據麥姆斯咨詢報道，Engineering期刊上最近發表的一項研究論文展示了機器人觸覺傳感技術的重大進展。研究人員開發出一種名為“F3T傳感器”的新型柔性觸覺單元——其能夠準確解耦三維力和溫度測量值。
人體皮膚能夠精確感知接觸力和環境溫度，但現有的柔性觸覺傳感器在精確解耦這些信號方面面臨挑戰。這一局限性限制了機器人執行高級任務的能力。本研究最新開發的F3T傳感器的靈感源自人體皮膚的結構和功能，它采用四層設計，融合了多種材料和傳感原理。
具有解耦三維力和溫度傳感能力的柔性觸覺單元概覽
最頂層是基于離子凝膠的溫度傳感薄膜。當溫度變化時，凝膠中聚合物鏈之間的距離會發生變化，從而導致電阻的變化，這使得獨立的溫度測量成為可能。第二層是帶有浮動貼裝多層電容器的圓形同軸磁性薄膜。這種設計有助于物理解耦各個方向的法向力和切向力。第三層為浮動電容器，僅對法向力敏感，有效消除了切向力的影響。第四層為硬質PCB層，用于支撐和信號處理。F3T傳感器內部的硅橡膠彈性體類似于人體皮膚的皮下組織，有助于連接元件并緩沖沖擊力。
F3T傳感器能夠精確解耦溫度、法向力、全方位切向力。當與物體接觸時，F3T傳感器接收到的復合信號被分離出來。離子凝膠層首先解耦并測量溫度。然后，通過結構設計和材料調控，浮動電容器精確測量法向力，磁性薄膜測量切向力。
F3T傳感器信號解耦流程及原理
特性測試表明，F3T傳感器性能優異。離子凝膠中的接觸溫度與電流的關系經過校準，溫度測量幾乎不受外力影響。法向力測量精度高，切向力測量能夠精確檢測大小和方向。該傳感器還具有快速的動態響應。
研究人員在靜態和動態條件下評估了F3T傳感器的性能。在靜態測試中，它能夠精確地測量三維力和溫度，并且誤差極低，優于傳統的觸覺傳感器。在動態測試中，當集成到機器人夾持器中時，它能夠使夾持器自適應地響應外部干擾并實現穩定的抓取。
F3T傳感器還在自動化化學反應過程和人機協作場景中得到了驗證。在聚乙烯醇（PVA）溶液的制備過程中，該傳感器有助于精確控制加熱和搖晃過程。在“送茶”任務中，該傳感器使機器人能夠感知人類意圖并完成平穩的交接。
基于F3T傳感器實現有效的人機協作
盡管F3T傳感器展現出巨大的應用潛力，但仍有改進的空間，例如增強層間粘合力、確保性能一致性以及減少溫度測量延遲。總而言之，該新型柔性觸覺傳感器技術有望推動在各種應用中開發更具適應性的機器人系統。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.eng.2025.02.008
