触觉研究成为机器人研究热点，Franka机器人助力研究更进一步

在机器人等多个应用领域，触觉传感器的应用愈发广泛，越来越多的高校和实验室正开展相应研究。本次ICRA 2023论文中，触觉传感器无疑是一大热门。

机器人加入触觉传感器后，能感知物体的形状、大小、表面特征、温度、湿度等信息，这提高了机器人的智能和灵活性，也提升了机器人在不同应用场景中的适应性和性能。

例如在制造业中，触觉传感器让机器人可以检测到零件的质量和位置，从而帮助机器人更精确地执行操作，提高生产效率和质量。

又例如在服务业中，加入了触觉传感器的机器人可以更好用于人机交互，通过提供实时的触觉反馈，增强人机交互的体验，提高用户对机器人的信任度和使用体验。

而在医疗机器人领域，触觉传感器帮助医师有了“触感”，毫无疑问为医疗技术的发展提供了新的思路和方法。

可以发现，在机器人领域，触觉传感器的研究正展现出广泛应用前景和价值，为不同领域的发展提供新的技术和解决方案，促进着科技创新和社会进步。但也是随着研究的深入，触觉传感器的研究非常多的瓶颈与应用壁垒，也正在被发现和解决。

那么本次ICRA 2023论文中，又有哪些值得关注的领域和方向呢？

▍多项前沿成果一览

（1）A Tactile Feedback Insertion Strategy for Peg-in-Hole Tasks

装配是工业生产的重要流程，装配在整个生产周期中，占了很大一部分时间和成本，在轴孔装配工艺中，40%是钻孔和螺栓插入的流程，但由于大多数材料是刚性材质，钉子也不是刚性地附着在机器人夹具上，因此钉孔或钉子的相互作用往往会改变机器人对钉的相对夹持姿态。这就是很经典的 The Peg-In-Hole (PiH)问题。

如何以一种自主策略，在钉子进入到孔洞的过程中，让机器人能快速解决钉和孔的几何形状和姿态问题，避免出现姿态的变化，这篇牛津大学机器人研究所（ORI）的文章中就提出了一种全新由触觉反馈机器人驱动的插入策略。

他们尝试将触觉传感器集成在一个平行的夹具上，通过触觉感知用于测量计算机器人持钉的手持方向和终点位置，帮助钉与孔的平面对齐，然后将收集的触觉信息反馈到闭环控制器，在触觉图像上重建并映射了相应的压力分布，以补偿由于外力而可能引起的位姿偏移。

与以往的研究文献相比，加入触觉传感器后，该方法不需要将钉钉固定在机器人的末端执行器上，并且可以处理物体的旋转变化，最终他们将这套由触觉反馈驱动的插入策略放在Franka机器人上进行了验证，让其执行由平行夹持器持有的圆柱形钉插入操作，并以不同姿态和变量完成了40次的理论论证，成功率超过95%，为未来机器人柔性化解决不同钉形装配提供了一定研究价值。

（2）In-situ Mechanical Calibration for Vision-based Tactile Sensors

对触觉传感器传感弹性体的力学参数、杨氏模量（Young's Modulus）和泊松比（Poisson's Ratio）进行及时校准，是保持触觉传感器力感知能力和准确性的关键因素。然而，很少有方法能够准确而方便地检索这些参数值。为了解决这个问题，上海交通大学的研究者们提出了一种能够现场校准触觉传感器机械参数的方法。

在这项研究中，研究者团队提出的基于有限元分析 (FEA)的原位校准方法，能很好结合传感器的变形传感能力，力/力矩传感器的精确力传感能力，以及嵌入弹性体机械参数的压痕的变形力关系，并通过一系列的压痕测试来精确和方便地校准触觉传感器软传感弹性体的力学参数，从而最终实现触觉传感器的力重建。

该项研究采用能实现精确位移控制的Franka机器人进行验证，通过控制力/扭矩传感器输出精确的力数据，同时让触觉传感器在压痕深度与厚度与其确保一致，基于相关的接触模型和压痕原理，使杨氏模量和泊松比能够精确解耦。为了验证可靠性，研究者驱动Franka机器人在相同的压痕深度下重复操作10次，减少了采样中的随机误差，为触觉传感器的力相关感知研究奠定了基础，

（3）A Tactile-enabled Hybrid Rigid-Soft Continuum Manipulator for Forceful Enveloping Grasps via Scale Invariant Design

这篇麻省理工学院的论文提出了一种新型的刚柔混合性末端机械手，这款具有高分辨率触觉传感的机械手具有刚性、柔顺性、内在安全性和易于控制等特征。

作者团队发现，在自然界中例如象鼻、章鱼触须、海马尾巴等许多生物都具有锥形轮廓和螺旋几何形状的连续抓取操纵器。因此他们利用了欧拉-伯努利梁理论和几何推理，设计和开发了一种新的可弯曲柔性铰链（FFH）兼容机构，即可变面积弹性折弯柔性铰链（VAFFH），从而让这种新型末端执行器能基于尺度不变原则的混合方法来融合刚性和柔性设计领域，同时解决了刚性和柔性领域可能存在的挑战。

随后作者团队将VAFFH集成应用在 Franka Emika panda机器人上，让机械臂沿着z轴施加不等的平移力，分别验证了其在完成固定任务中的顺应性、适应性和触觉感知能力。该团队还在此基础上开发一个机械臂抓取过程的柔性轮廓，定义了沿机械手长度在近似抓取比例下的形态差异。由于这种混合刚软结构能够改变不同配置机器人的作业刚度，未来将有望为抓取不规则形状的日常物体带来更多可能。

FrankaEmika

研究者提出了一种新型的刚柔混合性末端机械手（类象鼻抓手），这款具有高分辨率触觉传感的机械手具有刚性、柔顺性、内在安全性和易于控制等特征。 作者团队发现，在自然界中例如象鼻、章鱼触须、海马尾巴等许多生物都具有锥形轮廓和螺旋几何形状的连续抓取操纵器。因此他们利用了欧拉-伯努利梁理论和几何推理，设计和开发了一种新的可弯曲柔性铰链（FFH）兼容机构，即可变面积弹性折弯柔性铰链（VAFFH），随后将VAFFH集成应用在 Franka Emika panda机器人上，让机械臂沿着z轴施加不等的平移力，分别验证了其在完成固定任务中的顺应性、适应性和触觉感知能力。该团队还在此基础上开发一个机械臂抓取过程的柔性轮廓，定义了沿机械手长度在近似抓取比例下的形态差异。由于这种混合刚软结构能够改变不同配置机器人的作业刚度，未来将有望为抓取不规则形状的日常物体带来更多可能。

视频号

（4）3D Contact Point Cloud Reconstruction from Vision-based Tactile Flow

随着人们对基于视觉的触觉传感器越来越感兴趣，利用数字成像的各种类型传感器正在被开发。其中，本文作者尝试利用计算机视觉中的光学感知算法捕捉接触变形中产生的触觉流（tactile flow）变化，并实现触觉表面完全分辨率的变形跟踪，以及寻找优化重建接触点云的方法。

在这项工作中，他们提出了一种新型的3D接触重建算法，将三维接触重建问题归纳为融合尺度信息（高斯密度）和触觉流约束的优化问题，并进行了评估。他们利用触觉流中的接触几何形状和投影关系证明发现，这些接触几何形状和投影关系对于基于视觉的触觉传感器具有通用性，对于触觉感知是唯一的，但不是从计算机视觉继承而来。

为此，该研究团队使用Franka机器人采用有限元模拟数据进行定量实验，他们将一个三角形的压头固定在Frank Emika panda机器人手臂的末端执行器上。当压头接触台面固定式触觉传感器时，记录相对姿势随着机器人手臂变化的过程。提供的实验和示例表面，其能够以细粒度解析提取接触结构，即使在接触时施加法向和剪切载荷也能实现。而采用不同压头进行定性测试，结果得到的3D接触点云与触觉流的约束一致，包括尺度估计和接触边缘估计，这意味着该方法可扩展到不同接触类型，表明文章中所提出的触觉处理算法未来有潜力将触觉感知与触觉驱动的机器人操作任务联系起来，实现更优质的接触姿势估计。

▍结语与未来

可以发现，虽然触觉传感器具有多模态感知能力，能够同时感知多种物理量，如力、形变、温度、湿度等，能够在如机器人、医疗、汽车制造、智能家居等不同领域中应用快速应用，但是在目前触觉传感器在信号处理灵敏度、鲁棒性、精度、安全性等方面还仍然存在一定的问题。

因此，为了让触觉传感器能够感知微小的力和形变，以便更准确地检测和识别物体例如形状、大小、表面等特征，研究者大多已经意识到，这需要在更加精准地测量触觉传感器的力和形变，以便提供更精确的反馈和控制系统，从而才能应对更多抓取物，并能够在各种环境条件下稳定工作，并具有长寿命和低误差率。

在材料学没有太多突破性进展的当下，这也促使目前触觉传感器的研究正朝着智能化、微型化、一体化的方向发展，不少研究希望能够通过内置的处理器或算法进行数据处理和分析，以便更快速地响应和决策，或者尝试以更加优秀的结构设计，以便更方便地集成到机器人或小型设备中，减少对空间和重量的需求，以满足不同领域的需求和应用场景。

同时，随着研究的不断深入和实验应用场景的不断变化，更多研究者也发现触觉传感器和相关硬件方面研究所面临新的挑战和机遇。为了提升机器人的操作精度、人机交互程度，一些不同的研究思路正在被挖掘和提出，相信这些问题将得到逐步解决，触觉传感器也将得到更广泛的应用和发展。

Franka Research 3（FR3）力感知敏感性演示

FrankaEmika

平平淡淡才是真，给机器人扇股风，居然被他感知出来了。

视频号

而Franka Emika机器人附加的控制接口FCI (Franka Control Interface)，毫无疑问是开展力控制、运动算法、抓取策略、交互场景、触觉感知和机器学习等研究和测试的理想平台。使用FCI能让机器人的本体和抓手建立快速的底层双向连接，还可通过快速、直接的底层双向通信将工作站 PC连接到机器人系统，形成开放、稳定的二次开发平台。同时，由于支持ROS，ROS2 ,MoveIt，MATLAB，Simulink等平台，这使得Franka Emika机器人可以提供机器人的当前状态并对其实施1 kHz的实时控制，帮助研发者验证需要更加细微操作的研究问题。

Franka Emika亚太区商务负责人卫卜源表示：“触觉感知是机器人迈向更高阶应用的关键性能，如今AI的发展让机器人的自主判断成为了可能，但是机器人本身的感知维度更是决定了这类应用的高度，毫无疑问Franka机器人的触觉感知和开放性是顶尖的。我们始终保持着对最前沿技术的探索，携手开发研究者们一起做有意义的事情，发现更多好玩有趣的新场景。”

▍关于 Franka Emika

Franka Emika是一家总部位于慕尼黑的机器人公司，由Sami Haddadin和他的兄弟 Simon，以及一支经验丰富的机器人专家团队于 2016 年创立。公司自成立以来不断发展壮大，现有员工超200人。Franka Emika 是开发具有人类触觉的机器人技术的先驱，被认为是过去 140 年来德国最重要的发明之一。它具有类似于人类手臂的独特灵巧性，敏捷且安全。在中国区，Franka Emika全权委托TQ集团提供全流程的机器人服务。