60、集成传感器的柔性指尖设计与性能研究

集成传感器的柔性指尖设计与性能研究

1. 引言

在机器人灵巧手的设计中，存在几个关键问题亟待解决：
- 指尖需嵌入传感器，以感知接触力等信息。
- 要确保接触力数据稳定且灵敏地输出。
- 在连续的手部操作过程中，控制器需计算多个手指间接触点的位置、接触力的允许范围，并保证力的闭合。

受人类手指柔软性的启发，圆形或半球形指尖常用于灵巧机器人手的设计。这种设计能使接触力指向手指表面任何接触点的圆心，但传统力传感器的单轴力方向给精确感知力带来了挑战。为解决这一问题，提出了一种新的指尖设计，即采用中心空心的半球形，使手指更接近人类手部的柔软度。

常见嵌入指尖的传感器有压阻式、压电式、电容式、视觉式和多模态传感器等。然而，部分传感器在实现一致的数据输出方面存在困难：
|传感器类型|存在问题|
| ---- | ---- |
|压阻式和电容式|难以校准，数据可能不一致|
|压电式|仅在接触和脱离瞬间提供输出信号，不利于连续力传感|
|电容式|易受干扰因素影响，受接触物体材料影响大|
|视觉式|图像处理耗时|
|多模态传感器|结构复杂，制造困难，价格高|

2. 柔性指尖的开发

2.1 集成传感器的柔性指尖结构

灵巧人形机器人手的尺寸与人类手极为相似，但手指间空间狭窄，安装力传感器颇具挑战。为此，设计了一种柔软的空心气囊结构用于指尖。这种创新设计可通过气囊受压产生的气压变化反映接触力的变化。

为能在手指表面的任何法线方向精确感知力，将柔性手指与物体的接触部分设计成半球形。内腔半径为 5.5 毫米，外腔半径为 1