南方科技大學(xué)郭傳飛課題組: 具有高時(shí)空分辨率的機(jī)器人感知系統(tǒng)用于紋理識(shí)別

來源： 摩方PuSL高精密

機(jī)器人技術(shù)對(duì)觸覺感知的需求不斷增加，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與周圍環(huán)境的友好互動(dòng)。通常，采用柔性觸覺傳感器及人工感知系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)這一功能�，F(xiàn)有的柔性觸覺傳感器主要專注于對(duì)物理刺激的精確檢測(cè)，如壓力、剪切力和應(yīng)變等，以提供在機(jī)器人抓取或操作任務(wù)中更精準(zhǔn)的反饋。然而，在觸摸目標(biāo)物體時(shí)往往缺乏感知和識(shí)別真實(shí)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(shí)別接觸到的物體紋理、粗糙度和形狀等參數(shù)。

人體的指紋和皮下的機(jī)械感受器在紋理觸覺中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。手指在滑動(dòng)過程中，使指紋嵌入物體表面的微結(jié)構(gòu)里，通過滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生了低頻壓力刺激和高頻振動(dòng)刺激，并由皮膚中的慢適應(yīng)機(jī)械感受器（SA）和快適應(yīng)機(jī)械感受器（FA）分別檢測(cè)到相應(yīng)的力刺激，該刺激產(chǎn)生的電位信號(hào)通過神經(jīng)系統(tǒng)傳遞至大腦，供進(jìn)一步的分析和判斷（識(shí)別）。然而，現(xiàn)有的研究很難在單一傳感器中同時(shí)實(shí)現(xiàn)SA和FA感受器的功能。因此，人工感知系統(tǒng)通常使用兩個(gè)傳感器（以及兩個(gè)收集和處理不同類型信號(hào)的電路），一個(gè)用于檢測(cè)靜壓，另一個(gè)專門用于檢測(cè)振動(dòng)，這無疑增加了傳感系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)處理的難度。

近日，南方科技大學(xué)的郭傳飛課題組研發(fā)了一種基于柔性滑覺傳感的機(jī)器人觸覺感知系統(tǒng)用于紋理識(shí)別。該傳感器中，表面的指紋結(jié)構(gòu)和傳感器中的微結(jié)構(gòu)層對(duì)傳感性能起到關(guān)鍵作用。團(tuán)隊(duì)采用摩方精密nanoArch®S130（精度：2μm）3D打印設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了類指紋結(jié)構(gòu)模板和分級(jí)微結(jié)構(gòu)模板的高精度打印，并結(jié)合倒模技術(shù)制備了柔性PDMS人工指紋（周期：350 μm，高度：260μm）和具有分級(jí)微結(jié)構(gòu)的離子凝膠（周期：200μm，高度: 55μm）。

這種應(yīng)用需要傳感器具備高靈敏和快響應(yīng)的性能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)微小的結(jié)構(gòu)起伏（高度）和精細(xì)的結(jié)構(gòu)間距產(chǎn)生響應(yīng)。團(tuán)隊(duì)選擇了低粘度離子凝膠，并結(jié)合分級(jí)離-電傳感界面的設(shè)計(jì)，使滑覺傳感器具有高靈敏度（519kPa-1）和超快的響應(yīng)-弛豫速度（2.4ms），可同時(shí)檢測(cè)靜壓和高達(dá)400 Hz的高頻振動(dòng)。此外，傳感器能夠探測(cè)出周期為15μm、高度為6μm的微小結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出卓越的空間分辨率。在400Hz的高頻振動(dòng)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(dá)0.005%。這種極高的時(shí)空分辨率使滑覺傳感器能夠準(zhǔn)確區(qū)分具有緊密間距的微小表面特征，這對(duì)機(jī)器人在紋理識(shí)別方面具有重要意義。

本研究將柔性滑覺傳感器集成在機(jī)械手上，并建立起機(jī)器人觸覺感知系統(tǒng)。在固定滑動(dòng)速度下，該觸覺傳感系統(tǒng)對(duì)20種結(jié)構(gòu)相似的織物識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)100%。在隨機(jī)滑動(dòng)速度下，由于數(shù)據(jù)的多樣性和復(fù)雜性，置信度略有下降，然而，平均識(shí)別準(zhǔn)確率始終在98.5%以上。這一感知系統(tǒng)有望為機(jī)器人提升觸覺能力。

相關(guān)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(guó)家自然科學(xué)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(jìn)行紋理識(shí)別的機(jī)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(jié)構(gòu)、傳感特性以及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力性能。a. 滑覺傳感器的結(jié)構(gòu)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(yīng)曲線；e. 滑覺傳感器的響應(yīng)-松弛時(shí)間；f. 傳感器在振動(dòng)頻率為10、200 和 400 Hz的電容響應(yīng)以及對(duì)應(yīng)的頻譜；h. 滑覺傳感器與現(xiàn)有電容式傳感器在靈敏度、響應(yīng)-弛豫時(shí)間、頻率帶寬的對(duì)比。

圖3. 滑覺傳感器的時(shí)空分辨率。a. 人工指紋的SEM圖；b. 滑覺傳感器對(duì)具有不同間距微結(jié)構(gòu)的響應(yīng)（滑動(dòng)速度1 mm·s-1）；c.高度不同的微結(jié)構(gòu)的SEM圖；d. 滑覺傳感器對(duì)具有不同高度微結(jié)構(gòu)的響應(yīng)（滑動(dòng)速度1 mm·s-1）；d. 滑覺傳感器與圖 (c) 中的精細(xì)結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生的信號(hào)；e.傳感器檢測(cè)到頻率為400.0、400.1 和 400.2 Hz 的振動(dòng)時(shí)域信號(hào)和（f）對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào)；g. 被識(shí)別織物的微觀形貌圖；傳感器在不同滑動(dòng)速度下滑過織物表面時(shí)采集的（h）時(shí)域信號(hào)和（i）對(duì)應(yīng)的頻域信號(hào)。

圖4. 織物識(shí)別應(yīng)用。a. 20種不同紡織品；b. 20種紡織品的結(jié)構(gòu)周期；c. 20種紡織品在2 mm·s-1和40 mm·s-1滑動(dòng)速度下的對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的特征頻率；d. 滑移傳感器以2 mm·s-1的滑動(dòng)速率檢測(cè)20種紡織品的時(shí)域信號(hào)；e. 數(shù)據(jù)集的降維可視化；f. 特征提取和信號(hào)分類示意圖；g. 固定滑動(dòng)速度下的識(shí)別準(zhǔn)確率；h. 隨機(jī)滑動(dòng)速度下傳感器滑過16號(hào)織物時(shí)的時(shí)域信號(hào)；i. 隨機(jī)滑動(dòng)速率下的識(shí)別準(zhǔn)確率。

圖5. 具有可視化用戶界面的便攜式實(shí)時(shí)傳感系統(tǒng)。a. 實(shí)時(shí)傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；b. 固定滑動(dòng)速度下，實(shí)時(shí)紋理觸覺識(shí)別系統(tǒng)的演示（傳感器集成在機(jī)械手上）；c. 隨機(jī)滑動(dòng)速度下，實(shí)時(shí)紋理觸覺識(shí)別系統(tǒng)的演示（傳感器集成在手指上）。

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