纹理信息的识别与重建对于特殊人群感知环境、与外界交互以及工作在非结构化环境中的机器人感知物体表面特征、调整操作策略均具有重要意义。触须传感器作为触觉传感器的一种，是高精度感知物体纹理的有效器件，其不受环境光与非结构化环境的影响，通过与物体直接接触可以实现物体表面纹理信息的采集。为此，河北工业大学新型磁性材料与智能器件研究团队采用新型磁致伸缩材料铁镓合金（Galfenol）设计了一种触须传感器单元与阵列，利用静态和动态性能测试系统分析了传感器阵列的输出特性，将其装载于机械手应用于物体表面纹理识别与重建。

研究背景

目前，越来越多的工作需要机器人来完成，类似于人类的感觉输入必不可少。触须是存在于某些哺乳动物身上的触觉感知毛发，在夜间或狭窄环境中补充皮肤的功能，进行外界环境感知。受动物触须结构启发，研究人员开始了对触须传感器的研究探索。

图1

论文所解决的问题及意义

触觉传感器可以弥补视觉传感器的不足，不受环境光与非结构化环境的影响，通过与物体直接接触可以实现对物体表面触觉信息的感知，快速获得接触位置、接触力大小、物体形状、纹理、温度等信息，对机器人完善人机交互、实现精准操作具有重要意义。

论文方法及创新点

1、触须传感器单元设计与输出电压模型

受动物触须传感机制启发，结合铁镓合金丝对高度方向上触觉信息的优良感知能力，确定了传感器单元偏置磁场大小、长度、倾斜角度等，将传感器单元集成为4×2阵列，建立了传感器单元输出电压模型。

图2

2、触须传感器阵列性能测试

搭建了静态性能测试系统，确定单元的纹理高度测量范围为0.01-1.6mm，灵敏度为243.3mV/mm。

图3

搭建了动态性能测试系统。测试了不同频率动态力下传感器单元的响应。利用6Hz的方波力表征重复性、响应与恢复时间分别为26ms和25ms。50次循环测试中电压波形具有一致性。

图4

3、纹理识别与重建

传感器单元以6.5mm/s的速度滑过样品时，输出电压波形呈现与样品纹理相对应的形状，通过输出电压波形可以对样品表面纹理进行识别。

图5

测试了采用“工”字形样品，使装载有阵列的机械手平行滑过样品表面，输出电压和重建结果如图所示，利用传感器阵列可进行纹理三维重建。

图6

结论

受动物触须传感机制的启发，设计并制作了用于纹理识别与重建的触须传感器单元与阵列，建立了传感器单元输出电压模型。将传感器单元与阵列分别装载在机械手上进行样品表面滑动实验，利用采集的输出电压识别与重建了样品表面纹理。设计的触须传感器单元和阵列对指导机械手调整操作策略、完善人机交互过程等具有重要意义。

团队介绍

河北工业大学新型磁性材料与智能器件研究室隶属于省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室。研究室自2000年以来一直从事新型磁材料与智能器件的研究，是国内最早研究新型磁材料与器件的单位之一。获2019年度河北省自然科学二等奖。团队获第七届中国国际“互联网＋”大学生创新创业大赛银奖，获第十七届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛国家二等奖。

翁玲，河北工业大学电气工程学院教授，博士生导师，中国自动化学会智能自动化专委会委员，研究方向为磁性材料与智能器件、触觉传感技术和视触融合。

王博文，河北工业大学电气工程学院教授，中国物理学会相图专业委员会委员，中国科学院国际材料物理中心成员，国家863课题评审专家，国家留学基金评审专家。

黄文美，河北工业大学电气工程学院教授，博士生导师，中国电力教育协会电气工程学科教学委员会委员，研究方向为磁致伸缩材料与超声换能器。

李明明，河北工业大学电气工程学院副教授，博士生导师，主要研究方向为磁致伸缩材料制备、磁致伸缩液位传感器和触觉传感器。

本工作成果发表在2024年第4期《电工技术学报》，论文标题为“用于纹理识别与重建的铁镓合金触须传感器阵列”。本课题得到国家自然科学基金、中央引导地方科技发展资金、河北省自然科学基金和河北省高等学校科学研究资助项目的支持。