CushSense: Soft, Stretchable, and Comfortable Tactile-Sensing Skin for Physical Human-Robot Interaction

📄 arXiv: 2405.03155v1 📥 PDF

作者: Boxin Xu, Luoyan Zhong, Grace Zhang, Xiaoyu Liang, Diego Virtue, Rishabh Madan, Tapomayukh Bhattacharjee

分类: cs.RO

发布日期: 2024-05-06

备注: 8 pages, 8 figures, ICRA2024

💡 一句话要点

CushSense：用于人机物理交互的柔软、可拉伸、舒适的触觉传感皮肤

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 触觉传感 人机交互 机器人皮肤 可拉伸传感器 电容传感

📋 核心要点

  1. 机器人需要全身触觉反馈以确保与环境进行安全的物理交互，尤其是在人机协作场景中。
  2. CushSense通过使用可拉伸织物和超弹性聚合物，监测皮肤变形引起的电容变化来识别接触，从而实现触觉感知。
  3. 实验结果表明，CushSense具有高传感精度和耐用性，并且用户研究表明其在辅助任务中具有良好的安全性和舒适性。

📝 摘要（中文）

本文介绍了一种名为CushSense的基于织物的柔软且可拉伸的触觉传感皮肤，专为物理人机交互（pHRI）任务而设计，例如机器人照护。CushSense利用可拉伸织物和超弹性聚合物，通过监测皮肤变形引起的电容变化来识别接触。CushSense具有成本效益（每个触觉单元约7美元）且易于制造。我们详细介绍了传感器的设计和制造过程，并进行了特性分析，突出了其高传感精度（相对误差0.58%）和耐用性（1000次交互后精度下降0.054%）。我们还进行了一项用户研究，强调了其在肢体操作辅助任务中的感知安全性和舒适性。我们在https://emprise.cs.cornell.edu/cushsense上开源了所有传感器相关资源。

🔬 方法详解

问题定义：现有机器人触觉传感皮肤在成本、易用性、舒适性和耐用性方面存在不足，限制了其在人机物理交互中的应用。特别是，在机器人照护等场景中，需要柔软、可拉伸且舒适的触觉传感皮肤，以确保交互过程的安全性和用户体验。

核心思路：CushSense的核心思路是利用可拉伸织物和超弹性聚合物，构建一种基于电容变化的触觉传感器。通过监测皮肤变形引起的电容变化，可以识别接触的位置和力度。这种设计思路旨在实现低成本、易制造、高精度和高耐用性的触觉传感皮肤。

技术框架：CushSense的整体架构包括以下几个主要部分：1) 可拉伸织物基底，提供柔软性和可拉伸性；2) 超弹性聚合物电介质层，用于实现电容变化；3) 导电电极，用于测量电容值；4) 数据采集和处理单元，用于将电容值转换为触觉信息。整个流程包括：施加压力 -> 皮肤变形 -> 电容变化 -> 数据采集 -> 信号处理 -> 触觉信息。

关键创新：CushSense的关键创新在于其材料选择和结构设计。使用可拉伸织物和超弹性聚合物，使得传感器具有良好的柔软性和可拉伸性，能够更好地适应人体曲线和运动。此外，基于电容变化的传感原理，使得传感器具有较高的灵敏度和精度。

关键设计：CushSense的关键设计包括：1) 触觉单元（taxel）的尺寸和形状，需要根据应用场景进行优化；2) 电极的材料和布局，需要保证良好的导电性和均匀的电场分布；3) 超弹性聚合物的配方和厚度，需要平衡灵敏度和耐用性；4) 数据采集和处理算法，需要消除噪声和漂移，提高传感精度。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

CushSense具有高传感精度和耐用性。实验结果表明，CushSense的相对误差为0.58%，在1000次交互后精度下降仅为0.054%。用户研究表明，CushSense在肢体操作辅助任务中具有良好的安全性和舒适性。此外，CushSense的成本较低，每个触觉单元约7美元，易于制造。

🎯 应用场景

CushSense具有广泛的应用前景，包括机器人照护、康复机器人、虚拟现实、人机协作等领域。它可以为机器人提供全身触觉反馈，使其能够更安全、更自然地与人类进行交互。在机器人照护领域，CushSense可以帮助机器人更好地感知用户的状态和需求，提供更个性化的服务。在虚拟现实领域，CushSense可以增强用户的沉浸感和交互体验。

📄 摘要（原文）

Whole-arm tactile feedback is crucial for robots to ensure safe physical interaction with their surroundings. This paper introduces CushSense, a fabric-based soft and stretchable tactile-sensing skin designed for physical human-robot interaction (pHRI) tasks such as robotic caregiving. Using stretchable fabric and hyper-elastic polymer, CushSense identifies contacts by monitoring capacitive changes due to skin deformation. CushSense is cost-effective ($\sim$US\$7 per taxel) and easy to fabricate. We detail the sensor design and fabrication process and perform characterization, highlighting its high sensing accuracy (relative error of 0.58%) and durability (0.054% accuracy drop after 1000 interactions). We also present a user study underscoring its perceived safety and comfort for the assistive task of limb manipulation. We open source all sensor-related resources on https://emprise.cs.cornell.edu/cushsense.