实验装置

触觉传感器：采用触觉传感器（压力映射传感器5101，Tekscan，South Boston，MA，USA）来获取触觉数据，如图2a所示。该传感器由两个薄的、柔性的聚酯板组成，其具有以不同模式沉积的导电电极。一张纸的内表面形成行图案，而另一张纸的内表面则采用柱图案。这些行和列的交叉处形成了一个传感元件，并在这两个配合片之间放置了一种力敏感材料。行与列之间的间距为2.5 mm，总厚度为0.1 mm。由于该传感器具有柔性、大尺寸、超薄等特点，可以将其覆盖在机器人上，使材料识别更加容易实现。该传感器由44×44个传感元件组成，密度高，能够监测接触表面的压力分布，生成与材料柔度和质地相关的触觉图像，丰富了触觉数据，使机器人能够在短时间内采集到足够的数据。压力被转换成触觉图像的强度，范围从0到255。与人类皮肤相似，通过对触觉数据的处理，可以检测到包括持续向下压力、滑动、物体位置、物体形状和振动在内的全方位信息。

Applsci 09 02537 g002 550图2。测试材料的触觉数据采集（a）触觉传感器；（b）传感器通过运动平台滑过材料表面。（c） 试验材料：（1）泡沫硅橡胶（FSR），（2）海绵，（3）棉，（4）聚氯乙烯（PVC），（5）硅橡胶（SR），（6）橡胶，（7）砂纸（80目），（8）木材，（9）铁（未抛光），（10）陶瓷，（11）铜，（12）丙烯酸。

滑动动作：模仿人类探索未知材料的动态触觉感知[30]，在试验材料上设计了一个短时间的滑动动作，在1s内收集触觉数据。对于机器人来说，实现滑动动作比抓取和其他动作更容易；为了安全，滑动动作比按压动作危害小。另外，滑动引起的振动对材料识别是有用的。因此，本文采用滑动作用作为探索过程。此外，1s的滑动时间提高了该方法的快速性。在滑动动作中，传感器以恒定的力穿过材料表面。在我们的实验中，使用线性运动平台（M-403，Physik Instruments，Karlsruhe，Germany）以2.5 mm/s的速度拖动传感器，同时在传感器上放置一个200 g的标准砝码以提供恒定的交互力。拖拽的速度比人类使用的滑动速度慢，因为缓慢的滑动可以防止机器人伤害人或物体。一个200克范围内的交互力会使人受伤或不受伤害。此外，每个滑动动作在材料表面的探测区域不同，增加了触觉数据的鲁棒性。图2b说明了滑动动作。

试验材料：为了使试验材料具有代表性，选取了12种不同质地和符合性的材料。这12种材料是泡沫硅橡胶（FSR）、海绵、棉花、聚氯乙烯（PVC）、硅橡胶（SR）、橡胶、砂纸（80目）、木材、铁（未抛光）、陶瓷、铜和丙烯酸（如图2c所示）。这些材料被分为四类：软粗糙、软光滑、刚性粗糙和刚性光滑，它们涵盖了大多数物体的特性。各材料及其所属类别见表1。

表1。试验材料及其所属类别。

表

3.3条。数据收集和降维

当人的皮肤沿着一种未知的材料滑动时，四种机械感受器相互合作，动态地感知刺激并产生相应的触觉信号[25]。他们感受到的刺激如表2所示。为了收集不同频率的触觉数据，就像皮肤一样，这些数据被记录在100hz，这主要覆盖了机械感受器感知到的刺激的频率范围。在此频率下，传感器以2.5 mm/s的速度在材料上滑动1s，滑动动作后传感器可记录100张触觉图像。然而，高密度传感器在每次勘探中产生193600个维度的数据。为了有效地处理数据，设计了三个特征来表示图像，并计算了它们的时间序列以减少数据量。第一序列Sa包含100个触觉图像的区域，第二个序列Sv包含100个触觉图像的方差，第三个序列Ss包含100个触觉图像中的力的总和。在数字上，机智