2月26日,哥倫比亞工程公司的研究人員宣布推出一種新型的具有觸摸感的機械手指。他們的手指可以在很大面積、多曲線的表面上以極高的精度(<1毫米)來定位觸摸,這與人類的手指已經非常相似。相關研究成果已“通過重疊的光信號進行數據驅動的觸摸感應的多曲線機器人手指”(A Sensorized Multicurved Robot Finger with Datadriven Touch Sensing via Overlapping Light Signals)發布在IEEE/ASME Transactions on Mechatronics ( Early Access )上。


新型機械手指擁有接近人類手指的觸感,讓機械手操作更靈活


新型機械手指擁有接近人類手指的觸感,讓機械手操作更靈活

論文截圖


該研究由機械工程和計算機科學系副教授Matei Ciocarlie與電氣工程教授Ioannis(John)Kymissis合作完成了此項研究。


如何實現沒有盲點的觸覺機器人手指?


觸覺傳感在機器人操縱中仍遠遠沒有普及,獨立的觸覺傳感器和完全集成的觸覺手指之間一直存在著差距。在這項研究中,研究團隊展示了一種多彎曲的機械手指,該手指在復雜的3D表面上具有精確的觸摸定位和法向力檢測。


此前試驗已經證明,由于存在多種挑戰,包括覆蓋多彎曲表面的困難、導線眾多導致難以裝配到小指尖等問題,當前用于構建觸覺傳感器的方法難以集成到機器人手指中,從而阻止了機械手指在靈巧的機器人手中的應用。


新型機械手指擁有接近人類手指的觸感,讓機械手操作更靈活

具有觸感的機械手指


Columbia Engineering團隊采用了一種新方法:新穎地使用來自嵌入在覆蓋手指功能區域的透明波導層中的光發射器和接收器的重疊信號。通過測量每個發射器和接收器之間的光傳輸,可以獲得非常豐富的信號數據集,該數據集會隨著手指由于觸摸而產生的變形而發生變化。


然后,他們證明了純數據驅動的深度學習方法可以從數據中提取有用的信息,包括接觸位置和施加的法向力,而無需分析模型。最終,該材料實現了易于使用、易于制造、完全集成的、具有傳感功能的機器人手指制造,同時其線數少,并且易于集成到靈巧的機械手中。


該研究論文演示了基礎技術的兩個方面。


首先,在這個項目中,研究人員使用光線來感應觸摸。在“皮膚”下,他們的手指上有一層由透明硅樹脂制成的材料,他們在其中發光了30多個LED。手指還具有30多個光電二極管,可測量周圍光線的反射。每當手指觸摸某物時,其皮膚就會變形,因此光線會在下面的透明層中四處移動。通過測量從每個LED到每個二極管的光量,研究人員最終獲得了近1,000個信號,每個信號都包含有關所進行的接觸的一些信息。由于光也可以在彎曲的空間中反彈,因此這些信號可以覆蓋復雜的3D形狀,例如指尖。


Ciocarlie解釋說:“人的手指提供了令人難以置信的豐富的聯系信息,在每平方厘米的皮膚中有400多個微型觸摸傳感器!那是促使我們嘗試從手指中獲取盡可能多數據的模型。確保手指各側的所有接觸都被遮蓋非常關鍵,我們實質上是制造了沒有盲點的觸覺機器人手指。 ”


其次,團隊設計了這些數據,以供機器學習算法處理。由于信號太多,所有信號都部分重疊,因此數據太復雜而無法被人解釋。幸運的是,當前的機器學習技術可以學習提取研究人員關心的信息:手指在哪里觸摸,手指在觸摸什么,施加了多少力等。


Kymissis說:“我們的結果表明,深度神經網絡可以非常高精度地提取此信息。我們的設備從一開始就是真正設計成可與AI算法結合使用的觸覺手指。”


新型機械手指擁有接近人類手指的觸感,讓機械手操作更靈活

機械臂接觸觸覺手指,以收集用于機器學習算法的訓練數據


此外,該團隊還建立了手指模型端口,以便可以將該手指和其他手指放在機器人手上對比。將系統集成到手上很容易:由于這項新技術,手指可以收集將近1000個信號,但是只需要一條14線電纜將其連接到手上,就不需要復雜的外接電子設備。


未來前景


在實驗室中,研究人員已經將這些機械手指裝置用在了兩只靈巧的機械手上。這些機械手能夠抓握和操縱物體。其中一只機械手有三個手指,另一只機械手有四個手指。在接下來的幾個月中,研究小組將根據觸覺和本體感受數據,使用這些手來嘗試證明其靈巧的操作能力。


Ciocarlie補充說:“在制造和物流等領域,現在需要機器人的操縱,從長遠來看,它同時也是在其他領域,例如醫療保健或服務領域,啟用個人機器人工作所需要的技術之一。”


論文鏈接: Pedro Piacenza et al, A Sensorized Multicurved Robot Finger with Data-driven Touch Sensing via Overlapping Light Signals, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics (2020). DOI: 10.1109/TMECH.2020.2975578


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