来自法国国家科学研究中心（CNRS）和香港大学的研究人员提出了一种基于柔性磁膜的触觉传感器。
通过设计正交磁化的Halbach阵列，该触觉传感器可以实现三维力的自解耦，将标定复杂度从三次方降低到一次方，极大地简化了传感器结构以及标定流程，为低成本的三维力触觉传感提供了新思路。
图1 传感器结构与原理
相关成果以“A soft skin with self-decoupled three-axis force-sensing taxels”为题，已发表在Nature子刊Nature Machine Intelligence上。
自解耦三维柔性触觉皮肤
如图1所示，该触觉传感器的主体部分从上往下分为三层：柔性磁膜，弹性硅胶，以及PCB电路板（带有霍尔传感器）。
当磁膜在外力作用下发生变形后，磁膜与霍尔传感器之间的距离将发生变化，因此由霍尔传感器测得的磁场大小及方向也会随之发生变化，该三维磁场信息经过解耦算法可以被转换为三维力信息。
之前的研究表明单面多极正弦磁化的Halbach阵列有二维自解耦的特性，即在x-z平面内，磁感应强度B只和z方向有关，磁场方向RB只和x方向有关，因此可以用于二维力的自解耦。
由于磁场满足叠加原理，研究人员发现，将两个正弦磁化的Halbach阵列磁场进行正交叠加后，二维自解耦的特性在一定条件下通过简化可以被推广到三维。
图2 Halbach阵列的磁场正交叠加
即B只和z方向有关，Rxz只和x方向有关，Ryz只和y方向有关，其中B，Rxz，Ryz在简化前后的归一化绝对误差（NAE）分别为2.88%、3%和4.56%。
基于正交磁化Halbach阵列三维自解耦的特性，三维力Fz、Fx、Fy可以分别通过B、Rxz、Ryz解耦出来。
为了验证上述三维力自解耦方法的可行性，研究人员设计并制作了三个具有不同形状、大小、量程及灵敏度的触觉传感器，以用于不同的实际应用。
人工膝关节三维力分布测量
第一个应用是测量人工膝关节处的三维力分布：
膝关节由3D打印而成，下半部分由触觉传感器（含24个传感单元）及ATI六维力/力矩传感器组成；上半部分由机械臂驱动模拟人类膝关节的弯曲和滑动。
实验显示，触觉传感器可以提供实时的三维力分布测量，且测得的合力与真实值（来自ATI传感器）误差很小。
触觉示教机器人制作咖啡
另一个应用是基于触觉的教机器人制作咖啡。
如下图所示，研究人员将一个可以检测力和力矩的3x3触觉传感器阵列安装在了机械夹爪的一端（取矩点为传感器中心），当操作员轻触或滑动传感器表面的时候，传感器将检测到相应方向的力和力矩。
该力和力矩乘以一个增益矩阵（gain matrix）之后将被分别转换为机械臂末端执行器的运动增量（移动+转动），并通过一个阻抗控制器（impedance controller）更新机械臂的末端姿态。
机械夹爪的开合可由特定的触觉信号编程控制，如快速上下滑动传感器表面控制“关闭夹爪”，快速上下摇动所夹物体控制“打开夹爪”。
通过直接和传感器或所夹物体交互，机械臂及夹爪可以被精确控制并依次完成夹持水杯、倒水：
