近年来，视觉触觉传感器（VTS）在机器人领域得到了广泛关注。传统的触觉传感器如压阻式、压电式和电容式触觉传感器在机器人感知方面有显著优势，但其分辨率相对较低。视触觉传感器使用相机获取触觉信息，能够提供高分辨率和准确的表面形状重建。然而，这些传感器普遍存在体积较大的问题，限制了其在紧凑空间中的应用。
近期IEEE Sensor发表的论文工作“Development of a Miniature Photometric Vision-Based Tactile Sensor”，提出了一种小型基于光度视觉的触觉传感器，主要通过优化传感器结构设计以减少其体积。研究通过将传感器结构设计问题转化为一个约束优化问题，结合荧光颜料涂层和白色LED灯照明，从而在保持高分辨率的同时，显著缩小了传感器的尺寸。该传感器可以轻松集成到现有的机器人系统中，且成本低廉。

1、传感器设计与优化
本研究将视觉触觉传感器的结构设计问题转化为一个优化问题，目标是尽可能缩小传感器的尺寸，同时保证感知性能。研究的传感器设计包括一个相机、亚克力板、镜子、白色LED灯和涂有荧光颜料的弹性材料。通过对传感器结构的优化，研究者提出了一种紧凑的传感器设计，使其厚度仅为14毫米，长度约为44毫米，适用于狭小环境中的抓取操作。
具体来说，传感器设计中的主要优化变量包括相机的安装角度、镜子的位置和光路的设计。这些优化变量通过数学建模和优化公式计算得到最优的参数组合，从而最大限度地减少了传感器的厚度和体积。研究还利用镜子缩短了相机的焦距要求，进一步减少了所需空间。

小型视触觉传感器设计

传感器结构的二维示意图
2、荧光颜料替代多色LED
为了减少传感器的尺寸，研究采用了荧光颜料涂层替代传统的多色LED灯作为光源。荧光颜料涂在亚克力板的侧面，通过白色LED灯的照射激发产生多彩的荧光，用于照亮接触表面。这一设计不仅减少了照明系统的空间占用，还保持了高分辨率的成像质量。荧光颜料的使用避免了LED灯阵列的体积增加问题，并且提供了更加稳定、均匀的光照。
荧光颜料涂层的制作过程包括将荧光粉末与UV胶混合后涂抹在亚克力板侧面，随后使用紫外光固化胶层，形成稳定的荧光光源。研究中使用了红、绿、蓝三种颜色的荧光颜料，使得传感器能够在多种颜色的照明下准确重建接触表面的形状。

荧光涂层的逐步制作过程
3、原型实现与实验测试
研究者根据优化的设计制作了两个传感器原型，它们由小型相机、LED灯和亚克力板等材料组装而成。相机采用了鱼眼镜头，并通过使用镜子来减少传感器的空间需求。弹性材料选择了PU胶作为接触表面，其上涂有反射膜用于感知接触表面的细微变化。
为验证设计的有效性，研究者将两个传感器安装在一个两指平行机器人夹爪上，进行了多个抓取和触觉感知实验。实验对象包括标准金属球、螺丝、塑料瓶盖、试管等多种形状和材质的物体。该传感器成功地重建了接触物体表面的深度图，能够感知复杂表面的纹理和形状，例如螺丝的螺纹、瓶盖的细节纹理等。

实验中使用的七个物体的传感器图像和深度图
4、性能比较实验
研究还设计了两种替代方案进行性能对比实验：一种是不使用镜子的设计，另一种是使用传统三色LED照明的设计。通过与提出的传感器设计进行比较，结果表明，不使用镜子的设计由于相机视角的扭曲，图像存在明显的透视变形，影响了接触表面的深度重建。而三色LED照明方案则由于增加了尺寸，无法在狭小空间中实现良好的抓取操作。
研究结果还显示，荧光颜料涂层提供了稳定且一致的光照效果，并且避免了LED照明引发的过热问题，延长了传感器的使用寿命。因此，研究认为使用荧光颜料的照明方式在空间利用率、稳定性和成本效益方面具有显著优势。

使用机器人按压标准球表面

传感误差比较直方图（蓝色：UV版本；白色：LED版本）

5、结论和展望
该研究提出的小型光度视觉触觉传感器成功缩小了传感器尺寸，解决了传统视触觉传感器体积大的问题，同时保持了良好的表面感知性能。然而，传感器在照明强度、材料恢复时间、环境光干扰等方面仍存在改进空间。未来工作将着重于提高传感器的灵敏度、实时性能以及减少外界光干扰。
参考文献：Y. Gao, S. Zhang, W. Wan, B. Fang, F. Sun and K. Harada, “Development of a Miniature Photometric Vision-Based Tactile Sensor,” IEEE Sensors Journal, doi: 10.1109/JSEN.2024.3452768.