五期線上分享活動中關于“基于柔性磁膜的自解耦及超分辨率觸覺傳感”的精彩內容。該研究針對傳統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，實現了高精度、快速響應的觸覺感知。

1. 機器人觸覺感知的現狀與挑戰

人類精細操作能力依賴于豐富的觸覺感知，而機器人觸覺感知技術仍面臨諸多挑戰。現有觸覺傳感器（光學型、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計

該研究設計了一種三層結構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。外力作用導致磁膜變形，霍爾傳感器捕捉磁場變化，通過信號處理實現三維力的解耦。實驗中，成功演示了基于觸覺反饋的雞蛋自適應抓取，驗證了解耦外力對精準控制的重要性。

3. 正交磁化的Halbach陣列及三維力解耦

研究采用Halbach陣列磁鐵，其獨特的磁場增強特性，使得磁場強度B僅與z方向相關，而磁場方向參數RB僅與x方向相關，實現了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，實現了x、y、z三個方向的天然解耦，簡化了傳感器標定過程。

4. 基于三維力解耦的觸覺傳感器應用

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節觸覺傳感器，可實時測量膝關節轉動時的力分布情況。此外，研究還設計了三種不同靈敏度和量程的傳感器，分別應用于機械臂示教（咖啡制作）、護膝觸覺傳感等場景。

5. 觸覺超分辨率的研究與應用

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（多層感知機模型），并進一步發展了基于幾何模型的方法，可實現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. 基于貝葉斯優化的機器人觸覺診斷

結合觸覺傳感器和貝葉斯優化算法，研究實現了機器人快速觸診。實驗中，機器人能夠以最少的按壓次數找到模擬腫瘤的位置，并實現腫塊的精確分割。

7. 盲文識別與材質分類

該傳感器系統還可用于盲文識別和布料材質分類。通過訓練LSTM神經網絡，實現了高準確率的盲文識別（97%）和布料材質分類（99%）。

8. 總結與展望

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

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