一、學(xué)術(shù)亮點(diǎn)：把 “手感” 寫進(jìn)控制律

觸覺閉環(huán)控制領(lǐng)域再添新成果！西班牙阿利坎特大學(xué) AUROVA 團(tuán)隊(duì)在 IEEE ETFA 2025 發(fā)表的論文《Touch-based Effector Control to Track 3D Surfaces》中，首次證實(shí)僅通過Contactile 3×3 陣列式三軸觸覺力傳感器（9 觸點(diǎn)）PapillArray，即可實(shí)時(shí)估計(jì)曲面法向與曲率 —— 無需預(yù)先掃描物體或依賴 CAD 模型，真正實(shí)現(xiàn)Kinova Gen3機(jī)器人 “盲觸” 復(fù)雜曲面。

《Touch-based Effector Control to Track 3D Surfaces》論文介紹

該研究的核心突破在于力 - 姿耦合雙環(huán)控制器：

• 法向力環(huán)：以恒定 5N 力跟蹤曲面，在真實(shí)皮鞋曲面測(cè)試中，力控誤差僅為 0.229±0.169N，精度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)機(jī)械操作；
• 姿態(tài)環(huán)：基于觸覺傳感器實(shí)時(shí)反饋的曲面法向，動(dòng)態(tài)調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)，讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn) “邊摸邊走” 的自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)。

更值得關(guān)注的是其 “零軌跡規(guī)劃” 特性：系統(tǒng)直接輸出 Cartesian 速度指令，無需預(yù)設(shè)路徑即可適配任意未知曲面，為拋光、檢測(cè)等工業(yè)場(chǎng)景提供 “零示教” 解決方案。

二、硬件組合：為什么選 Kinova Gen3 + Contactile？

【觸覺感知的 “指尖”：Contactile 陣列式三軸觸覺力傳感器PapillArray】

Contactile光學(xué)觸覺傳感器在機(jī)器人力控取放、力控分揀、力控靈巧操作和觸覺型靈巧手等方面的應(yīng)用場(chǎng)景展示

看似小巧的傳感器（24.0×30.6×12.8mm），實(shí)則是機(jī)器人的 “仿人手觸感中樞”：內(nèi)部 9 個(gè)傳感元件按 3×3 陣列排布（元件直徑 6.0mm，中心間距 7.0mm），配合紅外光學(xué)檢測(cè)原理，能將曲面的微小變化轉(zhuǎn)化為全維度觸覺數(shù)據(jù)。

其核心性能參數(shù)完全匹配論文實(shí)驗(yàn)需求：

• 局部感知精度：X、Y 方向可測(cè) ±1mm 位移（分辨率＜0.01mm），Z 方向達(dá) ±2.5mm（分辨率＜0.01mm），哪怕 0.01mm 的曲面起伏都能被捕捉；
• 力與扭矩范圍：局部 X、Y 方向力 ±4N（分辨率＜0.05N）、Z 方向 15N（分辨率＜0.05N），全局力擴(kuò)展至 X、Y±9N、Z60N，搭配 ±0.125Nm（X、Y）及 ±0.050Nm（Z）扭矩測(cè)量，精準(zhǔn)支撐論文中 5N 恒定力控制需求；
• 實(shí)時(shí)性保障：通過 USB 接口傳輸數(shù)據(jù)（電流消耗＜200mA），1000Hz 高頻采樣讓機(jī)器人每秒獲取 1000 次三維力、位移、振動(dòng)及滑動(dòng)信息，實(shí)現(xiàn) “邊摸邊算” 的閉環(huán)控制。

更智能的是，它無需預(yù)先編程抓取參數(shù)：基于內(nèi)置算法實(shí)時(shí)計(jì)算摩擦力與最優(yōu)握力，論文中 “零示教” 拋光正是依托這一特性 —— 機(jī)器人通過觸覺反饋?zhàn)灾髡{(diào)整力度，在未知曲面上穩(wěn)定維持接觸力精度。搭配可選的 C++ 庫(kù)（支持 Linux/Windows）或 ROS 節(jié)點(diǎn)（Linux 系統(tǒng)），可輕松集成到 Kinova 機(jī)械臂系統(tǒng)，而 Windows 可視化軟件能實(shí)時(shí)顯示各元件數(shù)據(jù)，方便實(shí)驗(yàn)調(diào)試。

【靈活操作的 “臂膀”：Kinova Gen3 仿生力控機(jī)械臂】

7 軸全關(guān)節(jié)扭矩傳感器如同給每個(gè)關(guān)節(jié)裝上 “智能體重秤”，8.2kg 的超輕機(jī)身讓搬運(yùn)如同拎筆記本般輕松?；鶅?nèi)置控制柜，一條網(wǎng)線即可接入 ROS 系統(tǒng)（支持 ROS Noetic）—— 論文作者正是通過這一組合，實(shí)時(shí)接收觸覺數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為 Cartesian 速度指令，完成 “邊摸邊走” 的零示教實(shí)驗(yàn)。

三、實(shí)驗(yàn)成果可視化

• 圖 1：紅色箭頭為傳感器 “摸” 到的曲面方向，綠色軌跡為機(jī)器人實(shí)時(shí)生成的拋光路徑。無需提前編程，僅靠觸覺反饋就能貼著鞋跟精準(zhǔn)打磨，實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)貼合的拋光動(dòng)作。

• 圖 2：20 次重復(fù)實(shí)驗(yàn)中，平均力控誤差為 0.229N±0.169N，100% 數(shù)據(jù)點(diǎn)落在 ±0.4N 以內(nèi)，完全滿足鞋面拋光的精度要求。

四、潛在落地場(chǎng)景

• 鞋楦 / 鞋底自動(dòng)拋光：?jiǎn)坞p處理僅需 30 秒，節(jié)省 80% 人工成本；
• 碳纖維曲面質(zhì)檢：通過觸覺 “掃描” 生成缺陷高度圖，替代傳統(tǒng) 3D 線激光檢測(cè)；
• 康復(fù)輔具定制：同一套算法可直接應(yīng)用于石膏陽(yáng)模打磨，適配個(gè)性化需求；
• 小批量珠寶高光：Kinova Gen3 + PapillArray 在 1㎡工位內(nèi)可柔性切換多款戒指曲面，無需重復(fù)調(diào)試。

結(jié)語(yǔ)：觸覺重新定義機(jī)器人邊界

當(dāng) Contactile 陣列式三軸觸覺傳感器 的 “微米級(jí)感知” 與 Kinova Gen3 的 “關(guān)節(jié)級(jí)靈活” 相遇，皮鞋曲面上 0.229N 的恒定力不僅是一次實(shí)驗(yàn)成功，更標(biāo)志著柔性制造范式的全新開端。未來，這對(duì) “指尖與臂膀” 將走進(jìn)更多產(chǎn)業(yè)，用觸覺智慧讓復(fù)雜曲面操作變得簡(jiǎn)單而精準(zhǔn)。

【版權(quán)聲明】

本文部分技術(shù)內(nèi)容及數(shù)據(jù)援引自論文《Touch-based Effector Control to Track 3D Surfaces》（arXiv:2503.07135v2）。

論文主頁(yè)：https://aurova-projects.github.io/Touch-based_3d_surfaces/

代碼倉(cāng)庫(kù)：https://github.com/AUROVA-LAB/aurova_grasping

如需轉(zhuǎn)載，請(qǐng)完整保留本聲明并注明原始出處。

?感謝論文的核心貢獻(xiàn)者：

Edison Velasco-Sanchez（埃迪森·貝拉斯科-桑切斯）

Julio Castaño-Amoros（胡里奧·卡斯塔尼奧-阿莫羅斯）

Pablo Gil（巴勃羅·吉爾）

Fernando Torres（費(fèi)爾南多·托雷斯）

西班牙阿利坎特大學(xué)自動(dòng)化、機(jī)器人與計(jì)算機(jī)視覺研究組（AUROVA）

【文末彩蛋】《考工記》的當(dāng)代踐行者

《考工記》有云：“智者創(chuàng)物，巧者述之；審曲面勢(shì)，以飭五材。” 兩千年前的造物箴言，藏著古人對(duì) “順勢(shì)而為” 的深刻理解，如今正被科技以新的方式延續(xù) ——

• Contactile 陣列式三軸觸覺傳感器的 9 觸點(diǎn)，如匠人磨透的指尖，以 0.01mm 的分辨率 “審” 盡曲面毫厘；
• Kinova Gen3 7 軸力控機(jī)械臂的靈活關(guān)節(jié)，循著觸覺反饋 “飭” 出精準(zhǔn)軌跡。

從 0.229N 的力控精度到工廠里的柔性操作，這對(duì) “搭檔” 把 “創(chuàng)物” 的巧思、“審勢(shì)” 的精準(zhǔn)，都化作了可感知的技術(shù)溫度。

從古籍中的造物理念，到車間里的智能操作，變的是工具：從鑿刀到傳感器，從木臂到機(jī)械軸；不變的是內(nèi)核 —— 對(duì) “巧” 與 “準(zhǔn)” 的執(zhí)著，對(duì) “致用” 的追求。

原來《考工記》的智慧從不是故紙堆里的文字，而是能在科技中生長(zhǎng)的根，扎進(jìn)每一次精準(zhǔn)觸碰，每一段自適應(yīng)軌跡里。