電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）靈巧手作為人形機(jī)器人上價(jià)值量最高的部件之一，也是人形機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精細(xì)化工作的關(guān)鍵部件。靈巧手的核心是模仿人類手部的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)與人類相似的靈活性，通過(guò)多關(guān)節(jié)和多模態(tài)感知去支持完成不同任務(wù)。

靈巧手主要的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)是電機(jī)和、運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)、傳動(dòng)部件，這些部分決定了靈巧手的自由度，以及靈巧手實(shí)際的握力。而為了讓機(jī)器人感知到物體的材質(zhì)、硬度、形狀，以便于判斷抓取力度和姿態(tài)，還需要在靈巧手上增加“電子皮膚”，也就是觸覺傳感器。目前機(jī)器人觸覺傳感器的技術(shù)路線還比較分散，還未形成行業(yè)共識(shí)，但另一個(gè)角度看，這也代表這個(gè)行業(yè)仍處于高速發(fā)展期，未來(lái)增長(zhǎng)空間潛力巨大。

目前市面上主要有五大類觸覺傳感器類型。

電阻式觸覺傳感器

電阻式是最成熟、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)路線之一，核心利用壓阻效應(yīng)，即材料受壓力后電阻發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)觸覺感知。

電阻式觸覺傳感器一般由 “柔性基底 + 壓阻敏感層 + 電極” 組成，當(dāng)靈巧手接觸物體時(shí)，壓力使壓阻層發(fā)生形變，導(dǎo)致其內(nèi)部導(dǎo)電通路的數(shù)量或接觸面積變化，進(jìn)而引起電阻值改變；通過(guò)檢測(cè)電阻變化量，可反推壓力大小和分布。

因?yàn)榧夹g(shù)成熟、成本相對(duì)較低，可以滿足一般的壓力感知需求，在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。主要的廠商有漢威科技旗下能斯達(dá)、墨現(xiàn)科技、福萊新材等。

電容式觸覺傳感器

電容式是通過(guò)電容變化來(lái)實(shí)現(xiàn)觸覺感知。柔性介質(zhì)受壓后極板間距或有效面積變化，引起電容值變化，可同時(shí)檢測(cè)三維力。這種技術(shù)的特點(diǎn)是靈敏度較高，響應(yīng)速度快，同時(shí)可以提供比電阻式更好的線性度。

結(jié)構(gòu)上，電容式觸覺傳感器一般是“柔性上下電極 + 介電層” 的平行板電容結(jié)構(gòu)。當(dāng)施加壓力時(shí)，介電層被壓縮，極板間距減小，使得電容增大，通過(guò)電容的變化可以推算出壓力的大小。

由于靈敏度高，在一些高端的靈巧手上，需要檢測(cè)微小壓力的場(chǎng)景中會(huì)應(yīng)用到電容式傳感器，比如波士頓動(dòng)力、優(yōu)必選等在其人形機(jī)器人靈巧手上都有應(yīng)用。目前主要廠商有XELA、他山科技等。

壓電式觸覺傳感器

壓電式是利用壓電效應(yīng)，即材料受機(jī)械應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生極化電荷，輸出瞬態(tài)脈沖信號(hào)，反之受電場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生形變的原理實(shí)現(xiàn)觸覺感知，核心優(yōu)勢(shì)是無(wú)需外部電源即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)力檢測(cè)。當(dāng)靈巧手接觸物體時(shí)，壓電材料受壓力產(chǎn)生電荷，電荷經(jīng)采集電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度與壓力大小成正比。

不過(guò)壓電式有特殊的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，在響應(yīng)速度極快的同時(shí)，只能測(cè)動(dòng)態(tài)/瞬態(tài)力，無(wú)法感知靜態(tài)力。這是因?yàn)殪o態(tài)壓力下電荷會(huì)隨時(shí)間泄露，無(wú)法穩(wěn)定檢測(cè)，所以需要常與其他技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn) “動(dòng)靜雙?！?感知。

磁電/霍爾效應(yīng)式觸覺傳感器

磁電式觸覺傳感器基于霍爾效應(yīng)，即當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)半導(dǎo)體時(shí)，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上會(huì)產(chǎn)生附加電場(chǎng)，從而在半導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電勢(shì)差。在觸覺感知中，通過(guò)監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)變化來(lái)感知外力。

磁電式觸覺傳感器通常由金屬支架、硅膠彈性體、磁石矩陣和霍爾傳感器陣列組成，彈性體受壓變形會(huì)改變磁石與霍爾元件的相對(duì)位置，進(jìn)而使磁場(chǎng)強(qiáng)度變化，這種變化被霍爾元件檢測(cè)到并轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，通過(guò)建?？芍亟S力。

它的主要特點(diǎn)是超高精度和靈敏度，能夠識(shí)別低至 0.01N 的精細(xì)力，重復(fù)精度可達(dá)全量程 < 0.5% FS。它不僅能測(cè)量傳統(tǒng)的六維力，還能同步捕捉接觸位置、材質(zhì)、溫度、硬度等多種觸覺信息，數(shù)據(jù)輸出頻率高達(dá) 1000Hz。

比如帕西尼推出的ITPU多維度觸覺傳感技術(shù)，就被應(yīng)用到其DexH13 Gen2靈巧手上，采用了1140顆專業(yè)級(jí)機(jī)器人ITPU觸覺傳感單元GEN2，觸覺信號(hào)多達(dá)3420路，提供1mm按壓定位精度，并支持超百萬(wàn)次按壓的工業(yè)級(jí)使用壽命。

光電式觸覺傳感器

這種觸覺傳感器是利用光學(xué)原理，如光的反射、折射、遮擋、散射等，將機(jī)械接觸力或形變轉(zhuǎn)化為可檢測(cè)的光信號(hào)變化，再通過(guò)光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)觸覺信息，包括力、壓力、接觸位置、紋理、硬度等感知的技術(shù)路線。其核心優(yōu)勢(shì)在于高靈敏度、抗電磁干擾、響應(yīng)速度快，且易于實(shí)現(xiàn)陣列化以獲取空間分布觸覺信息。

不過(guò)目前光電式觸覺傳感器還未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，主要原因是系統(tǒng)復(fù)雜，成本過(guò)高。