過(guò)去二十年間，機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景已從傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，逐漸拓展至日益復(fù)雜、以人為中心的服務(wù)場(chǎng)景。在這些場(chǎng)景中，有效的物體操控要求機(jī)器人具備感知物理交互發(fā)生的時(shí)間、位置及方式的能力，而這正是人類所擅長(zhǎng)的技能。這一趨勢(shì)催生了兼具高靈巧驅(qū)動(dòng)與先進(jìn)觸覺(jué)感知能力的機(jī)械手研發(fā)。值得注意的是，在手指或指尖層面集成觸覺(jué)傳感器，已被公認(rèn)為提升機(jī)器人操作器感知敏銳度的關(guān)鍵途徑。

目前，基于應(yīng)變片的剛性力傳感器雖在靈敏度和微型化方面取得了顯著進(jìn)展，但其固有的剛性限制了其在以人為本的環(huán)境中進(jìn)行安全、自適應(yīng)交互的適用性。相比之下，柔性觸覺(jué)傳感器通過(guò)利用機(jī)械順應(yīng)性和貼合性，建立了更安全的交互界面。盡管電阻式、電容式和壓電式等多種轉(zhuǎn)換機(jī)制已被探索用于開(kāi)發(fā)柔性器件，但大多數(shù)現(xiàn)有柔性觸覺(jué)傳感器仍局限于檢測(cè)單軸載荷，主要是法向壓力，這限制了其在需要細(xì)粒度接觸判別任務(wù)（如精密裝配、紋理識(shí)別和醫(yī)療輔助）中的應(yīng)用。

突破傳統(tǒng)局限：混合架構(gòu)設(shè)計(jì)

近期利用柔性設(shè)備進(jìn)行多軸力傳感和扭矩測(cè)量的進(jìn)展代表了重要的一步，但這些設(shè)備通常缺乏載荷作用點(diǎn)的高保真空間定位能力，而這正是靈巧機(jī)器人操作的關(guān)鍵需求。以GelSight、TacTip等為代表的基于視覺(jué)的觸覺(jué)傳感器采用了截然不同的機(jī)制，通過(guò)嵌入攝像頭捕捉彈性體變形，提供豐富的空間接觸圖并高精度重建力矢量。然而，其對(duì)光學(xué)設(shè)置的依賴導(dǎo)致體積超出典型指尖尺寸，景深有限，且懸空彈性體設(shè)計(jì)在大載荷下易發(fā)生結(jié)構(gòu)失效，阻礙了其集成到機(jī)器人手指中。

另一方面，電容式觸覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊且響應(yīng)迅速。通過(guò)將其電極圖案化為密集陣列，電容式觸覺(jué)傳感器也能提供足夠的空間分辨率，盡管它們通常缺乏基于視覺(jué)方法所特有的豐富變形信息?？傮w而言，當(dāng)前的觸覺(jué)傳感技術(shù)尚未在緊湊性、魯棒性、多維力感知和定位之間實(shí)現(xiàn)平衡。這一關(guān)鍵差距激發(fā)了開(kāi)發(fā)一種將這些要求整合到指尖規(guī)模平臺(tái)中的新策略。

鑒于上述傳感器的互補(bǔ)優(yōu)缺點(diǎn)，本研究提出了一種基于微系統(tǒng)的觸覺(jué)傳感方法，其中仿生微結(jié)構(gòu)與高密度電容微陣列單片集成，以實(shí)現(xiàn)高精度力傳感和位置定位。核心在于一種雙層彈性體，其單片集成了分級(jí)微柱陣列，創(chuàng)造出空間異質(zhì)剛度，以增強(qiáng)靈敏度和負(fù)載耐受性，同時(shí)響應(yīng)機(jī)械刺激產(chǎn)生豐富的變形模式。這些局部變形通過(guò)密集的電容微陣列直接轉(zhuǎn)換為高分辨率的電容圖像。

該設(shè)備結(jié)構(gòu)上包括一個(gè)指尖形狀的雙層彈性體、作為微型電容陣列的FPC1020AP芯片（由深圳紫譜核心科技有限公司提供）、提供信號(hào)調(diào)理電路（包括濾波和放大模塊）的印刷電路板（PCB），以及提供結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的剛性支撐基板。這種混合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了緊湊的尺寸（15 × 15 × 8毫米）和增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)剛度，便于指尖集成，同時(shí)保持在大載荷下的魯棒性。

仿生結(jié)構(gòu)與信號(hào)解碼

彈性體采用受人類皮膚分層結(jié)構(gòu)啟發(fā)的雙層復(fù)合材料，并包含曲率為1/15 mm?1的類似指尖的彎曲。與平面幾何形狀不同，這種曲面促進(jìn)了與外部物體的貼合接觸，減少了界面間隙，并使載荷傳遞更加確定和高效。此外，幾何一致性增強(qiáng)了接觸中心的穩(wěn)定性，從而提高了在不同力條件下載荷定位的準(zhǔn)確性。外層絕緣硅橡膠層（厚度0.5毫米；肖氏硬度30）確保機(jī)械順應(yīng)性和與物體的貼合接觸。在其下方，浸漬碳黑的導(dǎo)電橡膠層（肖氏硬度50，體積電阻率4.3 Ω cm）作為有源電極。

進(jìn)一步靈感來(lái)源于人類皮膚真皮和表皮之間存在的中間脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，它們通過(guò)微杠桿效應(yīng)放大觸覺(jué)刺激并將其傳遞到脊頂部的機(jī)械感受器。仿照這一原理，我們?cè)趶椥泽w底部實(shí)施了7 × 7的微柱陣列。每個(gè)柱子直徑為1毫米，中心間距為1.50毫米，產(chǎn)生9毫米的活性跨度，與FPC1020AP芯片的傳感窗口對(duì)齊。為了克服高載荷下靈敏度降低的限制，我們引入了分級(jí)高度微柱陣列作為均勻高度設(shè)計(jì)的替代方案。經(jīng)過(guò)比較，M型陣列（中心和外圍柱子Zui高，向中間區(qū)域逐漸降低）在扭矩或偏軸載荷下表現(xiàn)出更好的抗性，因此被選為Zui終設(shè)計(jì)。

局部彈性體變形調(diào)制微柱的接觸面積，從而改變特定位點(diǎn)的電容。FPC1020AP芯片將這些電容變化轉(zhuǎn)換為灰度值，使得通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)支持的灰度模式分析重建施加載荷的大小和空間分布成為可能。為了Zui小化批次間差異并增強(qiáng)耐用性，我們實(shí)施了三種策略：專用金屬模具確保彈性體尺寸一致性；剛性支撐上的定位結(jié)構(gòu)保持組裝對(duì)齊在0.1毫米以內(nèi)；以及采用導(dǎo)電硅膠粘合劑進(jìn)行密封固化。

高性能表現(xiàn)與應(yīng)用驗(yàn)證

微柱由導(dǎo)電橡膠制成，作為與電容陣列交互的額外電極。當(dāng)微柱接觸電容陣列的上電極時(shí)，電容發(fā)生變化，F(xiàn)PC1020AP芯片將每個(gè)單元的電容轉(zhuǎn)換為歸一化的灰度值，產(chǎn)生直接反映陣列上分布式接觸狀態(tài)的原始192 × 192像素觸覺(jué)圖像。觸覺(jué)圖像流通過(guò)高速SPI接口傳輸?shù)胶诵奶幚韱卧≧aspberry Pi 4B），隨后通過(guò)以太網(wǎng)套接字上的TCP/IP傳輸?shù)街鳈C(jī)計(jì)算機(jī)，確保可靠、低延遲的連接。

在主機(jī)計(jì)算機(jī)端，基于ROS2框架開(kāi)發(fā)的專用觸覺(jué)采集程序管理整個(gè)流程。為了訓(xùn)練模型，觸覺(jué)圖像進(jìn)一步使用高斯濾波和Z-score標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行處理。同時(shí)，來(lái)自Nano17傳感器的真實(shí)力信號(hào)使用30 Hz巴特沃斯低通濾波器去噪，并進(jìn)行均值-標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化。這種預(yù)處理管道提高了對(duì)干擾的魯棒性，并增強(qiáng)了模型訓(xùn)練期間的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性和收斂性。

實(shí)施了一個(gè)結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）和全連接層（FC）的分層學(xué)習(xí)框架。具體而言，采用DenseNet-121從觸覺(jué)圖像中提取多尺度空間特征，其跨層連接保留了局部接觸細(xì)節(jié)和全局變形模式。這些特征然后通過(guò)定制的全連接層映射到六維力/扭矩矢量，實(shí)現(xiàn)非線性回歸。該混合設(shè)計(jì)利用了CNN在空間編碼方面的優(yōu)勢(shì)和FC在高維回歸方面的能力。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能卓越，力的測(cè)量誤差低于1.6%，接觸定位精度高達(dá)0.1毫米，推理延遲僅為1.5毫秒。系統(tǒng)在0–40 °C和40–90%相對(duì)濕度范圍內(nèi)保持高穩(wěn)定性，并通過(guò)10天累積循環(huán)加載測(cè)試確認(rèn)了機(jī)械魯棒性。該傳感系統(tǒng)的多功能性通過(guò)廣泛的應(yīng)用得到進(jìn)一步驗(yàn)證，包括具有穩(wěn)定性評(píng)估的靈巧抓取、錯(cuò)位下的銷孔裝配，以及無(wú)人機(jī)飛行控制和虛擬游戲中的直觀人機(jī)交互。

HexaTouch因此提供了一個(gè)強(qiáng)大、適應(yīng)性強(qiáng)的微觸覺(jué)傳感平臺(tái)，顯著推進(jìn)了機(jī)器人操作和環(huán)境交互。對(duì)于中國(guó)機(jī)器人及傳感器產(chǎn)業(yè)而言，這一突破展示了通過(guò)材料結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與算法深度融合實(shí)現(xiàn)高性能感知的新路徑。國(guó)內(nèi)企業(yè)在柔性電子制造和AI算法領(lǐng)域具備深厚積累，若能借鑒此類仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，有望在高端觸覺(jué)傳感器核心部件上實(shí)現(xiàn)技術(shù)突圍，推動(dòng)國(guó)產(chǎn)機(jī)器人在精密裝配、醫(yī)療輔助等高端場(chǎng)景的應(yīng)用落地，提升整體產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)附加值。