南方科技大學郭傳飛課題組: 具有高時空分辨率的機器人感知系統(tǒng)用于紋理識別

來源： 摩方PuSL高精密

機器人技術對觸覺感知的需求不斷增加,，以實現機器人與周圍環(huán)境的友好互動。通常,，采用柔性觸覺傳感器及人工感知系統(tǒng)來實現這一功能�,，F有的柔性觸覺傳感器主要專注于對物理刺激的精確檢測，如壓力,、剪切力和應變等,，以提供在機器人抓取或操作任務中更精準的反饋。然而,，在觸摸目標物體時往往缺乏感知和識別真實世界的能力,。相比之下，人類的皮膚,，特別是指尖,，不僅能感受和估量物體的重量，還能幫助識別接觸到的物體紋理,、粗糙度和形狀等參數,。

人體的指紋和皮下的機械感受器在紋理觸覺中發(fā)揮著關鍵作用。手指在滑動過程中,，使指紋嵌入物體表面的微結構里,，通過滑動摩擦產生了低頻壓力刺激和高頻振動刺激，并由皮膚中的慢適應機械感受器（SA）和快適應機械感受器（FA）分別檢測到相應的力刺激,，該刺激產生的電位信號通過神經系統(tǒng)傳遞至大腦,，供進一步的分析和判斷（識別）。然而,，現有的研究很難在單一傳感器中同時實現SA和FA感受器的功能,。因此，人工感知系統(tǒng)通常使用兩個傳感器（以及兩個收集和處理不同類型信號的電路）,，一個用于檢測靜壓,，另一個專門用于檢測振動，這無疑增加了傳感系統(tǒng)集成和數據處理的難度,。

近日,，南方科技大學的郭傳飛課題組研發(fā)了一種基于柔性滑覺傳感的機器人觸覺感知系統(tǒng)用于紋理識別。該傳感器中,，表面的指紋結構和傳感器中的微結構層對傳感性能起到關鍵作用,。團隊采用摩方精密nanoArch®S130（精度：2μm）3D打印設備，實現了類指紋結構模板和分級微結構模板的高精度打印,，并結合倒模技術制備了柔性PDMS人工指紋（周期：350 μm,，高度：260μm）和具有分級微結構的離子凝膠（周期：200μm，高度: 55μm）,。

這種應用需要傳感器具備高靈敏和快響應的性能，以實現對微小的結構起伏（高度）和精細的結構間距產生響應。團隊選擇了低粘度離子凝膠,，并結合分級離-電傳感界面的設計,，使滑覺傳感器具有高靈敏度（519kPa-1）和超快的響應-弛豫速度（2.4ms），可同時檢測靜壓和高達400 Hz的高頻振動,。此外,，傳感器能夠探測出周期為15μm、高度為6μm的微小結構,，展現出卓越的空間分辨率,。在400Hz的高頻振動下，柔性滑覺傳感器能夠區(qū)分出0.02Hz的頻率變化,，頻率分辨率達0.005%,。這種極高的時空分辨率使滑覺傳感器能夠準確區(qū)分具有緊密間距的微小表面特征，這對機器人在紋理識別方面具有重要意義,。

本研究將柔性滑覺傳感器集成在機械手上,，并建立起機器人觸覺感知系統(tǒng)。在固定滑動速度下,，該觸覺傳感系統(tǒng)對20種結構相似的織物識別準確率高達100%,。在隨機滑動速度下，由于數據的多樣性和復雜性,，置信度略有下降,，然而，平均識別準確率始終在98.5%以上,。這一感知系統(tǒng)有望為機器人提升觸覺能力,。

相關研究成果以“A robotic sensory system with high spatiotemporal resolution for texture recognition”為題發(fā)表在期刊《Nature Communications》上。該工作得到了國家自然科學基金委,、廣東省科技廳和深圳市科創(chuàng)委的大力支持,。

圖1. 模仿人類感官系統(tǒng)進行紋理識別的機器人感知系統(tǒng)。a. 人類的生物感官系統(tǒng),；b 本研究的人工觸覺感知系統(tǒng),。

圖2. 滑覺傳感器的結構、傳感特性以及靜態(tài)和動態(tài)壓力性能,。a. 滑覺傳感器的結構示意圖,；b. 人工指紋的微觀形貌圖；c. PVA-H3PO4 凝膠的形貌圖,；d. 傳感器的響應曲線,；e. 滑覺傳感器的響應-松弛時間；f. 傳感器在振動頻率為10,、200 和 400 Hz的電容響應以及對應的頻譜,；h. 滑覺傳感器與現有電容式傳感器在靈敏度、響應-弛豫時間、頻率帶寬的對比,。

圖3. 滑覺傳感器的時空分辨率,。a. 人工指紋的SEM圖；b. 滑覺傳感器對具有不同間距微結構的響應（滑動速度1 mm·s-1）,；c.高度不同的微結構的SEM圖,；d. 滑覺傳感器對具有不同高度微結構的響應（滑動速度1 mm·s-1）；d. 滑覺傳感器與圖 (c) 中的精細結構相互作用產生的信號,；e.傳感器檢測到頻率為400.0,、400.1 和 400.2 Hz 的振動時域信號和（f）對應的頻率信號；g. 被識別織物的微觀形貌圖,；傳感器在不同滑動速度下滑過織物表面時采集的（h）時域信號和（i）對應的頻域信號,。

圖4. 織物識別應用。a. 20種不同紡織品,；b. 20種紡織品的結構周期,；c. 20種紡織品在2 mm·s-1和40 mm·s-1滑動速度下的對應產生的特征頻率；d. 滑移傳感器以2 mm·s-1的滑動速率檢測20種紡織品的時域信號,；e. 數據集的降維可視化,；f. 特征提取和信號分類示意圖；g. 固定滑動速度下的識別準確率,；h. 隨機滑動速度下傳感器滑過16號織物時的時域信號,；i. 隨機滑動速率下的識別準確率。

圖5. 具有可視化用戶界面的便攜式實時傳感系統(tǒng),。a. 實時傳感系統(tǒng)的結構,；b. 固定滑動速度下，實時紋理觸覺識別系統(tǒng)的演示（傳感器集成在機械手上）,；c. 隨機滑動速度下,，實時紋理觸覺識別系統(tǒng)的演示（傳感器集成在手指上）。

原文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-42722-4