盡管近年來工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展使得人類在觸摸和力傳遞方面取得了重大進(jìn)展，但觸覺傳感仍遠(yuǎn)沒有在機(jī)器人操縱中普遍存在。由于存在多種挑戰(zhàn)，包括用于覆蓋多彎曲表面的困難，高線數(shù)或包裝限制，難以在靈巧的手中使用，用于構(gòu)建觸摸傳感器的現(xiàn)有方法已被證明難以集成到機(jī)器人手指中。
哥倫比亞工程公司的研究人員26日宣布，他們推出了一種新型的具有觸摸感的機(jī)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(jīng)非常相似。
機(jī)械工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系副教授Matei Ciocarlie表示：“獨(dú)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，觸覺傳感在機(jī)器人操縱中仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有普及。”Matei Ciocarlie與電氣工程教授Ioannis（John）Kymissis合作完成這一研發(fā)。后者解釋道，“在本文中，我們展示了一種多彎曲的機(jī)械手手指，該手指在復(fù)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(yàn)已經(jīng)證明，由于包括用于覆蓋多彎曲表面的困難，高導(dǎo)線數(shù)或難以裝配到小指尖的多種挑戰(zhàn)，當(dāng)前用于構(gòu)建觸摸傳感器的技術(shù)和方法，難以集成到機(jī)器人手指中，從而組阻止了它們應(yīng)用于靈巧的機(jī)器人手中使用。
因此，Columbia Engineering團(tuán)隊(duì)采用了一種新方法：他們新穎地使用來自嵌入在覆蓋手指功能區(qū)域的透明波導(dǎo)層中的光發(fā)射器和接收器的重疊信號，攻克了這一難關(guān)。
他們通過測量每個發(fā)射器和接收器之間的光傳輸，試驗(yàn)表明，該方法可以獲得非常豐富的信號數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集會隨著手指由于觸摸而變形而發(fā)生變化。然后，他們證明了純數(shù)據(jù)驅(qū)動的深度學(xué)習(xí)方法可以從數(shù)據(jù)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。他們的最終結(jié)果是，該材料實(shí)現(xiàn)了易于使用、易于制造、完全集成的、具有傳感功能的機(jī)器人手指制造，同時其線數(shù)少，并且易于集成到靈巧的機(jī)械手中。
（機(jī)械臂接觸觸覺手指，以收集用于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。圖片來源：Pedro Piacenza /哥倫比亞工程大學(xué)）
該研究發(fā)表在IEEE/ASME Transactions on Mechatronics ( Early Access )上，文章演示了基礎(chǔ)技術(shù)的兩個方面，這些方面相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)新結(jié)果。
首先，在這個項(xiàng)目中，研究人員使用光線來感應(yīng)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(fā)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(dāng)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(guān)所進(jìn)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(fù)雜的3D形狀，例如指尖。
Ciocarlie說：“人的手指提供了令人難以置信的豐富的聯(lián)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(shù)據(jù)的模型。確保手指各側(cè)的所有接觸都被遮蓋非常關(guān)鍵-我們實(shí)質(zhì)上是制造了沒有盲點(diǎn)的觸覺機(jī)器人手指。”
其次，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了這些數(shù)據(jù)，以供機(jī)器學(xué)習(xí)算法處理。但一開始由于信號太多，所有信號都部分重疊，因此數(shù)據(jù)太復(fù)雜而無法被人解釋。幸運(yùn)的是，他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)可以學(xué)習(xí)提取研究人員關(guān)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。
“我們的結(jié)果表明，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以非常高精度地提取此信息，” Kymissis說。“我們的設(shè)備從一開始就是真正設(shè)計(jì)成可與AI算法結(jié)合使用的觸覺手指。”Ciocarlie說道。
此外，該團(tuán)隊(duì)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(jī)器人手上對比。將系統(tǒng)集成到手上很容易：由于這項(xiàng)新技術(shù)，手指可以收集將近1,000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(fù)雜的外接電子設(shè)備。在實(shí)驗(yàn)室中，研究人員已經(jīng)有兩只靈巧的手（能夠抓握和操縱物體）用這些手指裝備-一只手有三個手指，另一只手有四個手指。在接下來的幾個月中，研究小組將根據(jù)觸覺和本體感受數(shù)據(jù)，使用這些手來嘗試證明其靈巧的操作能力。
Ciocarlie補(bǔ)充說：“在制造和物流等領(lǐng)域，現(xiàn)在需要機(jī)器人的操縱，從長遠(yuǎn)來看，它同時也是在其他領(lǐng)域（例如醫(yī)療保健或服務(wù)領(lǐng)域）啟用個人機(jī)器人幫助所需要的技術(shù)之一。”
該研究的原文標(biāo)題為“通過重疊的光信號進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動的觸摸感應(yīng)的多曲線機(jī)器人手指”。（ "A Sensorized Multicurved Robot Finger with Datadriven Touch Sensing via Overlapping Light Signals."）
