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中，h_f 和 w_f 分别表示指端接触区的高度和宽度。相应地选择θ可以确保楔型与指尖的主对角线平行。

3.1.2 实验分析

本文实验采用图 8 所示的实验装置。一个 UR-5 机器人，同时手臂配备了 Robotiq 双指 85 夹持器和 FT-300 力 / 扭矩感应手腕。每个夹持手指都有一个 7×4 的触觉传感器阵列和一个有图案的定向粘合剂皮肤。这些传感器的数据与来自机器人手臂编码器的位置和速度信息相结合，提供了机器人抓取的动态和静态的完整图像。作者在实验中，制作了一组特殊的粘合表面，以实现上文介绍的微型楔块的对角线 “人字形” 图案。
 

 6. 机器人从其重心处捡起物体的图画。底部：指尖覆盖 a）均匀对齐的直楔（θ=0°）和 b）楔体旋转 ±θ度的人字形图案所产生的力和扭矩。插图 c）显示了垫上壁虎材料的细节，以匹配 b）的人字形图案排列。

如果夹持器只需要在一个方向上施加切向力，例如在通过抓住物体的质心来提升物体时，使定向粘合剂与提升方向平行是最有效的方法。然而，操纵通常涉及到围绕多个轴旋转抓取的对象。此外，这些物体可能是不均匀的，或者可能无法沿着它们的中心线抓住它们。因此，如图 6 所示，单机械手的抓取尝试通常会引入与物体接触点有关的力矩。然而，当试图最小化抓取力时，有可能发生滑动。一个力矩在旋转中心周围形成一个圆形的剪切力模式，其中只有一小部分与粘合剂的最强方向对齐。

为了补偿上述效果，可以安排具有多个取向的小面积定向粘合剂。图 7 示出了几种不同模式的预期结果，假设粘合剂在φ=0 时具有最大强度，正交方向φ=±90° 处具有最小强度。图的色标与φ呈线性分布，φ被定义为粘合剂的首选方向与实际加载方向之间的夹角[见图 7（d）]。

 

5. 工业机器人，利用壁虎启发的粘合剂排列在抓爪垫上，可以抓握和操纵腐烂的番茄。它也可以施加相当大的扭矩，仅使用其接触面的 3/4

3.1.1 方法简述

摩擦力通常有两种：一个是由于分子的吸引力和迟滞，另一个是由于分子相互碰撞造成的。前者是一种粘附控制元件，它取决于分子尺度上的实际接触面积。后者是一个负载控制部件，它依赖于法向力。对于大多数硬材料，前一部分可忽略不计，后一部分提供了最大摩擦力，该摩擦力随施加的载荷线性增长。具体见下式：
 

在制造业中，有效地处理精密物体是一个具有挑战性的问题。实现稳定的抓取、同时避免施加过大的抓取力是在精密仪器处理任务重引入机器人操作的重要目标。例如，在处理易碎物品时，机器人必须将施加在抓取物体上的力降到最低，以防止损坏。再比如，处理可变形物体时，要做到不挤压就可以抓取物体，以保持物体的形状或表面特性等特征。

人类在处理类似的问题时，能够根据对物体重量和初次接触时形成的摩擦特性的估计，快速调整抓地力。针对这些刺激，人类能够做到只应用最小的力加上适度的安全空隙程度来执行基本的操作而不会滑脱。这种策略使得人能够有效地与易碎和可变形的物体进行交互。相比之下，大多数机器人很难预测和维持抓住精密物体所需的最小力。

与传统的使用专门夹具或控制方案的方法不同，本文提出了一种将壁虎式定向粘合剂粘贴到工业机器人夹持器和触觉传感器上的解决方案用以完成机器人处理精密物体的任务。作者将定向的、受到壁虎特性启发的粘合剂整合到商业夹持器的钳口中，使其能够抓住非常精细的物体，并以较小的抓握面积抵抗大的发力瞬间，具体见图 5。

 

随着功能划分的多样化和分布式接收器的出现，可以向机器人中引入不同类型的小型传感器，其中每种传感器都能以最佳方式测量特定的接触参数，例如，接触力和硬度检测、测量多个接触参数的触觉和热传感器等等。

在设计机器人的过程中，可以基于身体部位将触觉传感器的空间分辨率分布或排列成一个阵列。例如，对于指尖可以设置为 1 毫米左右，相当于指尖大小区域上大约 15×10 个元素的网格；对于手掌和肩膀等不太敏感的部分，可以设置到 5 毫米。

传感器应具有高灵敏度和宽动态范围，还应该能够测量力的方向。这一点很重要，因为一般来说，机器人并不掌握真实世界物体的先验模型。

为机器人所设计的触觉传感器应该具备快速响应的功能。如果触觉反馈用于机器人控制，这一点尤为重要。在机器人应用的控制回路中引入触觉感知是很重要的，因为从人工肌肉或动觉单独获得的接触信息不足。人体皮肤中不同的机械感受器响应的信号频率范围可用于设置传感器的响应时间要求。一般来说，对于实时接触，每个触摸元件的响应速度应为 1ms。

对于人类来说，触觉数据并不是直接发送到大脑的。相反，一些处理是在不同层次上进行的，以适应人类神经系统有限的吞吐量。因此，为了减少机器人传递到中央处理器的信息量，对于大型触觉阵列或模块来说，在感觉位置进行某种程度的预处理（数据选择、局部计算等）是很重要的。这样的架构将解放 “机器人大脑” 进行更智能的工作。或者，它可以将系统扩展到几乎任何数量的传感器中。

可以将传感器的弹性覆盖层设计成在皮肤中有中间和乳头状突起的结构。通过将应力集中在传感元件上，这种结构还可以补偿弹性材料的模糊效应。弹性材料表面的乳头状脊状纹理增加了可检测性。

生物传感器可以获得像物体的详细轮廓这样的信息，因为皮肤是柔顺的，并与物体保持一致。因此，机器人支架应坚固、灵活、舒适、可伸展和柔软，从而能够承受温度、湿度、化学应力、电场、突然力等恶劣条件。当它们分布在身体上时，生物传感器不应显著增加机器人连杆 / 部件的直径 / 厚度。


 

（编辑：衡水站长网）

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