Bio-Skin: A Cost-Effective Thermostatic Tactile Sensor with Multi-Modal Force and Temperature Detection

📄 arXiv: 2503.07989v3 📥 PDF

作者: Haoran Guo, Haoyang Wang, Zhengxiong Li, Lingfeng Tao

分类: cs.RO

发布日期: 2025-03-11 (更新: 2026-01-08)

备注: This work has been published by IROS2025

💡 一句话要点

Bio-Skin：一种低成本、多模态力温触觉传感器，用于类人机器人交互

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 触觉传感器 多模态感知 力传感器 温度传感器 人形机器人 低成本 霍尔效应传感器 压阻器

📋 核心要点

  1. 现有触觉传感器通常专注于提高单模态检测的分辨率和灵敏度，但成本高昂，制造工艺复杂，难以普及。
  2. Bio-Skin采用低成本的霍尔效应传感器、压阻器和热敏电阻，实现了平面法向力、剪切力和温度的多模态感知。
  3. 实验结果表明，Bio-Skin的性能指标与商业产品相当，但成本显著降低，并在物体抓取和材料检测等任务中表现良好。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种低成本的多模态触觉传感器Bio-Skin，旨在提升人形机器人系统的感知能力，实现更类人的交互。该传感器利用单轴霍尔效应传感器测量平面法向力，条形压阻器测量二维剪切力。同时，集成了热敏电阻和加热丝的硅胶体，以实现温度感知和类似人体皮肤的恒温功能。论文还提出了一种交叉参考框架，用于验证力感测信号的两种模态，从而提高复杂电磁环境中的感测保真度。Bio-Skin采用多层设计，逐层制造并集成，实现了快速生产。校准后，Bio-Skin的信噪比、采样率和测量范围等性能指标与当前商业产品相当，但成本仅为其十分之一。通过在Allegro机械手上进行物体抓取任务以及材料检测任务评估了该传感器的实际性能和温度调节功能。

🔬 方法详解

问题定义：现有商业触觉传感器通常追求高分辨率和高灵敏度的单模态检测，导致成本高昂、制造复杂，难以满足人形机器人大规模应用的需求。因此，需要一种低成本、易于制造且具有多模态感知能力的触觉传感器。

核心思路：Bio-Skin的核心思路是采用低成本的传感器件和简化的制造工艺，实现多模态触觉感知。通过巧妙的结构设计和信号处理方法，弥补低成本传感器件在性能上的不足，最终达到与商业产品相当的性能水平。

技术框架：Bio-Skin采用多层结构设计，主要包括以下几个模块： 1. 法向力感测层：使用单轴霍尔效应传感器测量平面法向力。 2. 剪切力感测层：使用条形压阻器测量二维剪切力。 3. 温度感测与控制层：集成热敏电阻和加热丝，实现温度感知和恒温控制。 4. 信号处理与验证模块：采用交叉参考框架验证力感测信号，提高感测保真度。

关键创新：Bio-Skin的关键创新在于： 1. 低成本多模态感知：通过集成低成本的霍尔效应传感器、压阻器和热敏电阻，实现了法向力、剪切力和温度的多模态感知。 2. 交叉参考验证框架：提出了一种交叉参考框架，用于验证力感测信号，提高复杂电磁环境下的感测精度。 3. 快速生产路径：采用多层设计，逐层制造并集成，简化了制造工艺，实现了快速生产。

关键设计： 1. 传感器布局：优化霍尔效应传感器和压阻器的布局，以提高力感测的灵敏度和分辨率。 2. 硅胶体设计：选择合适的硅胶材料和几何形状，以实现良好的力传递和温度控制。 3. 加热丝控制：设计合适的加热丝控制算法，以实现精确的温度控制和恒温功能。

📊 实验亮点

Bio-Skin的性能指标与商业产品相当，但成本仅为其十分之一。在物体抓取任务中，Bio-Skin能够准确感知抓取力，实现稳定的抓取。在材料检测任务中，Bio-Skin能够通过温度感知区分不同的材料。实验结果表明，Bio-Skin在实际应用中具有良好的性能和可靠性。

🎯 应用场景

Bio-Skin触觉传感器具有广泛的应用前景，包括人形机器人、康复机器人、假肢、虚拟现实和人机交互等领域。其低成本和多模态感知能力使其能够应用于大规模机器人部署，提升机器人在复杂环境中的适应性和交互能力。此外，其温度感知和控制功能使其在材料识别、医疗诊断等领域具有潜在的应用价值。

📄 摘要（原文）

Tactile sensors can significantly enhance the perception of humanoid robotics systems by providing contact information that facilitates human-like interactions. However, existing commercial tactile sensors focus on improving the resolution and sensitivity of single-modal detection with high-cost components and densely integrated design, incurring complex manufacturing processes and unaffordable prices. In this work, we present Bio-Skin, a cost-effective multi-modal tactile sensor that utilizes single-axis Hall-effect sensors for planar normal force measurement and bar-shape piezo resistors for 2D shear force measurement. A thermistor coupling with a heating wire is integrated into a silicone body to achieve temperature sensation and thermostatic function analogous to human skin. We also present a cross-reference framework to validate the two modalities of the force sensing signal, improving the sensing fidelity in a complex electromagnetic environment. Bio-Skin has a multi-layer design, and each layer is manufactured sequentially and subsequently integrated, thereby offering a fast production pathway. After calibration, Bio-Skin demonstrates performance metrics-including signal-to-range ratio, sampling rate, and measurement range-comparable to current commercial products, with one-tenth of the cost. The sensor's real-world performance is evaluated using an Allegro hand in object grasping tasks, while its temperature regulation functionality was assessed in a material detection task.