基于商用组件的触觉传感器对比实验，助力机器人和电子皮肤应用
2025-09-20 16:36:42 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这项研究全面概述了基于四种不同传感原理的九个触觉传感器原型设计实施和对比实验，利用商用组件实现了气压式、电阻式、磁式和压电式触觉传感器。
尽管触觉传感技术已取得了显著进展，但是各种触觉传感器原型之间缺乏可比性，这阻碍了利用传感器融合来模拟人体皮肤的多功能、易使用和多模态传感系统的开发。据麦姆斯咨询报道，为解决上述问题，德国慕尼黑工业大学（Technical University of Munich ，TUM）慕尼黑机器人与机器智能研究所的科研团队通过易于操作的机器人驱动测试装置模拟机器人抓取所需的各种负载条件，评估了九个基于商用组件的触觉传感器原型。
这些触觉传感器原型采用四种传感原理（气压式、电阻式、磁式和压电式）。气压式触觉传感器在线性负载时达到最高精度（≤量程的2.4%），而磁式触觉传感器在所有场景下均表现出色，在滑动实验中响应时间（≈50 ms）超越压电式触觉传感器。3D打印电阻式触觉传感器能够进行定性接触检测，但在准静态条件下因松弛导致精确的力测量效果欠佳。这些可重复的实验结果突出了每种触觉传感器实现方案的优势，为未来机器人应用和传感器融合策略提供了宝贵见解。相关研究内容以“Tactile Sensor Elements based on Commercial Components: An Experimental Comparison”为题发表在IEEE Sensors Journal期刊上。
这项研究工作将气压式、电阻式、磁式和压电式四种常用传感原理应用于九个触觉传感器原型中，然后在多种负载条件下进行对比。图1展示了九个触觉传感器原型的制造工艺和尺寸，其形状类似于人类指尖。科研人员采用硅树脂试剂制作传感器，通过真空泵脱气处理，并使用硅胶粘合剂将其粘附于印刷电路板（PCB）上。实验装置的所有铸造模具及部件均采用定制设计并通过3D打印技术实现。
图1 九个触觉传感器原型的制造工艺
实验装置包含轻型机器人、配有三轴K3D40-50N力传感器及其配套GSV8-DS EC/SubD44HD放大器的参考系统、定制传感器探头，触觉传感器安装效果如图2(a)所示。在实验中，机器人运动会在触觉传感器上同时产生法向力（normal force）和剪切力（shear force）。该机器人通过搭载Python/MIOS框架的计算机控制运行。
图2 对触觉传感器施加三轴力的实验装置及操作流程
触觉传感器的属性大致可分为传感特性、力学行为以及特定应用评估。科研人员通过法向力实验和剪切力实验评估了其关键的传感特性，即精度和滞后性，同时考察了触觉传感器对动态和准静态变化的响应能力（这些特性对柔性触觉传感器至关重要）以及传感器的滑动行为。这些方法为机器人抓取中典型负载条件下的传感器表征奠定了基础，此外，鲁棒性的评估需要借助机械测试机实现，这将成为未来的研究方向。图3展示了本研究中三大实验的结果，实验包括法向力实验、剪切力实验和滑动实验。
图3 实验结果说明
综上所述，这项研究全面概述了基于四种不同传感原理的九个触觉传感器原型设计实施和对比实验，利用商用组件实现了气压式、电阻式、磁式和压电式触觉传感器。这项研究设计并表征了上述触觉传感器，通过多样化材料和形态优化其参数。研究结果印证了现有研究结论：硅树脂硬度和孔径尺寸对气压式触觉传感器的灵敏度和量程具有显著影响。通过引入商用导电丝实现电阻式压力传感，结果显示，在准静态条件下高松弛度妨碍了精确的力测量。尽管如此，定性接触检测仍具可行性，为用于机器人反应的大面积电子皮肤提供了易于获取的低成本解决方案，并为探索各类3D打印触觉传感器形态提供了可能性。最后，科研人员在滑动实验中比较了磁式触觉传感器和压电式触觉传感器，发现磁式触觉传感器的响应速度更快、延迟时间更接近人类反应（≈50 ms）。
未来的研究工作将聚焦于更复杂的基准测试方法，包括长期循环测试以及多样化物体表面的滑动实验。未来目标是开发一个开源的综合触觉传感器测试平台，以解决传感器在真实抓取过程中遇到的问题。通过建立传感器测试框架并促进可比的传感器表征及特性描述，有望降低研究者的技术门槛。
论文链接：https://doi.org/10.1109/JSEN.2025.3606565
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