北京航空航天大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)最近開發(fā)了一種新的觸覺傳感技術(shù)，能夠讓機(jī)器人擁有像人一樣的觸覺，感受到物體表面的紋理是什么樣的，還能感受到物體有多硬。
這項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用于由柔軟材料制成的機(jī)器人上，為仿生假肢和類人機(jī)器人的制造提供幫助。研究者稱該研究的靈感來自于人類及哺乳動(dòng)物的本體感覺機(jī)制，這是一種讓人類及哺乳動(dòng)物能夠感知或意識(shí)到自身位置和運(yùn)動(dòng)的生物機(jī)制。
研究團(tuán)隊(duì)對(duì)他們創(chuàng)建的原型系統(tǒng)進(jìn)行了一系列測(cè)試評(píng)估其觸覺傳感技術(shù)，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)在物體紋理和剛度識(shí)別方面分別達(dá)到了 100% 和 99.7% 的準(zhǔn)確率。
該研究已在論文預(yù)印本發(fā)布平臺(tái) arXiv 上預(yù)發(fā)表，論文題目為《用肌腱驅(qū)動(dòng)的軟機(jī)器人手指進(jìn)行觸覺感知(Tactile Sensing with a Tendon-Driven Soft Robotic Finger)》
01.研究者從人體得到靈感，讓機(jī)器手擁有觸覺
近年來，全球眾多機(jī)器人專家都在嘗試開發(fā)出一種可以復(fù)制人類觸覺的機(jī)器人系統(tǒng)，同時(shí)也在嘗試使用柔軟材料替代剛性結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造出更加逼真、更加先進(jìn)的仿生肢體和類人機(jī)器人。
柔軟材料在采集觸覺信息方面具有紋理采集上的優(yōu)勢(shì)，但是由柔軟材料制成的機(jī)械手臂通常無法收集更廣泛的感官信息。迄今為止，復(fù)制人類收集物體觸覺信息的生物機(jī)制仍是極具挑戰(zhàn)性的一件事。
過去的研究中往往使用剛性手指測(cè)量接觸剛度(contact stiffness)，這些方法根據(jù)手指的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型估計(jì)手指和物體間的接觸力和手指的位移，來對(duì)接觸剛度進(jìn)行計(jì)算。然而這一方法很難被用到軟體機(jī)器人手指上，因?yàn)檐涹w機(jī)械手過于柔軟，運(yùn)動(dòng)學(xué)建模很困難，且結(jié)果通常不太準(zhǔn)確。
而北京航空航天大學(xué)的這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)從在人類身上發(fā)現(xiàn)的本體感覺框架(proprioception framework)上得到靈感，開發(fā)出了新的觸覺傳感技術(shù)，使軟體機(jī)器手擁有了觸覺，能夠感知物品的紋理與剛度。
“當(dāng)你蒙上眼睛并捂上耳朵時(shí)，仍可以感覺到你的手部姿勢(shì)、手臂位置或手里提的食品袋的重量，這種能力就被稱作本體感覺。我們一直在進(jìn)行一個(gè)假手研究項(xiàng)目，并努力尋找讓假手擁有觸覺反饋的辦法。”這項(xiàng)研究的參與者之一 Chang Cheng 說。
02.有觸覺的機(jī)器手指紋理識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá) 100%
在過去，機(jī)器人研究者通常不會(huì)將本體感覺與觸覺相關(guān)聯(lián)，因?yàn)槿祟惖谋倔w感覺機(jī)制并不會(huì)有特別精確的反饋。然而工業(yè)傳感器比人類本體感受器官靈敏的多，將它們用于機(jī)器人手指可以幫助研究者收集更精確的觸覺反饋。
北航的這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的機(jī)器手原型系統(tǒng)由線性執(zhí)行器(linear actuator)、肌腱/電纜(tendon/cable)、應(yīng)變傳感器(strain sensor)和一個(gè)軟體機(jī)器人手指組成，另外還有一個(gè)用聚氨酯制成的套子套在在手指的末端，以模仿人的指尖。
機(jī)器手指的肌腱與執(zhí)行器相連，應(yīng)變傳感器則被安裝在肌腱的中間位置。當(dāng)執(zhí)行器被驅(qū)動(dòng)時(shí)，它會(huì)拉動(dòng)肌腱讓手指彎曲或伸直，肌腱上的應(yīng)變(strain)也會(huì)相應(yīng)的產(chǎn)生變化。當(dāng)手指觸摸不同的物體時(shí)，傳感器會(huì)輸出一系列應(yīng)變信號(hào)來表征所觸摸的物體。
研究者用 8 個(gè)不同的紋理板和 4 個(gè)不同剛度的圓柱體對(duì)機(jī)器手指進(jìn)行試驗(yàn)。
觸覺感應(yīng)測(cè)試中，研究者讓機(jī)械手指以較慢的速度劃過紋理板表面，由此產(chǎn)生的肌腱應(yīng)變則被記錄下來，每個(gè)紋理板上共進(jìn)行了 60 次試驗(yàn)。
剛度感應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，用于試驗(yàn)的圓柱體被放置在手指下方，手指被激活后便會(huì)對(duì)物體施加壓力，這種狀態(tài)會(huì)保持 4 秒鐘。實(shí)驗(yàn)中肌腱應(yīng)變的各階段數(shù)據(jù)同樣會(huì)被記錄。
之后，研究團(tuán)隊(duì)利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終可識(shí)別出相應(yīng)的物體紋理或物體剛度。經(jīng)過驗(yàn)證，該方法在物體紋理的識(shí)別上達(dá)到了 100% 的準(zhǔn)確度，在物體剛度識(shí)別方面準(zhǔn)確度也達(dá)到了 99.7%。
03.該技術(shù)將用于開發(fā)機(jī)器人和假肢
“現(xiàn)有的關(guān)于神經(jīng)支配仿生手指的研究大多都在之間表面安裝傳感器，雖然這些研究取得了不錯(cuò)的結(jié)果，但它們需要指尖傳感器和物體進(jìn)行精確的接觸，這在實(shí)踐中往往無法獲得保證。”Chang Cheng 說，“而我們的研究的關(guān)鍵又是在于傳感單元位于肌腱上，因此手指上任何地方的接觸都能產(chǎn)生特征信號(hào)輸出，并可以用來推斷觸覺信息。”
該研究團(tuán)隊(duì)將傳感器嵌入機(jī)器人的肌腱上實(shí)現(xiàn)新的觸覺傳感方法，這是一種前所未有的方式，經(jīng)過試驗(yàn)他們發(fā)現(xiàn)這有很高的應(yīng)用潛力。
將來，他們開發(fā)的這種系統(tǒng)可以用于開發(fā)更加先進(jìn)的機(jī)器人和假肢。這些機(jī)器人和假肢可以擁有觸覺并利用本體感覺反饋，而無需與物體表面進(jìn)行完美或精確的接觸。
Chang Cheng 說：“我們現(xiàn)在正在探索該系統(tǒng)的滑動(dòng)檢測(cè)能力。當(dāng)人類操縱或抓住某種東西時(shí)，滑動(dòng)是不可避免的，因此檢測(cè)和控制滑動(dòng)對(duì)于機(jī)器人能否穩(wěn)健可靠的控制物體來說至關(guān)重要。我們相信滑動(dòng)檢測(cè)將是一個(gè)很好的功能添加，我們的初步實(shí)驗(yàn)已經(jīng)顯示出非常有希望的結(jié)果。”
除了進(jìn)一步開發(fā)這一系統(tǒng)外，該研究團(tuán)隊(duì)還正與一家納米技術(shù)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)一種低成本的觸覺傳感器，這種傳感器可以感知力或扭矩信號(hào)，并可以放置在機(jī)器人的指尖上。他們已經(jīng)創(chuàng)造了這種設(shè)備的原型，正在評(píng)估其性能。
04.結(jié)語：觸覺傳感技術(shù)讓假肢也能擁有觸覺
柔軟材料在采集觸覺信息方面有著較明顯的優(yōu)勢(shì)，并且由于其自身柔軟的特性，與剛性材料相比更加適合用于制造仿生肢體和類人機(jī)器人。
在過去讓軟體機(jī)器人擁有觸覺是一件較為困難的事，而該研究團(tuán)隊(duì)從人體和哺乳動(dòng)物身上得到啟發(fā)，巧妙的解決了這一問題，讓機(jī)器人手指不僅可以識(shí)別物體紋理，還能識(shí)別物體剛度。
這一技術(shù)將被用于機(jī)器人開發(fā)和假肢制造上，讓機(jī)器人和假肢也能擁有觸覺。
關(guān)鍵詞： 北京航空航天大學(xué) 觸覺傳感技術(shù) 機(jī)器人 物體紋理
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